拱橋構造與設計

1、第五章拱橋構造與設計5.1 概述一、拱橋的開展概況十八世紀十九世紀鋼拱鑄鐵拱鋼筋混凝土拱雙曲拱駐桁架拱8二鋼鑒80年代中* 岡H架拱 鋼管拱 桁式組合拱新型組合體系拱二、拱橋的特點主要受力特點：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。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??；外形美觀；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，提高了拱橋的總造價。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

2、，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；4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制：200600mX圍內，拱橋仍然是懸索橋和斜拉橋 的競爭對手。三拱橋的組成與主要類型一、拱橋的主要組成一般上承式拱橋，橋跨結構是由主拱圈、拱上建筑等組成。主拱圈是拱橋的主要承重結構。拱上結構或拱上建筑： 在橋面與主拱圈之間需要有傳遞壓力的構件或填充物，以使車輛能在平順的橋道上行駛。橋面系和這些傳力構件或填充物統(tǒng)稱為拱上結構或拱上建筑。拱橋的下部結構：由橋墩、橋臺與根底等組成，用以支承橋跨結構的荷載傳至地基。技術名稱：拱頂：拱

3、圈最高點。拱腳起拱面：拱圈和墩臺連接處。拱軸線：拱圈各橫向截面或換算截面的形心連線。拱背：拱圈的上曲面。拱腹：拱圈的下曲面。起拱線：起拱面與拱腹相交的直線。凈跨徑：每孔橋跨兩個起拱線之間的水平距離；計算跨徑：相鄰兩拱腳截面形心點之間的的水平距離，也就是拱軸線兩端點之間的水平距離。凈矢高：拱頂截面下緣至起拱線連線的垂直距離；計算矢高：拱頂截面形心至相鄰兩拱腳截面形心之連線的垂直距離；矢跨比：拱圈或拱肋的凈矢高與凈跨徑之比，或計算矢高與計算跨徑之比。 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；

4、2、拱上建筑的形式分類：實腹式拱橋、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體矩形截面。它構造簡單，施工方便。但是在橫截面面積一樣的條件下，實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。 肋拱橋在板拱橋的根底上，將板拱劃分成兩條，形成別離的、高度較大的拱

5、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或數(shù)個橫向小拱組成，使主拱圈在縱向與橫向均呈曲線形。雙曲拱橋的截面抵抗矩較一樣材料用量的板拱大得多，因此可以節(jié)省材料，結構自重小， 最大跨徑達150m。由于截面組成劃分細，具有裝配式橋梁的特點，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一樣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 適宜的。 鋼管混凝土拱橋鋼管混凝土是在薄壁圓形鋼管內填充混凝土而形成的一種符合材料，它借助內填混凝

6、土增強鋼管壁的穩(wěn)定性，同時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度和抗變形能力；同時，鋼管本身相當于混凝土的外模板，它具有剛度大、承載能力強、重量輕等優(yōu)點，易于吊裝或轉體的特點，可以先 將空鋼管拱肋合攏，再將混凝土壓注入管內，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填外包型鋼管混凝土。主要用于大跨度拱橋中。某某長江大橋就是用鋼管混凝土作勁性骨架的拱橋，施工時先用空鋼管形成骨架，然后在鋼管內灌裝混凝土，最后，在鋼管外面支模板，現(xiàn)澆

7、外層混凝土。7、按結構受力圖式分類：簡單體系拱橋，組合體系拱橋和拱片橋按結構受力圖式分類按主拱圈與行車系結構之間相互作用狀態(tài)分類，有簡單體系拱橋、組合體系拱橋與拱片拱三大類。（1）簡單體系拱橋：行車系結構不參與主拱受力，主拱是主要承重結構。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：靜定結構；（拱圈內無附加力）。缺點：構造復雜，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：三次超靜定結構。（拱內有較大的附加內力）。特點：整體剛度大，構造簡單。適用性：使用最廣泛，一般地基良好的條件時下修建。鋼筋混凝土無鉸拱是大

8、跨徑橋梁 的主要橋型之一。3兩鉸拱：一次超靜定結構，介于三鉸拱和無鉸拱之間。2組合式體系拱橋：行車系結構與主拱圈構成整體，以共同承受荷載。拱式組合體系橋一般由拱肋、系桿、吊桿或立柱、行車道梁板與橋面系組成。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，由單獨的Im梁和拱共冋受力，拱的水平推力仍由墩臺承受?！癟i刑恂a i i.t.JJKw#； Jji:fl Hl三 ta 卑庁：Hlfi帝戸宀便業(yè)制A攜；b曲來舞処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構，稱為拱片。在拱片 結構中，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

9、式拱橋.。拱片橋 可以做成無鉸拱、兩鉸拱或三鉸結構，它的推力均由墩臺承受。第二章拱橋的設計要點第一節(jié)拱橋的總體設計在通過必要的橋址方案比擬，確定了橋位之后，再根據(jù)當?shù)厮?、地質等具體情況， 合理地擬定橋梁的長度、跨徑、孔數(shù)、橋面標高、主拱圈的矢跨比等，這些是拱橋總體設 計的主要內容。有關確定橋長和橋梁分孔的一般原如此，前面已經做了介紹，這里只進步說明在具體設計拱橋中如何確定設計標高和矢跨比的問題。一、確定拱橋的主要設計標高拱橋的標高主要有四個：橋面標高、拱頂?shù)酌鏄藛J、起拱線標咼和根底底面標咼。 由兩岸線路的縱斷面設計來控制； 要保證橋下凈空能滿足宣泄洪水或通 航的要求。對于無鉸拱，可以將拱腳置

10、于設計 水位以下，但通常淹沒深度不得超過矢高的 2/3。當橋面標咼確定后， 由橋面標咼減去拱頂填料厚度，就可得到拱頂上緣的標咼， 減去主拱圈的厚度，可以推出拱頂?shù)酌鏄烁?。為了保證漂流物能正常通過，在任何情況下，拱 頂?shù)酌鎽咛幱嬎闼辉O計洪水位計入雍水、浪高等。擬定起拱線標高，為了減小墩臺根底底面的彎矩，節(jié)省墩臺的圬工數(shù)量， 一般宜選擇低拱腳的設計方案。對于有鉸拱橋，拱腳需要高出計算水位以上。為了防止冰害，有鉸或無鉸拱的拱腳均應高出最高流冰面。當洪水帶有大量漂流物， 假如拱上建筑采用立柱時，應當將起拱線標高提高，使主拱圈不要淹沒過多，以防漂浮物對立柱的撞擊或掛留。主要根據(jù)沖刷深度、地基承載能力

11、等因素確定。二、確定拱橋的矢跨比 恒載的水平推力 Fg與垂直反力Vg之比值，隨矢跨比的減小而增大。 推力大，拱圈內軸向力也大，對拱圈受力有利，對墩臺根底不利。 無鉸拱：拱圈內的附加內力，拱愈坦（即矢跨比越?。?，附加內力越大。矢跨比過大, 拱腳區(qū)段過陡，施工困難，不美觀。磚、石、混凝土板拱橋與雙曲拱橋：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1/12 三、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、通航等條件限制時，也可以采用不等跨的方案。為了減小因結構重力引起推力不平衡對橋墩和根底的偏心作用，可以采用以下

12、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擬大，小跨徑用較坦的拱矢跨比擬小但2采用不同的拱腳標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、小跨的恒載水平推力對基底的彎矩得到平衡。拱腳不在同一水平，使橋梁外形欠美觀，構造也復雜。3調整拱上建筑的恒載重量如要滿足美觀要求等，可用調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的拱上填料或空腹式拱上建筑，小跨徑用重質的拱上填料或實腹式拱上建筑，以改變恒載重量來調整拱橋的 恒載水平推力。三種措施中，從橋梁外觀考慮，以第三種為好，在設計中，可將幾種措施同時采用。如仍不能達到完全平衡推力的目的，

13、如此需設計成體型不對稱的或加大橋墩和根底尺寸來解決。第二節(jié)拱軸線形的選擇和拱上建筑的布置拱軸線的形狀： 直接影響著拱圈的承載能力； 影響結構耐久性、經濟合理性和施工安全性等。合理拱軸線：與拱上各種荷載作用下的壓力線相吻合，這時拱圈截面只受軸向壓力，而無彎矩作用，從而能充分利用圬工材料的抗壓性能。一般說來,以結構重力壓力線作為設計拱軸線，可以認為根本適宜的。.一、拱軸線應滿足四方面的要求： 盡量減小拱圈截面的彎矩，使主拱圈在計入彈性壓縮、均勻溫降、混凝土收縮等影 響下各主要截面的應力相差不大、且最大限度減小截面拉應力，最好是不出現(xiàn)拉應力； 對于無支架施工的拱橋，應滿足各施工階段的要求，并盡可能少

14、用或不用臨時性施工措施； 計算方法簡便，易為生產人員掌握； 線型美觀，便于施工。二、目前常用拱軸線型有：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1520m以下的小跨徑拱橋。(2) 懸鏈線實腹式拱橋恒載強度下的拱圈壓力線是一條懸鏈線。因此實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力是有利的。為了設計方便，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。對于恒載強度接近均布的拱橋，

15、例如矢跨比擬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構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根本吻合，采用高次拋物線(如四次或六次拋物線)作為拱軸線的。但計算工作量過大，計算難度大，很少采用。 總之，小跨徑拱橋可采用實腹式圓形拱或實腹式懸鏈線拱；大、中跨徑拱橋可采用空腹式懸鏈線拱；輕型拱橋或矢跨比擬小的大跨徑鋼筋混凝土拱橋可以采用拋物線拱。第三節(jié)拱軸線形的選擇和拱上建筑的布置、拱圈寬度確實定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：拱圈寬度小于橋寬。公跨拱橋主拱圈寬度一般均大于跨徑的1/20。橋規(guī)規(guī)定MJCiKt* 1:當主拱圈寬跨比v 1/20時，如此應驗算拱的橫向穩(wěn)定性。二、主拱圈高度的擬定根據(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、小跨徑石拱橋主拱圈高度可按下式進展估算:AB式中：Lo主拱圈凈跨徑(cm);d 主拱圈咼度(cm)；m 系致，取6gk(Lo 20)大跨徑的石拱橋，也可由其它經驗公式進展估算：式中：m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