第五章 混凝土拱橋.ppt

第五章混凝土拱橋,本章主要內容,拱橋的現狀和發(fā)展拱橋的結構體系及總體布置鋼管混凝土拱橋拱橋的設計及計算拱橋施工,第一節(jié)拱橋的現狀和發(fā)展,1、拱橋的發(fā)展,古代拱橋:拱軸曲線造型的千變萬化，其中最具有代表意義的是建于公元595-605年的趙州橋（如圖1所示，跨徑L=37m）,當代拱橋：結構型式與施工方法的豐富多彩如，97年建成的重慶萬縣長江大橋（L=420m），廣州丫髻沙特大橋（L360m），1932建成的澳大利亞悉尼鋼拱橋（L503m）。,四川萬縣長江大橋鋼管混凝土勁性骨架箱型混凝土結構,廣州丫髻沙特大橋中承式鋼管混凝土拱橋,1932澳大利亞503m悉尼鋼拱橋,2、拱橋的受力特點,承重結構：主拱,拱橋的基本圖示,支承處不僅產生豎向反力，還產生水平推力，從而使拱主要受壓,3、主要優(yōu)缺點：,主要優(yōu)點跨越能力大；能充分做到就地取材；耐久性好，養(yǎng)護、維修費用?。煌庑蚊烙^；構造較簡單，有利于廣泛采用。,主要缺點：1）是有推力的結構，而且自重較大，因而水平推力也較大，增加了下部結構的工程量，對地基要求高；）水平推力較大，在連續(xù)多孔的大、中橋中，為防止一孔破壞而影響全橋的安全，需要采取較復雜的措施，或設置單向推力墩，增加了造價；）上承式拱橋的建筑高度較高。,拱橋的缺點正在逐步得到改善和克服：200600m范圍內，拱橋仍然是懸索橋和斜拉橋的競爭對手,第二節(jié)拱橋的結構體系及總體布置,一、拱橋的基本組成根據行車道的位置，拱橋可以分成：上承式、下承式和中承式三種類型如下圖所示：,拱橋的基本圖示,一般上承式拱橋，橋跨結構是由主拱圈、拱上建筑等組成。,上承式拱橋,1-主拱圈2-拱頂3-拱腳4-拱軸線5-拱腹6-拱背7-起拱線8-橋臺9-基礎10-錐坡11-拱上建筑,L0-凈跨徑L-計算跨徑f0-凈矢高f-計算矢高f/L-矢跨比,二、拱橋的主要類型及其特點,拱橋按受力圖式的分類,三鉸拱：靜定結構，在地基差的地區(qū)可采用。但構造復雜，施工困難，整體剛度小，主拱圈一般不采用。,無鉸拱：三次超靜定結構。拱的內力分布較均勻，材料用量較三鉸拱省；構造簡單，施工方便，整體剛度大，實際中使用廣泛。但超靜定次數高，會產生附加內力，一般希望修建在地基良好處?？鐝皆龃?，附加力影響變小，故鋼筋混凝土無鉸拱仍是大跨徑橋梁的主要型式之一。,兩鉸拱：一次超靜定結構，介于三鉸拱和無鉸拱之間。,（一）按照結構體系分類,1、板拱橋：主拱圈采用矩形實體截面。構造簡單、施工方便，使用廣泛。自重較大，不經濟，通常在地基較好的中小跨徑圬工拱橋中采用。,2、肋拱橋：肋拱橋由兩條或兩條以上分離式拱肋組成承重結構的拱橋，拱肋之間靠橫向聯系梁連接成整體而共同受力.這種橋橫截面面積較小，節(jié)省材料,自重輕,跨越能力大，多用于較大跨徑的拱橋?？梢杂蜜毓ぁ摻罨炷?、鋼材建造。,（二）按照主拱的截面型式分類,3、雙曲拱橋：主拱圈橫截面由一個或數個小拱組成，其主拱圈在縱向和橫向均呈曲線形。通常有拱肋、拱波、拱板和橫向聯系等幾部分。,公路雙曲拱橋采用最多的是多肋波的截面形式；對于跨徑和荷載較小的單車道橋可采用單波的形式。,雙曲拱橋施工工序多，組合截面的整體性差，易開裂，因此，只宜在中小跨徑橋梁中采用。,4、箱形拱橋：箱形拱橋拱圈橫截面由幾個箱室組成。截面挖空率大，可達全截面的50%-70%，較實體板拱橋可減少圬工用料與自重，適用于大跨度拱橋。截面抗扭剛度大，橫向整體性和穩(wěn)定性好，特別適用于無支架施工。,三拱鉸,當拱橋主拱圈按兩鉸拱或三鉸拱設計，需設置永久性拱鉸。當在施工過程中為消除或減小主拱圈的部分附加內力時需設置臨時的拱鉸。拱鉸的類型主要有：弧形鉸、鉛墊鉸、平鉸、不完全鉸及鋼鉸等：,（1）弧形鉸,（2）鉛墊鉸,（3）平鉸,（4）不完全鉸,四、拱上建筑的構造,溫度變化及混凝土收縮徐變等引起的變形，而主拱圈變形又使拱上建筑產生附加力。,對于普通型上承式拱橋，其主要承重結構主拱圈是曲線，車輛無法通過，需要在橋面系與主拱之間設置傳遞荷載的構件或填沖物，這些傳遞荷載的構件或填沖物稱為拱上建筑。,拱上建筑是拱橋的一部分，依其結構形式的不同而參與主拱共同受力的程度也不同；同時，拱上建筑在一定程度上能約束主拱圈由,拱上建筑類型分實腹式拱橋，空腹式拱橋兩大類,（一）、實腹式拱橋,實腹式拱上建筑構造簡單，施工方便，但填料數量較多，恒載較重，小跨徑拱橋中多采用空腹式。,大、中跨徑拱橋多采用空腹式。空腹式拱上建筑由多孔腹孔結構和橋面系主成：以利于減小恒載，并使橋梁顯得輕巧美觀。根據腹孔的結構形式，空腹式拱上建筑又分為拱式和梁式兩種。,（二）、空腹式拱橋,（三）橋面系與立柱橋面系：板梁、肋梁、剛架式、連續(xù)梁或簡支梁立柱（橫墻）：支承在主拱上。,（四）拱上結構的伸縮縫、變形縫伸縮縫：避免拱上結構受到墩臺的約束不能自由變形而在兩者間設置的貫通縫。變形縫：避免拱上結構與主拱共同作用而設置的斷縫，一般無縫寬。,五、拱橋墩臺,（一）橋墩型式1.重力式橋墩,2.柱式橋墩,3.單向推力墩（1）懸臂墩（2）斜撐墩（3）重力式墩,（二）橋臺型式1.重力式U形橋臺,2.齒檻式橋臺,3.空腹式橋臺,4.組合式橋臺,第三節(jié)拱橋的設計與計算,一、拱橋的總體布置,總體布置,確定橋梁長度及分孔,確定橋梁的設計標高和矢跨比,正確處理不等分孔問題,拱橋的計算,拱軸線的選擇與確定,成橋狀態(tài)的內力分析和強度、剛度、穩(wěn)定驗算,施工階段的內力分析和定驗算,溫度、收縮徐變,拱腳變位,活載內力,內力調整,拱上建筑的計算,二、拱橋的計算,三、拱軸線形式,（1）圓弧線（2）拋物線（3）懸鏈線（4）其他：高次拋物線（四次、六次）,拱軸線的形狀直接影響主截面的內力分布與大小，選擇拱軸線的原則，是要盡可能降低荷載產生的彎矩。最理想的拱軸線是與拱上各種荷載作用下的壓力線相吻合，使拱圈截面只受壓力，而無彎矩及剪力的作用，截面應力均勻，能充分利用圬工材料的抗壓性能。實際上由于活載、主拱圈彈性壓縮以及溫度、收縮等因素的作用，實際上得不到理想的拱軸線。一般以恒載壓力線作為設計拱軸線。,四、實腹拱懸鏈線拱軸線,設拱軸線為恒載壓力線，則拱頂截面的內力為：,彎矩Md=0剪力Qd=0恒載推力為Hg,對拱腳截面取矩，有:,（1）,半拱恒載對拱腳的彎矩。,對任意截面取矩，有：,(2）,y1以拱頂為原點，拱軸線上任意點的坐標；,Mx任意截面以右的全部恒載對該截面的彎矩值。,對式（2）兩邊對x取兩次導數，可得：,（3）,由上式可知，為了計算拱軸線（壓力線）的一般方程，需首先知道恒載的分布規(guī)律，對于實腹式拱，其任意截面的恒載可以用下式表示：,拱頂處恒載強度；,拱上材料的容重。,由上式，取y1=f，可得拱腳處恒載強度gj為：,其中：,稱為拱軸系數。,這樣gx可變換為：,將上式代入式（3），并引參數:,則：,可得：,令,則,上式為二階非齊次微分方程。解此方程，得到的拱軸線（壓力線）方程為：,上式為懸鏈線方程。,其中chk為雙曲余弦函數：,對于拱腳截面有：=1，y1=f，代入式可得：,通常m為已知，則可以用下式計算k值：,反雙曲余弦函數對數表示,當m=1時gx=gj，可以證明，在均布荷載作用下的壓力線為二次拋物線，其方程變?yōu)椋?五、空腹拱拱軸線,“五點重合法”在1/4L處，=1/2,拱軸系數m與豎坐標yr有以下關系：,因為,所以,（a）,計算步驟：（1）擬定拱圈與拱上結構各部分尺寸；（2）計算主拱及拱上結構各部分重量；（3）計算yr；所有作用力對拱腳力矩為零的條件，有：,按作用力對拱1/4L點力矩為零的條件，有：,（4）然后利用（a）式計算m值，如計算的m與擬定的m值不符，則修正m值重新計算，直到兩者誤差小于容許值。,六、拱內力計算,恒載內力,拱軸線與壓力線相符,不考慮彈性壓縮,彈性壓縮,拱軸線與壓力線不相符,拱軸線與壓力線不相符產生次內力,不考慮彈性壓縮,彈性壓縮,溫度變化產生的附加內力混凝土收縮、徐變產生的附加內力拱腳變位產生的附加內力水浮力引起的內力計算,其它內力,（七）、內力調整,懸鏈線無鉸拱橋在最不利荷載組合時，常出現拱腳負彎矩或拱頂正彎矩過大的情況。為了減小拱腳、拱頂過大的彎矩，可以從設計施工方面采取一些措施調整拱圈內力。,內力調整,1、假載法,實腹式拱橋,假載法主要是通過調整拱軸系數m，從而改變拱軸線達到改變主拱圈受力性能。,空腹式拱的內力調整,空腹式拱軸線的變化是通過改變l/4截面處的縱坐標來實現的，,調整時注意,用假載法調整拱軸線不能同時改善拱頂、拱腳兩個控制截面的內力。同時對其它截面內力也產生影響，調整時應全面考慮。,2、用臨時鉸調整內力,拱圈施工時，在拱頂、拱腳用鉛墊板做成臨時鉸，拆除拱架后，由于臨時鉸的存在，拱圈成為靜定的三鉸拱，待拱上建筑完成后，再用高標號水泥沙漿封固，成為無鉸拱。,由于拱在恒載作用下是靜定的三鉸拱，拱的恒載彈性壓縮以及封鉸前已發(fā)生的墩臺變位均不產生附加內力，從而減小拱中彎矩。,3、改變拱軸線調整內力,在空腹式拱中，由于懸鏈線與壓力線之間的偏離，可以不同程度的減小拱頂、拱腳的過大彎矩。根據這個道理，可在恒載壓力線的基礎上，根據橋的實際需要疊加一個正弦波的調整曲線作為拱軸線，采用逐次漸進法調整，使恒載、彈性壓縮和混凝土收縮等固定因素作用下，拱頂、拱腳兩截面的總彎矩趨近于零。要達到以上目的，要求調整的拱軸線,并使拱軸線與壓力線具有相同的彈性中心。,（八）、利用有限元進行拱橋計算,有限元程序,專門程序,大型通用程序,SuperSAPADINANASTRANASYS,1、概述,發(fā)展,2、單元劃分,（九）、拱上建筑的計算,拱上建筑與拱分開各自獨立計算,拱上建筑與主拱聯合作用計算,對主拱圈作用偏于,對拱上建筑偏于,必須考慮施工程序,一般采用程序計算,安全,不安全,（十）、主拱檢算,檢算,控制截面強度,剛度,穩(wěn)定,施工階段的主拱計算,穩(wěn)定性驗算,拱是以受壓為主的構件，無論是施工過程中，還是成