BRIDGE 桥梁工程 钟轶峰 电话 邮箱 2020 1 272 BRIDGE 第四篇 混凝土拱桥 v第一章 概论 v第二章 拱桥的设计与构造 v第三章 拱桥的计算 v第四章 拱桥的施工 2020 1 273 BRIDGE 第一章 概论 1 1 拱桥的基本特点及其适用范围 赵州桥 卢沟桥 英国Coalbrookdale桥 2020 1 274 BRIDGE 2020 1 275 BRIDGE 重庆朝天门长江大桥 上海卢浦大桥 巫山长江大桥 2020 1 276 BRIDGE 美国弗吉尼亚州跨越新河谷的桁架拱桥 悉尼港大桥 2020 1 277 BRIDGE 重庆万县长江大桥 克尔克桥 2020 1 278 BRIDGE 受力特点 支承处存在水平推力 拱内产生轴向压力 弯矩减少 偏心受压 应力较均匀 2020 1 279 BRIDGE 拱桥的特点 拱桥的主要优点有 跨越能力较大 能就地取材 耐久性好 养护 维修费用少 外型美观 构造较简单 拱桥的主要缺点有 自重较大 要求有庞大的墩 台和良好的地基 施工工序较多 需要劳动力多 建桥时间也较长 跨径和桥高增大后 施工比较困难 连续多孔的大 中桥梁需要制动墩 造价较高 上承式拱桥建筑高度较高 当用于城市立交及平原 区的桥梁时 因桥面标高提高 使用上受限 2020 1 2710 BRIDGE 1 2 拱桥的组成和类型 车行道 主拱 立柱 桥台 墩 吊杆 车行道 桥台 墩 吊杆 车行道 主拱 桥台 墩 主拱 立柱 2020 1 2711 BRIDGE 拱桥是由桥跨结构及下部结构两部分组成 一般的上承式拱桥 桥跨结构是由主拱圈 肋 箱 简称 主拱及拱上建筑 又称拱上结构 所构成 主拱圈是主要承载构件 通过它把荷载传递给墩台及 基础 主拱圈以上的行车道系和传力构件或填充物统 称为拱上建筑 拱桥的下部结构包括桥墩 桥台和基础 2020 1 2712 BRIDGE 拱桥的主要类型 建筑材料 结构体系的类型 拱轴线的形式 拱圈截 面形式 桥面系的位置 拱上建筑的形式 是否对下 部结构作用水平推力 v按主拱圈所使用的建筑材料 钢管混凝土拱桥 钢筋混凝土拱桥 圬工拱桥 劲性骨架混凝土拱桥 钢拱桥 2020 1 2713 BRIDGE 劲性骨架混凝土拱桥 劲性骨架混凝土是在钢结构骨架周围配置钢筋并浇灌 混凝土而形成一种组合结构 劲性骨架可以是型钢 也可以是钢管或钢管混凝土 它主要用于大跨度拱桥中 跨越大 超载潜力大 施 工方便 是一种极具发展前途的拱桥结构形式 2020 1 2714 BRIDGE 钢管混凝土拱桥 钢管混凝土是在薄壁圆形钢管内填充混凝土而形成的 一种复合材料 钢管本身相当于混凝土的外模板 它具有刚度大 承 载能力大 重量轻 易于吊装或转体的优点 可以先 将空钢管拱肋合龙 再压注管内混凝土 从而降低了 大跨径拱桥施工的难度 省去了支模 拆模等工序 缺点是有时拱圈受力不够明确 降低了结构的安全度 2020 1 2715 BRIDGE 按结构受力体系 按照主拱的静力特点 简单体系的拱桥又可以分成三 铰拱 两铰拱和无铰拱三种 组合体系拱桥 简单体系拱桥 主要承重结构是裸拱 行车系结 构不参与主拱一起受力 主要承重结构是主拱与行车系结 构按不同方式构成的整体 2020 1 2716 BRIDGE 三铰拱 属外部静定结构 当地基条件不良 又需要采用拱式桥梁时 可以采 用三铰拱 铰的构造复杂 施工较困难 维护费用大 而且减 小了结构的整体刚度 同时由于拱的挠度曲线在拱 顶铰处有转折 对行车不利 因此一般较少采用 两铰拱 属外部一次超静定结构 结构刚度比三铰拱大 在墩台基础可能发生位移的情况下或坦拱中采用 较之无铰拱可以减小附加内力 2020 1 2717 BRIDGE 无铰拱 属外部三次超静定结构 在自重及外荷载作用下 拱内的弯矩分布比两铰拱 均匀 材料用量省 由于无铰 结构的整体刚度大 构造简单 施工方 便 维护费用少 因此在实践中使用最广泛 无铰拱一般希望修建在地基良好的条件下 这使它 的使用范围受到一定限制 单铰拱桥 为了减小拱的刚度以减少拱圈附加力的影响 在拱 圈上设一个铰以降低拱圈的刚度 属于两次超静定 结构 在桥上用得很少 2020 1 2718 BRIDGE 组合体系拱桥 v无推力的组合体系拱桥 简支 拱组合体系拱桥 只用于下承式 均为无推力的组合体系拱 根据拱肋和系杆相对刚度的大小 可分为柔性系杆 刚性拱 刚性系杆柔性拱和刚性系杆刚性拱三种 2020 1 2719 BRIDGE 只适用于上承式 采用转体施工特别方便 单悬臂梁 拱组合体系拱桥 2020 1 2720 BRIDGE 连续梁 拱组合体系拱桥 2020 1 2721 BRIDGE 刚架系杆拱桥 特点是拱肋与桥墩固结 不设支座 属于刚架结构 又带有柔性系杆 因此称为刚架系杆拱桥 刚架系杆拱桥通常采用下承式和中承式 下承式的系 杆分跨锚固 中承式多采用三跨结构 呈飞鸟式拱或 飞燕式拱外形 系杆不参与桥面系受力 活载经桥面系 通过横梁传给立柱或吊杆 再将荷载 传给拱肋 2020 1 2722 BRIDGE 有推力的组合体系拱桥 没有系杆 由单独的梁和拱共同受力 拱的推力由墩 台承受 桥面是连续的结构 拱片桥是上边缘与桥面纵向平行 下边缘为拱形的有 推力结构 沿桥梁的横向分成若干桁架或刚架拱片 并将行车道系与各拱片联结成整体共同受力 只能用于上承式 2020 1 2723 BRIDGE 拱片桥 拱 桁架的组合体系称为桁架拱 拱与刚架的组合体 系称为刚架拱 2020 1 2724 BRIDGE 按主拱圈采用的拱轴线形式 悬链线拱桥 抛物线拱桥 圆弧拱桥 2020 1 2725 BRIDGE 按照拱圈截面形式 双曲拱桥 肋拱桥 板拱桥 箱形拱桥 等高变宽度截面 等宽变高度截面 等截面拱圈 2020 1 2726 BRIDGE 板拱桥 主拱圈采用矩形实体截面 由于它构造简单 施工方 便 因而使用广泛 自重较大 在弯矩作用时 材料的强度没有得到充分 利用 不经济 通常用地基条件较好的中 小跨径圬工拱桥中 主拱圈为等截面悬链线 拱圈 厚1 7m 两边设岸孔37m 拱圈厚1 1m 采用预制混凝 土块砌筑 广西南宁都安红渡桥 L 100m 2020 1 2727 BRIDGE 肋拱桥 将整块的矩形实体截面划分成多条分离式的肋 肋与 肋间由横系梁相联 形成了由几条肋组成的肋拱桥 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 拱肋可以是实体截面 箱形截面或桁架截面 广东广州流溪桥 L 90m 2020 1 2728 BRIDGE 双曲拱桥 拱圈横截面由一个或多个横向小拱组成 主拱圈在纵 向及横向均呈曲线形 故称之为双曲拱桥 曾获得过较广泛的应用 最大跨径达150m 由于其截面组成划分过细 整体性能较差 易开裂 目前已很少采用 江苏无锡民主桥 三叉形双曲拱桥 2020 1 2729 BRIDGE 箱形拱桥 拱圈为箱形截面 主要适用于上承式拱桥 节省材料 由于它是闭口截面 抗扭刚度 横向整体 性和结构稳定性都比较好 特别适用于无支架施工 是大跨径钢筋混凝土拱桥主拱圈的主要截面形式 四川万县长江大桥 420m 劲性骨架钢筋混凝土箱形拱桥 2020 1 2730 BRIDGE 按拱上建筑的形式 空腹式拱桥 实腹式拱桥 实腹式拱上建筑构造简单 施工方 便 但填料数量较多 恒载较重 对基础要求高 小跨径拱桥中多采 用空腹式 大 中跨径拱桥多采用空腹式 特 点是结构合理 节省材料 可减少 挡水面积 减轻拱上建筑重量 结 构轻 美观 但构造较复杂 对材 料与施工技术要求较高 2020 1 2731 BRIDGE 第二章 拱桥的设计与构造 v2 1 拱桥总体布置与设计构思 总体布置图中阐明的主要内容应包括 拟采用的结构体系及结构型式 桥梁的长度 跨径 孔数 桥面标高 拱的主要几何尺寸 例如矢跨比 桥梁的高度 宽 度 外形 墩台及其基础型式和埋置深度 桥上及 桥头引道的纵坡等 2020 1 2732 BRIDGE 2 1 1 设计高程的确定 拱桥的控制设计高程主要有四个 即桥面高程 拱顶 跨中 底面高程 起拱线高程 基础底面高程 2020 1 2733 BRIDGE 桥面高程 建在山区河流上的拱桥 由于两岸公路路线的位置 一般较高 桥面高程一般由两岸线路的纵断面设计 所控制 对跨越平原区河流的拱桥 其桥面最小高度一般由 桥下净空所控制 对于有淤积的河床 桥下净空尚应适当加高 对于通航河流 通航孔的最小桥面高度 除满足以 上要求外 还应满足对不同航道等级所规定的桥下 净空界限的要求 拱顶底面高程等于桥面高程减去拱顶处的建筑高度 2020 1 2734 BRIDGE 起拱线高程 一般宜选择低拱脚的设计方案 对于无铰拱桥 可以将拱脚置于设计水位以下 但 通常淹没深度不得超过矢高的2 3 在任何情况下 拱顶底面应高出计算水位1 0m 有铰拱桥的拱脚需高出计算水位以上0 25m 为了防 止冰害 各种拱脚均应高出最高流冰面0 25m 当洪水带有大量漂浮物且拱上建筑采用立柱时 宜 将起拱线高程提高 避免漂浮物的撞击或挂留 有时为了美观的要求 应避免就地起拱 而应使墩 台露出地面一定的高度 基础底面高程主要根据冲刷深度 地基承载能力等因 素确定 2020 1 2735 BRIDGE 2 1 2 矢跨比的确定 矢跨比是拱桥的一个特征数据 它不但影响主拱圈内 力 还影响拱桥的构造形式和施工方法 同时 对拱 桥的外形能否与周围景物相协调也有很大关系 拱的恒载水平推力Hg与垂直反力Vg之比值 随矢跨比 的减小而增大 在设计时 矢跨比的大小应经过综合比较进行选择 上承式的圬工拱桥矢跨比一般为1 4 1 8 不宜小于 1 10 钢筋混凝土拱桥的矢跨比宜为1 5 1 8 矢跨比 1 5的称为坦拱 否则称为陡拱 2020 1 2736 BRIDGE 2 1 3 拱桥形式的选择 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 在盛产砂 石的地区 可采用石拱桥或混凝土预制块 拱桥 箱形截面拱的抗扭刚度大 结构稳定性强 整体性好 宜用于大跨径无支架施工的钢筋混凝土拱桥 肋拱桥节省材料 重量轻 能够减少下部工程量 外 形美观 可用于大 中跨径的钢筋混凝土拱桥 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 使得主拱圈随着拱上建筑的修筑 逐步适 应地基变形 矢跨比宜采用大值 1 8 以适应墩台 变位 2020 1 2737 BRIDGE 2 1 4 拱轴线的选择 拱圈各横向截面 或换算截面 的形心连线为拱轴线 选择拱轴线的原则 就是尽可能降低由于荷载产生的 弯矩值 最理想的拱轴线是与拱上各种荷载的压力线相吻合 这时主拱截面上只有轴向压力 而无弯矩及剪力作用 应力均匀 能充分利用材料强度和圬工材料的良好 抗压性能 我们把这样的拱轴线称为合理拱轴线 由于公路混凝土拱的恒载占全部荷载的比重较大 因 此采用恒载压力线作为设计拱轴线基本上是合适的 2020 1 2738 BRIDGE 拱轴线应满足四方面的要求 尽量减小主拱圈截面的弯矩 最大限度减小截面的拉 应力 使主拱圈在次内力影响下各主要截面的应力相 差不大 对于无支架施工的拱桥 应该满足各个施工阶段的要 求 并尽可能少用或不用临时性施工措施 计算方法简便 易为生产人员掌握 便于施工 线型美观 2020 1 2739 BRIDGE 常用拱轴线型 圆弧线 线型最简单 施工最方便 但拱轴线与恒载压力线 偏离较大 常用于15 20m以下的小跨径拱桥 悬链线 实腹式拱桥恒载下的拱圈压力线是一条悬链线 因 此实腹式拱桥采用悬链线作拱轴线 悬链线是目前 我国大 中跨径拱桥采用最普遍的拱轴线形 抛物线 在竖向均布荷载作用下 拱的合理拱轴线是二次抛 物线 对于恒载强度接近均布的拱桥 例如矢跨比 较小 立柱短 的空腹式钢筋混凝土拱桥的拱轴线 可用二次抛物线 钢筋混凝土桁架拱和刚架拱等轻 型拱上结构拱桥的拱轴线也