任務13拱橋概述

拱橋概述

一、拱橋的基本情況

拱橋是以拱為承重結構的橋梁。拱橋是在我國使用很廣泛的一種橋梁體系。

拱橋的受力特點

(一)拱橋的主要優(yōu)缺點1．主要優(yōu)點1)跨越能力較大。在全世界范圍內，鋼筋混凝土拱橋目前的最大跨徑為420m；2)能充分做到就地取材，與鋼橋和鋼筋混凝土梁式橋相比，可以節(jié)省大量的鋼材和水泥；3)能耐久，而且養(yǎng)護、維修費用少，承載潛力大；4)外型美觀；5)構造較簡單，尤其是圬工拱橋，技術容易被掌握，有利于廣泛采用。

2.主要缺點：1）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，必須有良好的地基；2）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，需要采取較復雜的措施，或設置單向推力墩，增加了造價；3）混凝土拱橋施工需要勞動力較多，建筑時間較長；4）上承式拱橋的建筑高度較高，平原區(qū)修建拱橋，橋的兩頭接線工程量增大，橋面縱坡加大，對行車不利。因此也使拱橋的使用范圍受到一定的限制。3.補救措施

1）利用輕質材料來減輕結構自重；

2）或采取措施提高地基承載能力；

3）為了節(jié)約勞動力、加快施工進度，可采用預制裝配及無支架施工。

（二）拱橋的理論跨度根據(jù)現(xiàn)在建橋材料及技術測算：1)混凝土拱橋極限跨度在500米左右；經濟跨度100－300米；2)鋼拱橋極限跨度在1200米左右；經濟跨度100－500米；3)混凝土斜拉橋極限跨度700米；經濟跨度200－500米；4)鋼斜拉橋極限跨度1300米；經濟跨度200－600米；5)結合梁斜拉橋極限跨度1000米；經濟跨度200－600米。增大拱橋跨度的途徑及現(xiàn)狀：

1）石拱橋，增加拱圈厚度和提高石料標號等。146米（丹河特大橋）是最大跨度。2）混凝土拱橋，加筋、減小自重應力和改進材料。目前300米以上混凝土拱橋全世界5座，我國3座；200米以上全世界34座，我國6座。3）鋼管混凝土拱橋，最近10余年我國共建成鋼管混凝土拱橋100余座，200米以上跨徑的19座；建造鋼管混凝土勁性骨架拱橋11座。4）鋼拱橋，盧浦大橋550米為世界最大跨度，多項技術首創(chuàng)。

二、拱橋的組成與分類

1拱圈；2拱頂；3拱腳；4拱軸線；5拱腹；6拱背；7欄桿；8路緣石；9變形縫；10拱上側墻；11防水層；12拱腔填料；13橋面防水層；14橋墩；15基礎；16側墻；17盲溝；18錐坡

如上圖所示，拱橋由橋跨結構（上部結構）和下部結構組成。橋跨結構是由主拱圈(肋、箱)及拱上建筑(又稱拱上結構)所構成。

1．主拱圈(肋、箱)是主要承載構件，承受橋上的全部荷載，并通過它把荷載傳遞給墩臺及基礎。2．在行車道系與主拱圈之間需要有傳遞荷載的構件和填充物統(tǒng)稱為拱上建筑。3．拱橋的下部結構包括橋墩、橋臺和基礎。

（二）按材料分類1.圬工拱橋圬工拱橋是使用圬工材料修建的拱橋。

丹河特大橋晉（城）焦（作）高速公路，全長413.17m，主跨146m，高81m，寬24.2m。

湖南烏巢河橋1991年修建，主跨120m,；拱圈由兩條2.5m的石板拱組成，中間用鋼筋混凝土橫梁聯(lián)系。2.鋼筋混凝土拱橋

在混凝土拱中，配置有受力鋼筋的拱橋，稱之為鋼筋混凝土拱橋。鋼筋混凝土拱橋的主要優(yōu)點有：

1)截面的拉應力主要由受拉鋼筋承受；2)鋼筋混凝土拱橋在建筑藝術上也容易處理。缺點有：1)由活載彎矩引起的截面應力相對較小，故一般都是混凝土壓應力控制設計。2)拱內鋼筋的配置，主要根據(jù)拱在無支架施工時的要求進行，一旦拱橋建成，這些鋼筋并沒有充分發(fā)揮作用。重慶萬縣長江大橋

3.鋼管混凝土拱橋

鋼管混凝土拱橋的特點有：1）具有更高的抗壓強度和抗變形能力。2）套箍混凝土的強度高、塑性好、質量輕、耐疲勞、耐沖擊，可減少構件橫截面積約50％，混凝土和水泥用量以及構件自重也相應減少一半。3）尚具有以下幾方面的獨特優(yōu)點：(1)澆筑混凝土時，可省去支模；拆模等工序，并可適應先進的泵送混凝土工藝。(2)兼有縱向鋼筋和橫向箍筋的作用，既能受壓，又能受拉。(3)在施工階段可起勁性鋼骨架的作用，在使用階段又是承重結構，因此可以節(jié)省腳手架，縮短工期，減少施工用地，降低工程造價。(4)在受壓構件中采用鋼管混凝土，可大幅度節(jié)省材料。1）鋼管混凝土拱肋（1）拱肋橫截面型式鋼管混凝土拱肋橫截面型式，按鋼管的根數(shù)及布置方式，通常分為：單肋型、雙肢啞鈴型、四肢格構型、三角形格構型和集束型。a)單肢b)雙肢啞鈴形c)三肢格構式d)四肢雙啞鈴形拱肋橫截面型式

（2）鋼管：考慮到防腐等要求，壁厚不宜小于12mm。鋼管既可采用成品無縫鋼管，也可由鋼板卷制加工而成。對焊縫必須采用超聲波或X射線檢測。（3）混凝土：鋼管內填芯混凝土宜選用高標號。（4）鋼管與混凝土的組合關系：內填型與外包型。

2）橫撐橫撐主要設置在拱頂、拱腳、拱肋與橋面系交接處，橫撐的主要作用是將鋼管混凝土拱肋聯(lián)接成整體，確保結構穩(wěn)定。鋼管混凝土拱肋的橫撐多采用鋼管桁架，鋼管可以是空心的，也可以內填混凝土，做成鋼管混凝土橫撐。橫撐在拱腳段多做成桁式K撐或X撐，以獲得更好的穩(wěn)定性，在橋面系以上則多采用直撐、K撐或H形撐。鋼管混凝土拱肋的x橫撐

桁式K撐（浙江銅瓦門大橋）

3）吊桿中、下承式鋼管混凝土拱橋需設置吊桿。吊桿可采用平行鋼絞線或平行鋼絲束。吊桿與拱肋的連接

常州懷德橋（中承式鋼管混凝土無風撐三拱橋）

茅草街大橋效果圖（中承式鋼管混凝土拱橋）

巫山長江大橋（世界最大跨度的中承式鋼管混凝土肋拱橋，主跨460m）

4.鋼拱橋鋼拱橋具有外形雄偉壯觀、跨越能力大、承載能力高等優(yōu)點。鋼拱橋只有在地質條件良好和地形適宜的情況下才能經濟合理。鋼拱橋和鋼斜拉橋相比，它剛度大，穩(wěn)定性和抗震性均好。

世界上比較著名的鋼拱橋有澳大利亞的悉尼海港橋和中國的重慶朝天門長江大橋。澳大利亞悉尼海港橋

重慶朝天門長江大橋全橋長1741m，其中主橋長932m，采用（190+552+190）m的中承式連續(xù)鋼桁系桿拱橋

（三）按結構體系分類

拱橋按結構受力圖式可以分為：簡單體系拱橋，組合體系拱橋。

1.簡單體系拱橋1)三鉸拱屬靜定結構。無附加內力，橋面系結構不參與主拱受力。適于地質條件不良情況（地基差的地區(qū)）。但鉸的構造復雜，施工困難，維護費用高；橋面不連續(xù)，整體剛度小，主拱圈一般不采用。三鉸拱實例

2)兩鉸拱屬外部一次超靜定結構。在墩臺基礎可能發(fā)生位移的情況下或坦拱中采用。附加內力較小。

兩鉸拱實例3)無鉸拱也叫固端拱，屬三次超靜定結構，廣泛用于石拱橋和鋼筋混凝土拱橋。

多箱澆筑成板拱與橋臺形成無鉸拱

2．拱式組合體系橋拱式組合體系橋一般由拱肋、吊桿(或立柱)、系桿、行車道梁(板)及橋面系等組成。

組合拱橋可以做成上承式、中承式和下承式。

根據(jù)拱肋和行車道梁的聯(lián)結方式不同，拱式組合體系橋一般可劃分為有推力和無推力兩種類型。

1)無推力拱式組合體系橋

無推力拱式組合體系橋(也稱系桿拱橋)是外部靜定結構，拱的推力由系桿承受，墩臺不受水平推力。

根據(jù)拱肋和系桿(梁)相對剛度的大小，無推力拱式組合體系可劃分為柔性系桿剛性拱(系桿拱橋)、剛性系桿柔性拱、剛性系桿剛性拱三種基本組合體系。

柔性系桿剛性拱的特點是，系桿僅受拉、拱肋受壓和彎，忽略系桿彎矩。

嚴格地講是指：實際中，一般要求：

剛性系桿柔性拱的特點是，系桿受拉和彎、拱肋主要受壓，系桿不僅承受拱的推力，也承受彎矩，為拉彎組合構件。

剛性系桿剛性拱的特點是，拱肋和系桿都有一定剛度，系桿和吊桿按照其剛度分配承受彎矩；系桿、拱肋受力介于以上兩者之間，拱肋和系桿都有一定的抗彎剛度，荷載引起的彎矩在拱肋和系桿之間按剛度分配，共同承受縱向力和彎矩。適合設計荷載較大的橋梁采用。一般情況下，

以上三種組合體系中，當用斜吊桿代替豎桿時，又稱尼爾森體系。

尼爾森體系a）剛性系桿柔性拱b）剛性系桿剛性拱旺蒼東河橋

2)有推力拱式組合體系橋有推力組合式體系拱橋的常用形式有剛架拱、桁架拱等，也稱這些拱為拱片橋。這類拱橋的構造多變，適應性強，在經濟上、施工上各有其特點，所以有較廣泛的適用空間。

剛架拱橋的施工方法相似于雙曲拱橋或桁架拱橋，但其構造簡單，主要受力構件是主拱腿、上縱梁及其間的斜支撐。適用于中小跨徑。

永平楊村河橋

一般，把承重結構為桁架式的拱橋統(tǒng)稱為桁架拱橋。鋼筋混凝土桁架拱橋的上部結構由桁架拱片、橫向聯(lián)結系和橋面三部分組成。桁架拱片如圖所示：桁式組合拱橋（江界河大橋）主跨為1孔330m組合預應力混凝土桁架拱，邊跨桁架分別為30+20(m)及30+25+20(m)，全長461m。

（四）按主拱圈截面形式分類

拱橋的主拱圈橫截面型式是多種多樣的，可分為板拱橋，肋拱橋，雙曲拱橋，箱形拱橋等幾種類型。1.板拱橋板拱橋的主拱圈橫截面采用整塊的實體矩形截面。石拱圈可以采用等截面圓弧拱、等截面或變截面的懸鏈線拱以及其他拱軸形式的拱。板拱橋的特點：構造簡單、施工方便，造價低，使用廣泛。通常只在地基條件較好的中、小跨徑圬工拱橋中采用板拱型式。板拱橋實例

2．肋拱橋

用兩條或多條分離的平行的窄拱圈--即拱肋作為主拱圈的拱橋稱為肋拱橋。

肋拱橋的特點是橫截面面積較小，節(jié)省材料,自重輕,跨越能力大，多用于較大跨徑的拱橋。

可以用圬工、鋼筋混凝土、鋼材建造。

肋拱橋

拱肋的截面形式，根據(jù)跨度大小和載重等級，可以選用實體矩形、工字形、箱形、管形等，如圖所示。

包蘭線東崗鎮(zhèn)黃河橋（3孔53m上承式鋼筋混凝土肋拱橋）

3.雙曲拱橋雙曲拱橋的主拱圈橫截面由一個或數(shù)個小拱組成，其主拱圈在縱向和橫向均呈曲線形，故稱之為雙曲拱橋。

通常有拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系等幾部分。

雙曲拱橋的特點是主拱圈先化整為零，再集零為整，以適應無支架施工和無大型起吊機具的情況。

只宜在中小跨徑橋梁中采用。

江蘇無錫衛(wèi)東橋（雙曲拱橋）

江蘇無錫民主橋（三叉形的雙曲拱橋）

拱肋斷面分為倒T形、L形、工字形、槽形以及開口箱等。

主拱圈的截面形式（雙曲拱）a）、b）、c）多肋多波d）雙肋單波4.箱形拱橋

箱形拱橋拱圈橫截面由幾個箱室組成。

箱形拱橋的外形與板拱和肋拱相似。節(jié)省材料，對于大跨徑橋則效果更為顯著。截面抗扭剛度大，橫向整體性和結構穩(wěn)定性均較雙曲拱好，適用于無支架施工。箱形拱的主要特點是：（1）截面挖空率大。（2）能較好地滿足主拱圈各截面承受正負彎矩的需要；（3）抗彎和抗扭剛度大，拱圈的整體性好，應力分布較均勻；（4）單條拱肋剛度較大，穩(wěn)定性較好，能單箱肋成拱，便于無支架吊裝；（5）預制構件的精度要求較高，吊裝設備較多，適用于大跨徑拱橋的修建。箱形拱橋施工四川省廣元市寶珠寺橋（箱形拱橋）

（五）按拱軸線型式分類一般說來，以結構重力壓力線作為設計拱軸線，可以認為基本適宜。所以拱軸線應滿足四方面的要求：①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；②對于無支架施工的拱橋，應滿足各施工階段的要求，并盡可能少用或不用臨時性施工措施；③計算方法簡便，易為生產人員掌握；④線型美觀，便于施工。

1．圓弧拱橋線型最簡單，施工最方便，容易掌握。

江西德安橋2．拋物線拱橋在豎向均布荷載作用下，拱的合理拱軸線是二次拋物線。大跨徑拱橋如果拱上建筑布置很特殊，為了使拱軸線與恒載壓力線基本吻合，采用高次拋物線作為拱軸線。但計算工作量過大，計算難度大，很少采用。永定河七號橋（拱軸線采用二次拋物線）

3.懸鏈線橋懸鏈線是目前我國大、中跨徑拱橋采用最普遍的拱軸線型。阜東橋（主拱肋為工字形雙肋，變截面懸鏈線）

（六）按橋面位置分類

拱橋的主要受力構件是拱圈（拱肋），因此在設計時可根據(jù)地質情況、環(huán)境及橋兩側接線的相對位置，將橋面系置于拱背之上（上承式）或吊干拱肋之下（下承式），中承式拱橋則是將一部分橋面系吊于拱肋之下，一部分支撐于拱背之上。

上承式、下承式和中承式拱橋的選擇主要取決于拱圈或拱肋建筑高度和兩側道路接線的相對位置。

1．上承式拱橋上承式拱橋是橋面系設置在拱圈(拱肋)之上的拱橋。

優(yōu)點是橋面系構造簡單，拱圈與墩臺的寬度較小，橋上視野開闊，施工較下承式拱橋方便。

缺點是橋梁建筑高度大，縱坡大和引道(橋)長。

上承式拱橋（嘉陵江大橋）

2．中承式拱橋中承式拱橋是橋面系設置在近拱肋中部的拱橋。

優(yōu)點是較上承式拱橋的建筑高度小，縱坡小，引道(橋)短。

缺點是橋梁寬度大，構造較復雜，施工也較麻煩。

中承式拱橋（建德新安江橋）

3.下承式拱橋下承式拱橋是橋面系設置在拱肋之下的拱橋。優(yōu)點：橋梁建筑高度很小，縱坡小，可節(jié)省引道(橋)長度；

缺點：構造復雜，拱肋施工較麻煩，須注意裸拱施工時的穩(wěn)定性。

下承式拱橋（永保橋）

（七）按拱上結構形式分類

拱橋按拱上建筑形式的不同可分為實腹式拱橋和空腹式拱橋兩大類。

1.實腹式拱橋實腹式拱橋拱上建筑的構造簡單，施工方便，但填料較多，恒載較重，多用于小跨徑拱橋。實腹式拱上建筑由填料、側墻、護拱、變形縫、防水層、泄水管及橋面系等組成。拱上填料有填充式和砌筑式兩種。

實腹式拱橋(頤和園17孔橋)

2．空腹式拱橋

拱橋采用空腹式拱上建筑可以減小恒載，使得橋梁外形美觀，一般用于較大跨徑的拱橋?？崭故焦皹虻墓吧细构安贾米裱韵略瓌t：拱頂兩側對稱布設，對中小跨徑拱橋布置3～6孔；全空腹拱式布置以奇數(shù)跨為宜；腹孔跨徑主要考慮主拱受力需要，中小跨徑拱橋一般為2.5～5.5米，大跨徑拱橋為主跨徑的1/8～1/15之間，腹拱結構要求統(tǒng)一。腹拱采用圓弧拱，f/L=1/2～1/5，厚度大于30厘米。空腹式拱橋（阿道夫橋AdolpheBridge）

阿道夫橋（AdolpheBridge），在1890年至1903年大公爵阿道夫統(tǒng)治時期建成，全長221米。此橋的建成在當時引起不小的轟動，因其橋拱最大跨度達85米，是當時世界上最大跨度的石拱橋。三、拱橋的其他細部構造(一)拱上填料、橋面及人行道拱上建筑中的填料，擴大車輛荷載分布面積的作用，減小車輛荷載對拱圈的沖擊作用，但同時也增加了拱橋的恒載重量。現(xiàn)行橋規(guī)規(guī)定，當拱上填料厚度（包括橋面鋪裝層厚度）等于或大于500mm時，設計計算中不計汽車荷載的沖擊力。拱橋行車道部分的橋面鋪裝、人行道及欄桿，其構造與梁橋相似。(二)伸縮縫與變形縫

設置伸縮縫及變形縫來使拱上建筑與墩、臺分離，并使拱上建筑和主拱圈一起自由變形。

對于實腹式拱橋，在主拱圈拱腳的上方設置伸縮縫，縫寬2-3cm，直線布置，縱向貫通側墻全高，橫橋向貫通全寬，從而使拱上建筑和主拱圈一起自由變形。

實腹式拱的伸縮縫

拱式空腹拱橋，一般將緊靠墩臺的第一個腹拱圈做成三鉸拱，并在緊靠墩臺的拱鉸上方設置伸縮縫，且貫通全橋寬，而其余兩拱鉸上方設置變形縫。

拱式腹孔的伸縮縫與變形縫

梁式腹孔，通常是在橋臺和墩頂立柱處設置標準伸縮縫（板式毛勒伸縮縫），而在其余立柱處采用橋面連續(xù)的形式。梁式拱上建筑

(三)排水及防水1.橋面排水

為便于橋面排水，行車道應根據(jù)不同的路面材料設置1.5%～3.0%的橫坡（單幅橋為雙向坡，雙幅橋為單向坡）;

人行道則設置與行車道反向的1%橫坡。

橋面雨水的排除

2.防水設施實腹式拱橋防水層應沿拱背護拱、側墻鋪設。如果是單孔橋，可以不設泄水管，積水沿防水層流至兩個橋臺后面的盲溝，然后沿盲溝排出路堤。如果是多孔拱橋，可以在1/4跨徑處設泄水管。

防水層在全橋范圍內不宜斷開，當通過伸縮縫或變形縫處應妥善處理，使其既能防水又可以適應變形。

泄水管可以采用鑄鐵管、混凝土管、陶（瓦）管或塑料管。為了便于泄水，泄水管盡可能采用直管。

滲入水的排除

(四)拱鉸

永久性鉸：主拱圈按兩鉸拱或三鉸拱設計時；空腹式拱上建筑，其腹拱圈按構造要求需要采用兩鉸或三鉸拱，或高度較小的腹孔墩上、下端與頂梁、底梁連接處需設鉸時；

臨時性鉸：施工過程中，為了消除或減少主拱圈的部分附加內力，以及對主拱圈內力作適當調整時設置的拱鉸。1．弧形鉸

弧形鉸一般用鋼筋混凝土、混凝土、石料等做成。鉸的寬度應等于構件的全寬，沿拱軸線的長度取為拱厚的1.15～1.20倍?；⌒毋q

拱橋在采用轉體方法施工時，為使橋體順利轉動，在拱腳需設置球面弧形鉸。混凝土球面鉸

球面鉸構造下2.鉛墊鉸中小跨徑的板拱或肋拱，可以采用鉛墊鉸。墊板寬度為拱圈厚度的1/4～1/3，在主拱圈的全部寬度上分段設置。鉛墊鉸也可用作臨時鉸。

鉛墊鉸

3.平鉸對空腹式的腹拱圈，由于跨徑較小，可以采用構造簡單的平鉸。

平鉸4.不完全鉸下圖為常用的不完全鉸。

不完全鉸

5.鋼鉸鋼鉸通常做成理想鉸。鋼鉸除用于少數(shù)有鉸鋼拱橋的永久性鉸結構外，更多的是用于施工需要的臨時鉸。

理想鉸

鋼管混凝土拱橋概念：以鋼管為拱圈外壁，在鋼管內澆筑混凝土，使其形成由鋼管和混凝土組成的拱圈結構。特點：由于管內填滿了混凝土，提高了鋼管壁受壓的穩(wěn)定性，鋼管內的混凝土受鋼管的約束，提高了混凝土的抗壓強度和延性。在施工上，由于鋼管的質量輕，剛度大，吊裝方便，鋼管的較大剛度可以作為拱圈施工的勁性骨架，鋼管本身就是模板，這些優(yōu)點給大跨度拱橋的施工帶來了極其有利的條件。

預備知識茅草街大橋效果圖（中承式鋼管混凝土拱橋）

預備知識巫山長江大橋（世界最大跨度的中承式鋼管混凝土肋拱橋，主跨460m）

預備知識（一）鋼管混凝土拱肋1、拱肋橫截面型式a)單肢b)雙肢啞鈴形c)三肢格構式d)四肢雙啞鈴形拱肋橫截面型式一、鋼管混凝土拱橋的構造（一）鋼管混凝土拱肋1、拱肋橫截面型式一、鋼管混凝土拱橋的構造二、拱橋的組成與分類（一）鋼管混凝土拱肋2、鋼管：考慮到防腐等要求，壁厚不宜小于12mm。鋼管既可采用成品無縫鋼管，也可由鋼板卷制加工而成。對焊縫必須采用超聲波或X射線檢測。3、混凝土：鋼管內填芯混凝土宜選用高標號。4、鋼管與混凝土的組合關系：內填型與外包型。

一、鋼管混凝土拱橋的構造（二）橫撐

橫撐主要設置在拱頂、拱腳、拱肋與橋面系交接處，橫撐的主要作用是將鋼管混凝土拱肋聯(lián)接成整體，確保結構穩(wěn)定。鋼管混凝土拱肋的橫撐多采用鋼管桁架，鋼管可以是空心的，也可以內填混凝土，做成鋼管混凝土橫撐。

橫撐在拱腳段多做成桁式K撐或X撐，以獲得更好的穩(wěn)定性，在橋面系以上則多采用直撐、K撐或H形撐。一、鋼管混凝土拱橋的構造鋼管混凝土拱肋的x橫撐

桁式K撐（浙江銅瓦門大橋）

一、鋼管混凝土拱橋的構造鋼管混凝土拱肋的雙層x橫撐（南寧永和大橋）一、鋼管混凝土拱橋的構造常州懷德橋（中承式鋼管混凝土無風撐三拱橋）

一、鋼管混凝土拱橋的構造（二）橫撐（三）吊桿中、下承式鋼管混凝土拱橋需設置吊桿。吊桿可采用平行鋼絞線或平