第一 拱桥的概述

第三篇第三篇 拱桥拱桥第一章 概述第一节 拱桥的基本特点及其适用范围1、拱桥的发展 拱桥 国 外：石拱，木拱十八世纪铸铁拱十九世纪 钢拱钢筋混凝土拱国内：石拱，木拱双曲拱桁架拱钢筋混凝土拱 刚架拱桁式组合拱 钢管拱新型组合体系拱1964年70年代80年代80年代中古代拱桥古代拱桥：拱轴曲线造型的千变万化，其中最具有代表意义的是建于公元 595-605年的赵州桥（如图1所示，跨径L=37m）图1 赵州桥 当代拱桥当代拱桥：结构型式与施工方法的丰富多彩，如97年 建成的重庆万县长江大桥（图2所示，L=420m），广州丫髻沙特大桥（图3，L360m），1932建成的澳大利亚悉尼钢拱桥（图4，L 503m）及2004年的卢浦大桥（L=550m）。图2 1997建成的四川万县长江大桥 （L=420m)图3 360m 广州丫髻沙特大桥图 4 1932澳大利亚503m悉尼钢拱桥2、拱桥的受力特点承重结构：主拱拱桥的基本图示支承处不仅产生竖 向反力，还产生水平推力，从而使拱主要受压3、主要优缺点：主要优点 跨越能力较大。抗风稳定性强，结构整体性好。能就地取材。可以充分利用当地的圬工和钢筋混凝土等材料，造价较低。耐久性能好，维修、养护费用低。构造较简单，技术容易掌握，有利于广泛应用。建筑艺术造型简洁美观，能与周围环境较好协调。主要缺点：1）是有推力的结构，而且自重较大，因而水平推力也较大，增加了下部结构的工程量，对地基要求也高；2）施工方面的缺点多；3）由于水平推力较大，在连续多孔的大、中桥中，为防止一孔破坏而影响全桥的安全，需要采取较复杂的措施，或设置单向推力墩，增加了造价；4）上承式拱桥的建筑高度较高。拱桥的缺点正在逐步得到改善和克服拱桥由于其优点突出，且具有民族特色，符合我国实际情况，故在桥梁设计方案中常被选用。上承式拱桥的基本组成1-主拱圈2-拱顶3-拱脚4-拱轴线5-拱腹6-拱背7-起拱线 8-桥台9-基础11-拱上建筑L0-净跨径L-计算跨径f0-净矢高f-计算矢高f/L-矢跨比第二节 拱桥的组成 根据行车道的位置，拱桥可以分成：上承式、下承式和中承式三种类型如下图所示：图3.1.3（a）上承式；（b）中承式；（c）下承式上承式拱桥的上部结构是由主拱圈（肋、箱）和拱上建筑（又称拱上结构）组成。主拱圈（肋、箱）是拱桥的主要承重结构，承受桥上的全部荷裁，并通过它把荷载传递给墩台及基础。由于主拱圈是曲线形，一般情况下车辆都无法直接在弧面上行驶，所以在桥面系与主拱圈之间需要有传递荷载的构件或填充物，以使车辆能在平顺的桥道上行驶。桥面系和这些传力构件或填充物统称为拱上结构或拱上建筑。桥面系包括行车道、人行道及两侧的栏杆或砌筑的矮墙等构造。拱上建筑可做成实腹式（图3-1-2）或空腹式（图3-1-3a），相应称为实腹拱桥或空腹拱桥。第三节 拱桥的主要类型和选型 拱桥建桥材料圬工拱桥，钢筋混凝土拱桥，钢拱桥拱轴线型式圆弧拱桥，抛物线拱桥，悬链线桥桥面位置上承式拱桥，中承式拱桥，下承式拱桥结构体系分简单体系拱桥：三铰拱，两铰拱，无铰拱组合体系拱桥：无推力拱桥，有推力拱桥主拱圈截面形式形式拱上建筑形式实腹式拱桥，空腹式拱桥板拱桥，肋拱桥，双曲拱桥，箱形拱桥一、拱桥的主要类型一、拱桥的主要类型1、简单体系拱桥和组合体系拱桥、简单体系拱桥和组合体系拱桥拱桥按受力图式的分类简单体系拱桥简单体系拱桥：行车系结构不参与主拱的受力，主拱以裸拱为主要承重结构。三铰拱三铰拱：静定结构，在地基差的地区可采用。但构造复杂，施工困难，整体刚度小，主拱圈一般不采用。无铰拱无铰拱：三次超静定结构。拱的内力分布较均匀，材料用量较三铰拱省；构造简单，施工方便，整体刚度大，实际中使用广泛。但超静定次数高，会产生附加内力，一般希望修建在地基良好处。跨径增大，附加力影响变小，故钢筋混凝土无铰拱仍是大跨径桥梁的主要型式之一。两铰拱两铰拱：一次超静定结构，介于三铰拱和无铰拱之间。（一）按照结构体系分类（一）按照结构体系分类2、组合体系拱桥、组合体系拱桥组合体系拱桥：组合体系拱桥：在拱式桥跨中，行车系与拱组合，共同受力。常用的有以下几种形式：无推力拱（使用较广泛）：拱的推力由系杆承受，墩台不受水平推力。根据拱肋和系杆（梁）相对刚度的大小及吊杆的布置型式可以分为；具有竖直吊杆的柔性系杆刚性拱称系杆拱；具有竖直吊杆的刚性系杆柔性拱称蓝格尔拱；具有竖直吊杆的刚性系杆刚性拱称洛泽拱 柔性系杆刚性拱组合体系中，系杆的刚度远小于拱肋的刚度，即 80。系杆和吊杆均为柔性杆件，可以忽略系杆承受的弯短，通过张拉系杆以抵消大部分拱的推力。从而能发挥材料的特性，减轻墩台负担，使这种体系能应用于软土地基上。这类桥梁适用跨径为20m90m。刚性系杆柔性拱，拱肋的刚度与系杆的刚度相比小得多，即 180，可以忽略拱肋中的弯矩，认为刚性系杆不仅承受拱的推力，还要承受弯短，为拉弯组合的梁式构件，而拱肋只承受轴向力，故称为柔性拱。刚性系杆柔性拱的适用跨径可达100m。刚性系杆刚性拱介于刚性系杆柔性拱和柔性系杆刚性拱之间，即 在 18080之间，拱肋和系杆都有一定的抗弯刚度，荷载引起的弯矩在拱肋和系杆之间按刚度分配，它们共同承受纵向力和弯矩，适用于跨径20100m。以上三种拱，当用斜吊杆来代替竖直吊杆时，称为尼尔森拱，斜吊杆与拱肋和系杆的联结构造稍显复杂，但这种体系与桁架结构相似，与竖吊杆相比，内力分配更均匀，整体刚度更大，可节省材料1015。大跨度拱桥的多样化大跨度拱桥的多样化 网状拱网状拱Network ArchKishiwada Bridge(Japan)Shinhamadera Bridge(Japan)Fehmarnsund Bridge(Germany)Terashima(Japan)Nagara Bridge(Japan)有推力拱：此种组合体系拱没有系杆，有单独的梁和拱共同受力，拱的水平推力任由墩台承受。3、拱片桥1、板拱桥：主拱圈采用矩形实体截面。构造简单、施工方便，使用广泛。自重较大，不经济，通常在地基较好的中小跨径圬工拱桥中采用。2、肋拱桥：肋拱桥由两条或两条以上分离式拱肋组成承重结构的拱桥，拱肋之间靠横向联系梁连接成整体而共同受力。这种桥横截面面积较小，节省材料，自重轻，跨越能力大，多用于较大跨径的拱桥。可以用圬工、钢筋混凝土、钢材建造。（二）按照主拱的截面型式分类（二）按照主拱的截面型式分类3、双曲拱桥：主拱圈横截面由一个或数个小拱组成，其主拱圈在纵向和横向均呈曲线形。通常有拱肋、拱波、拱板和横向联系等几部分。公路双曲拱桥采用最多的是多肋波的截面形式；对于跨径和荷载较小的单车道桥可采用单波的形式。双曲拱桥施工工序多，组合截面的整体性差，易开裂，因此，只宜在中小跨径桥梁中采用。拱桥细部构造双曲拱桥图3.2.23 双曲拱桥主拱圈截面型式 叶爱君 4、箱形拱桥：箱形拱桥拱圈横截面由几个箱室组成。截面挖空率大，可达全截面的50%-70%，较实体板拱桥可减少圬工用料与自重，适用于大跨度拱桥。截面抗扭刚度大，横向整体性和稳定性好，特别适用于无支架施工。箱形拱闭合箱的构造5 钢管混凝土拱桥钢管混凝土拱桥的特点、构造和计算详见第五篇有关内容。二、拱桥型式的选择二、拱桥型式的选择 拱桥的型式，应按因地制宜、就地取材、便于施工和养护的原则，并根据桥位处的地形、水文、通航等要求，结合施工设施等条件来选择。达到技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理、外形美观和有利环保的要求。1.对小跨拱桥可采用实腹式圆弧拱，大、中跨径拱桥宜采用空腹式悬链线拱。2.在盛产砂、石的地区，可充分发挥民间传统工艺，采用石拱桥或混凝土预制块拱桥。3.箱型截面拱具有抗扭刚度大、结构稳定性强、整体性能好等优点，宜用于大跨径无支架施工的钢筋混凝土拱桥。4.肋拱桥具有材料省、重量轻、能减少下部工程量、外形美观等优点，可用于大、中跨径的钢筋混凝土拱桥。5.软土地基上修建无铰拱时，应采取无支架施工或早期脱架施工，使主拱圈随着拱上建筑的修筑，逐步适应地基变形。第四节 拱桥的总体布置 总体布置确定桥梁长度及分孔确定桥梁的设计标高和矢跨比正确处理不等分孔问题桥面标高，拱定底面标高，起拱线标高，基础标高砖、石、混凝土板拱桥及双曲拱桥矢跨比1/41/8箱型拱桥矢跨比1/61/10钢筋混凝土拱桥的矢跨比一般为16110 采用不同的矢跨比采用不同的拱脚标高调整拱上建筑的重力采用不同的拱跨结构图3.1.8 拱桥主要标高及桥下净空示意图四、拱轴线的选择四、拱轴线的选择 选择拱轴线的原则:要尽可能降低由于荷载作用产生的拱圈内弯矩数值。最理想的拱轴线是与拱上各种荷载作用下的压力线相吻合，这时拱圈截面只受轴向压力，而无弯矩作用，从而能充分利用圬工材料的抗压性能。但事实上是不可能获得这样的拱轴线的，因为除了永久作用外，拱圈还要受到汽车、人群荷载等可变作用以及温度变化和材料收缩等因素的影响。当永久作用下的压力线与拱轴线吻合时，在可变作用下就不再吻合。公路拱桥的结构重力占全部作用的比重较大 以结构重力作用下的压力线作为设计拱轴线，可以认为基本上是适宜的拱桥设计中所选择的拱轴线应满足以下几方面的要求：尽量减小拱圈截面的弯矩，使主拱圈在计入弹性压缩、均匀温降、混凝土收缩等影响下各主要截面的应力相差不大，且最大限度减小截面拉应力，最好是不出现拉应力；对于无支架施工的拱桥，应能满足各施工阶段的要求，并尽可能少用或不用临时性施工措施；线型美观，便于施工 图3.1.11 拱桥拱轴线型拱桥常用的拱轴线型：1.圆弧线在均布径向荷载作用下（如水压力），拱的合理拱轴线为一圆弧线。这类拱桥，线型简单，施工方便。但在一般情况下，圆弧形拱轴线与结构自重压力线偏离较大，使拱圈各截面受力不够均匀。因此圆弧线常用于20m以下的小跨径拱桥。2.悬链线实腹式拱桥的永久作用集度（单位长度上的质量），可以看成从拱顶向拱脚是均匀增加的，这种荷载分布图式的拱圈压力线是一条悬链线。因此，实腹式拱桥可以采用悬链线作为拱轴线。在结构自重作用下，当不计拱圈结构自重因弹性压缩产生的影响时，拱圈截面只承受轴力而无弯矩。3.抛物线由结构力学可知，在竖向均布荷载作用下，拱的合理拱轴线是二次抛物线。对于结构自重作用集度比较接近均布的拱桥，往往可以采用二次抛物线作为拱轴线。综上所述，拱上建筑的型式及其布置，对于合理选择拱轴线型是有密切联系的。在一般情况下，小跨径拱桥可采用实腹式圆弧拱或实腹式悬链线拱；大、中跨径拱桥可采用空腹式悬链线拱；轻型拱桥或矢跨比较小的大跨径拱桥可以采用抛物线拱。