拱橋設(shè)計(jì)結(jié)課論文

1、 拱橋設(shè)計(jì)結(jié)課論文 這學(xué)期我們主要學(xué)習(xí)了拱橋的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)計(jì)算，拱橋造型優(yōu)美，曲線圓潤，富有動態(tài)感。拱橋是我國最常用的一種橋梁型式，其式樣之多，數(shù)量之大，為各種橋型之冠，特別是公路橋梁，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國的公路橋中7%為拱橋，中國已建單跨100m以上的拱橋115座之多。由于我國是一個(gè)多山的國家，石料資源豐富，因此拱橋以石料為主。中國的拱橋始建于東漢中后期，比以造拱橋著稱的古羅馬晚好幾百年，已有一千八百余年的歷史。它是由伸臂木石梁橋、撐架橋等逐步發(fā)展而成的。在形成和發(fā)展過程的外形都是曲的，所以古時(shí)常稱為曲橋。在古代橋梁中，以石拱橋?yàn)橹饕獦蛐?。千百年來，石拱橋遍布祖國山河大地，隨著經(jīng)濟(jì)文化的發(fā)展而建

2、造著，它們是我國古代燦爛文化中的一個(gè)組成部分，在世界上曾為祖國贏得榮譽(yù)。我們中學(xué)語文課本里面學(xué)的橋梁專家茅以升的中國石拱橋一文，成功地運(yùn)用多種說明方法，為我們詳盡介紹了中國石拱橋的歷史及特點(diǎn)。改革開放以來，我國橋梁事業(yè)突飛猛進(jìn)，建造的拱橋形式更是繁花似錦，式樣之多當(dāng)屬世界之最，其中建造得比較多的是箱形拱、雙曲拱、肋拱、桁架拱、剛架拱等，它們大多數(shù)是上承式橋梁，橋面寬敞，造價(jià)低廉。拱橋雖然不再像過去那樣在我國橋梁行業(yè)，特別是公路橋梁中占主導(dǎo)地位，但它在我國仍然得到廣泛的應(yīng)用，至今還將得到大量應(yīng)用。我國的斜拉橋與拱橋已進(jìn)入世界前列，我們以長江黃河和眾多江河海峽為依托，有國家大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)支持，未來

3、將向橋梁強(qiáng)國進(jìn)展。如何解決橋梁結(jié)構(gòu)中的非線性問題，在安全質(zhì)量前提下降低施工措施費(fèi)，怎樣追求橋梁美觀的同時(shí)推進(jìn)橋梁的跨度，如何使具有很好剛度的拱橋增大跨度與同一跨度斜拉橋競爭，對未來橋梁設(shè)計(jì)施工和研究都是很有必要的。 一拱橋的主要特點(diǎn)受力特點(diǎn)：支承處不僅產(chǎn)生豎 向反力，還產(chǎn)生水平推力，從而使拱主要受壓。主要優(yōu)點(diǎn)：1.跨越能力大；2.能充分做到就地取材；3.耐久性好，養(yǎng)護(hù)、維修費(fèi)用小；4.外形美觀；5.構(gòu)造較簡單，有利于廣泛采用。主要缺點(diǎn)：1）是有推力的結(jié)構(gòu)，而且自重較大，因而水平推力也較大，增加了下部結(jié)構(gòu)的工程量，對地基要求也高；2）隨跨徑的增大和橋高的提高，增大了拱橋的施工難度，提高了拱橋的總

4、造價(jià)。拱橋施工工序多，需要的勞動力多，施工工期長。3）由于水平推力較大，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(fù)雜的措施，或設(shè)置單向推力墩，增加了造價(jià)；4）上承式拱橋的建筑高度較高。拱橋的缺點(diǎn)正在逐步得到改善和克服：200600m范圍內(nèi)，拱橋仍然是懸索橋和斜拉橋的競爭對手。桁架拱二. 拱橋的發(fā)展概況雙曲拱拱橋國外：石拱，木拱十八世紀(jì)鑄鐵拱十九世紀(jì) 鋼拱鋼筋混凝土拱國內(nèi)：石拱，木拱鋼筋混凝土拱 剛架拱桁式組合拱 鋼管拱新型組合體系拱1964年70年代80年代80年代中三 . 拱橋的組成及主要類型（一）、拱橋的主要組成一般上承式拱橋，橋跨結(jié)構(gòu)是由主拱圈、拱上建筑等組成。

5、主拱圈是拱橋的主要承重結(jié)構(gòu)。拱上結(jié)構(gòu)或拱上建筑：在橋面與主拱圈之間需要有傳遞壓力的構(gòu)件或填充物，以使車輛能在平順的橋道上行駛。橋面系和這些傳力構(gòu)件或填充物統(tǒng)稱為拱上結(jié)構(gòu)或拱上建筑。拱橋的下部結(jié)構(gòu)：由橋墩、橋臺及基礎(chǔ)等組成，用以支承橋跨結(jié)構(gòu)的荷載傳至地基。一般將矢跨比大于或等于1/5的拱稱為陡拱，矢跨比小于1/5的拱稱為坦拱。（二）、拱橋分類： 1、建橋材料(主拱圈的材料)分類：圬工拱橋、鋼拱橋等； 2、拱上建筑的形式分類：實(shí)腹式拱橋、空腹式拱橋； 3、主拱圈的拱軸線的型式分類：圓弧拱橋、鏈線拱橋等； 4、按照橋面的位置可以分為：上承式拱橋、中承式拱橋和下承式拱橋 5、按照有無水平推力可分為：有

6、推力拱橋和無推力拱橋 6、按照拱圈截面型式可分為：板拱橋、板肋拱橋、肋拱橋、雙曲拱橋、箱形拱橋、鋼管混凝土拱橋、勁性骨架混凝土拱橋。 板拱橋 主拱圈的橫截面是整塊的實(shí)體矩形截面。它構(gòu)造簡單，施工方便。但是在橫截面面積相同的條件下，實(shí)體矩形截面比其他形式截面的抵抗矩小。一般在地基條件較好的中、小跨徑（一般不大于100m）圬工拱橋中采用板拱形式。 肋拱橋 在板拱橋的基礎(chǔ)上，將板拱劃分成兩條，形成分離的、高度較大的拱肋，肋與肋之間用橫系梁相連。一般適用于較大跨徑的拱橋。 雙曲拱橋 主拱圈的橫截面是由一個(gè)或數(shù)個(gè)橫向小拱組成，使主拱圈在縱向及橫向均呈曲線形。雙曲拱橋的截面抵抗矩較相同材料用量的板拱大得多

7、，因此可以節(jié)省材料，結(jié)構(gòu)自重小，最大跨徑達(dá)150m。由于截面組成劃分細(xì)，具有裝配式橋梁的特點(diǎn)，但是整體性能較差，建成后出現(xiàn)裂縫較多，目前已較少使用。 箱形拱橋 將實(shí)體的板拱截面挖空成空心箱形截面。箱形拱的截面抵抗矩較相同截面的板拱的截面抵抗矩大得多，所以能節(jié)省材料。一般情況下，跨徑50m以上的拱橋采用箱形截面才是合適的。 鋼管混凝土拱橋 鋼管混凝土是在薄壁圓形鋼管內(nèi)填充混凝土而形成的一種符合材料，它借助內(nèi)填混凝土增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性，同時(shí)又利用鋼管對核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使其具有更高的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力；同時(shí)，鋼管本身相當(dāng)于混凝土的外模板，它具有剛度大、承載能

8、力強(qiáng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，易于吊裝或轉(zhuǎn)體的特點(diǎn)，可以先將空鋼管拱肋合攏，再將混凝土壓注入管內(nèi)，從而大大降低肋大跨徑拱橋施工的難度。 勁性骨架混凝土拱橋 勁性骨架作為受力筋，可以是型鋼，也可以是鋼管或鋼管混凝土，采用鋼管混凝土作勁性骨架的混凝土又可以成為內(nèi)填外包型鋼管混凝土。主要用于大跨度拱橋中。萬縣長江大橋就是用鋼管混凝土作勁性骨架的拱橋，施工時(shí)先用空鋼管形成骨架，然后在鋼管內(nèi)灌裝混凝土，最后，在鋼管外面支模板，現(xiàn)澆外層混凝土。 7、按結(jié)構(gòu)受力圖式分類：簡單體系拱橋，組合體系拱橋和拱片橋按結(jié)構(gòu)受力圖式分類 按主拱圈與行車系結(jié)構(gòu)之間相互作用狀態(tài)分類，有簡單體系拱橋、組合體系拱橋及拱片拱三大類。(1)簡

9、單體系拱橋： 行車系結(jié)構(gòu)不參與主拱受力，主拱是主要承重結(jié)構(gòu)。按不同的靜力圖式，主拱圈可分三鉸拱、兩鉸拱或無鉸拱。1)三鉸拱：靜定結(jié)構(gòu)；(拱圈內(nèi)無附加力)。缺點(diǎn)：構(gòu)造復(fù)雜，整體剛度小，對行車不利。適用：地基條件很差或寒冷地區(qū)可修建三鉸拱拱橋。 用作空腹式拱上建筑的腹拱。2)無鉸拱：三次超靜定結(jié)構(gòu)。(拱內(nèi)有較大的附加內(nèi)力)。 特點(diǎn)：整體剛度大，構(gòu)造簡單。 適用性：使用最廣泛，一般地基良好的條件時(shí)下修建。鋼筋混凝土無鉸拱是大跨徑橋梁的主要橋型之一。3）兩鉸拱：一次超靜定結(jié)構(gòu)，介于三鉸拱和無鉸拱之間。（2）組合式體系拱橋：行車系結(jié)構(gòu)與主拱圈構(gòu)成整體，以共同承受荷載。拱式組合體系橋一般由拱肋、系桿、吊桿

10、（或立柱）、行車道梁（板）及橋面系組成。無推力拱（使用較廣泛）：拱的推力由系桿承受，墩臺不受水平推力有推力拱：此種組合體系拱沒有系桿，由單獨(dú)的梁和拱共同受力，拱的水平推力仍由墩臺承受。（3）拱片拱：上邊緣與橋面縱向平行，下邊緣為拱形的有推力結(jié)構(gòu)，稱為拱片。在拱片結(jié)構(gòu)中，行車道系與拱肋剛性聯(lián)成一整體，共同承受荷載，僅能用于上承式拱橋。拱片橋可以做成無鉸拱、兩鉸拱或三鉸結(jié)構(gòu)，它的推力均由墩臺承受。四、拱橋設(shè)計(jì)計(jì)算主要考慮的問題1）確定拱橋的矢跨比恒載的水平推力Hg與垂直反力Vg之比值，隨矢跨比的減小而增大。推力大，拱圈內(nèi)軸向力也大，對拱圈受力有利，對墩臺基礎(chǔ)不利。無鉸拱：拱圈內(nèi)的附加內(nèi)力，拱愈坦(

11、即矢跨比越小)，附加內(nèi)力越大。矢跨比過大，拱腳區(qū)段過陡，施工困難，不美觀。磚、石、混凝土板拱橋及雙曲拱橋：1/61/4，不宜小于1/8箱形拱橋：1/81/6鋼筋混凝土桁架拱、剛架拱橋：1/101/6，不宜小于1/122）不等跨連續(xù)拱橋的處理方法連續(xù)拱橋最好選用等跨分孔方案，但受地形、地質(zhì)、通航等條件限制時(shí)，也可以采用不等跨的方案。為了減小因結(jié)構(gòu)重力引起推力不平衡對橋墩和基礎(chǔ)的偏心作用，可以采用以下措施：（1）采用不同的矢跨比在相鄰兩孔中，大跨徑用較陡的拱（矢跨比較大），小跨徑用較坦的拱（矢跨比較?。?）采用不同的拱腳標(biāo)高大跨徑孔的矢跨比大，拱腳降低，減小了拱腳水平推力對基底的力臂。大、小跨的

12、恒載水平推力對基底的彎矩得到平衡。但拱腳不在同一水平，使橋梁外形欠美觀，構(gòu)造也復(fù)雜。（3）調(diào)整拱上建筑的恒載重量 如要滿足美觀要求等，可用調(diào)整拱上建筑的重量來減小相鄰孔間的不平衡推力。于是大跨徑可用輕質(zhì)的拱上填料或空腹式拱上建筑，小跨徑用重質(zhì)的拱上填料或?qū)嵏故焦吧辖ㄖ愿淖兒爿d重量來調(diào)整拱橋的恒載水平推力。三種措施中，從橋梁外觀考慮，以第三種為好，在設(shè)計(jì)中，可將幾種措施同時(shí)采用。如仍不能達(dá)到完全平衡推力的目的，則需設(shè)計(jì)成體型不對稱的或加大橋墩和基礎(chǔ)尺寸來解決。3）拱軸線型的選擇 (1)圓弧線 線型最簡單，施工最方便，容易掌握。但拱軸線與恒載壓力線偏離較大，使拱圈截面受力不均勻。 圓弧線常用于

13、1520m以下的小跨徑拱橋。(2)懸鏈線實(shí)腹式拱橋恒載強(qiáng)度下的拱圈壓力線是一條懸鏈線。因此實(shí)腹式拱橋采用懸鏈線作拱軸線。 對于空腹式拱橋，恒載壓力線與拱軸線偏離。但這對拱圈控制載面的內(nèi)力是有利的。為了設(shè)計(jì)方便，空腹式拱橋也廣泛采用懸鏈線作為拱軸線。 懸鏈線是目前我國大、中跨徑拱橋采用最普遍的拱軸線型。(3)拋物線 在豎向均布荷載作用下，拱的合理拱軸線是二次拋物線。對于恒載強(qiáng)度接近均布的拱橋，例如矢跨比較小的空腹式鋼筋混凝土拱橋的拱軸線可用二次拋物線。鋼筋混凝土桁架拱和剛架拱等輕型拱上結(jié)構(gòu)拱橋的拱軸線也用二次拋物線。大跨徑拱橋如果拱上建筑布置很特殊(腹拱跨徑特別大)，為了使拱軸線與恒載壓力線基本

14、吻合，采用高次拋物線(如四次或六次拋物線)作為拱軸線的。但計(jì)算工作量過大，計(jì)算難度大，很少采用。總之，小跨徑拱橋可采用實(shí)腹式圓形拱或?qū)嵏故綉益溇€拱；大、中跨徑拱橋可采用空腹式懸鏈線拱；輕型拱橋或矢跨比較小的大跨徑鋼筋混凝土拱橋可以采用拋物線拱。五、拱圈寬度的確定 一.高度取決于橋面凈空的寬度 中、小跨徑拱橋：拱圈寬度等于橋面凈空寬度減去欄桿寬。大跨徑橋或跨徑較小、橋面特寬的城市橋梁：拱圈寬度小于橋?qū)?。公跨拱橋主拱圈寬度一般均大于跨徑?/20。橋規(guī)規(guī)定當(dāng)主拱圈寬跨比1/20時(shí)，則應(yīng)驗(yàn)算拱的橫向穩(wěn)定性。二、高度的擬定：根據(jù)跨徑大小、荷載等級、主拱圈材料規(guī)格等條件決定(1)石拱橋中、小跨徑石拱橋主

15、拱圈高度可按下式進(jìn)行估算：式中：L0主拱圈凈跨徑(cm)；d 主拱圈高度(cm)；m 系致，取4.56k 荷載系數(shù),一般為1.01.2大跨徑的石拱橋，也可由其它經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：式中：系數(shù)，一般為0.0160.02，跨徑越大，矢跨比越小，系數(shù)取大值；(2)箱形拱、雙曲拱、桁架拱和剛架拱橋確定箱形拱、拱肋中距2.0m的雙曲拱、拱片中距3.0m的桁架拱和剛架拱時(shí)，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主拱圈肋的高度。估算的經(jīng)驗(yàn)公式為：式中： H主拱圈(肋)的高度(cm)；a、b系數(shù)，根據(jù)主拱圈的構(gòu)造型式不同取值；k荷載系數(shù)。a、b、k系數(shù)表雙曲拱橋a、ba=35；b=100k1.01.4桁架拱橋a、ba=20；b=70k

16、1.01.2箱形拱橋a、ba=35；b=100k1.06 拱橋的發(fā)展方向1.圈的輕拱型化拱圈輕型化，可減輕對吊裝能力的需求，節(jié)省上、下部構(gòu)造工程量，節(jié)省造價(jià)。我國箱形拱，受吊重的限制，愎板多而厚，其體積可占主拱圈的2025 ，而受力上并不需要。因此拱圈輕型化除減薄板件厚度外，還向?qū)捪?，少箱發(fā)展，以減少腹扳體積，出現(xiàn)了雙箱加頂、底板形成三室箱的拱圈，也出現(xiàn)了向肋拱發(fā)展的趨勢，或用箱肋，工用矩形肋甚至工字形肋。拱圈的輕型化，對設(shè)計(jì)和施工也提出了更嚴(yán)的要求：(1)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮大變形理論，用撓度理論或非線性有限元理論來計(jì)算內(nèi)力。(2)施工中的穩(wěn)定，特別是肋拱的平面外穩(wěn)定問題突出。因此往往采用多邊段吊裝

17、，單中段合攏的施工措施，保證穩(wěn)定。2.施工階段拱圈的輕型化直接影響減少吊裝能力的需求。一些大跨徑拱橋施工階段采用鋼混凝土組合桿件，或鋼管混凝土，合攏后再澆注拱圈，可大大減輕吊裝重量。帶有鋼管的半剛性骨架很可能成為特大跨徑拱橋最有前途的施工方法。施工階段拱圈輕型化后，施工階段穩(wěn)定性是關(guān)鍵性技術(shù)問題應(yīng)對各步驟的實(shí)際結(jié)構(gòu)，考慮幾何非線性和物理非線性的影響，計(jì)算每一步驟的穩(wěn)定系數(shù)，保證施工萬無一失。3.系桿拱、中承拱有較多采用的趨勢系桿拱由于是無推力結(jié)構(gòu)，對墩臺要求，較低，整個(gè)橋型結(jié)構(gòu)簡便、輕巧，橋面視野開闊，廣泛用于公路橋梁。在城市橋梁和平原地區(qū)通航河流上，中承拱往往頗受青睞因?yàn)樗山档蜆蚋?，矢跨比大，可減少推力；橋面建筑高度小，可縮短橋長；造型美觀，為城鎮(zhèn)增添景色；造價(jià)也較低。目前發(fā)展趨勢較快。4.鋼管混凝土拱橋迅速發(fā)展用鋼管、或者鋼管桁架，架設(shè)成拱在鋼管內(nèi)填充砼而形成的拱橋叫鋼管砼拱橋。鋼管混凝土作為鋼混凝土組臺材料的一種，一方面借助內(nèi)填混凝土提高鋼管壁受壓時(shí)的穩(wěn)定性，提高鋼管的抗腐蝕性和耐久性，另一方面借助管壁對混凝土的套箍作用。提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性將鋼材和混凝土有機(jī)組合起來；在施