西南交通大学-混凝土桥课件-拱桥

2019年10月28日1桥梁工程第二分册混凝土桥v2011西南交通大学桥梁工程系任课教师：卫星副教授电子教案：卫星v2011巫山长江大桥，主跨460m2019年10月28日2第四章拱桥的设计与计算本章主要内容第一节拱桥的设计与计算概述第二节拱轴线的选择与确定第三节拱桥内力计算第四节拱桥的设计检算第五节主拱内力调整第六节拱上建筑的计算第七节钢管混凝土拱桥设计计算要点第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日3第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述一、拱桥知识的回顾拱桥－以拱为承重结构的桥梁反力－在竖向荷载作用下，拱的两端支承处除有竖向反力外，还有水平推力受力性能－拱主要承受压力，而弯矩、剪力较小建造材料－圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥，钢管混凝土拱桥和钢拱桥施工方法－拱架施工法，缆索吊装施工、无支架施工、转体施工以及劲性骨架施工等技术1.基本情况第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日4拱桥梁桥VS拱桥与梁桥外形不同，拱桥在竖向荷载作用下在支承处除了竖向力外，还有水平力的产生，使得拱内的弯矩大大减小。拱肋中主要是受压的轴力。拱肋截面受压，可以充分发挥全截面材料的性能，从而能较大地高跨越能力。相对于梁式和索式结构，拱桥的变形较小，行车条件好。水平推力的存在使得拱桥对基础条件的要求较高。拱桥的特点第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日5第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述拱桥与梁桥的截面应力分布对比第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日6拱桥－由桥跨结构（上部结构）和下部结构组成1—主拱圈；2—拱顶；3—拱脚；4—拱轴线；5—拱腹；6—拱背；7—栏杆；8—人行道块石；9—伸缩缝；10—侧墙；11—防水层；12—填料；13—桥面；14—桥台；15—基础；16—盲沟；17—锥坡；L0—净跨径；L—计算跨径；f0—净矢高；f—计算矢高；f/L—矢跨比2.拱桥的基本组成（1)实腹拱桥组成第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日7L:计算跨度L0:净跨度f0:净矢高f:计算矢高（2)空腹拱桥组成下部结构（墩台基础）上部结构（拱肋）上部结构（拱上建筑－立柱）上部结构（拱上建筑－桥面板）第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日8公路空腹拱桥（2)空腹拱桥组成第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日93.拱桥的分类(1)根据行车道位置划分下承式中承式上承式桥面与受力结构（拱）的位置关系上承拱－构造简单，行车视野开阔，广为采用。中承拱－需要布置吊杆和立柱，在桥梁建筑高度受到限制时采用，只能用肋拱。必须布置吊杆，形成悬吊结构，车辆在拱肋之间行驶。拱肋桥面立柱拱肋桥面吊杆桥面拱肋立柱吊杆第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日10(2)根据拱上建筑的形式划分空腹式拱桥实腹式拱桥上承式拱桥第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日11(3)根据拱圈材料的形式划分圬工拱桥钢拱桥拱圈材料钢筋混凝土拱桥混凝土普通钢筋混凝土混凝土普通钢筋预应力钢筋混凝土普通钢筋混凝土混凝土普通钢筋预应力钢筋钢管混凝土拱桥混凝土普通钢筋混凝土型钢钢管混凝土混凝土型钢或钢管钢筋混凝土钢管混凝土型钢混凝土劲性骨架混凝土强度的差异重量的差异第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日12第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述No2.广州新光大桥428m第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日13No3.万县长江大桥420m第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日14No4.KRK-II桥390m第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日15第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述No5.益阳茅草街大桥368m第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日16No7.丫髻沙大桥360m第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日17第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述5.大跨度钢拱桥现状的对比NewNo1.重庆朝天门大桥，552m，在建第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日18第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述No2.卢浦大桥550m第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日19No3.新河谷桥518m第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日20第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述No4.贝永桥503m第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日21No5.悉尼海湾桥504m第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日22No6.重庆菜园坝大桥420m第一节概述第一节拱桥的设计与计算概述第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日23二、拱桥的设计计算流程第一节拱桥的设计与计算概述第一节概述拱桥布跨主拱截面形式及尺寸拟定恒载内力计算活载内力计算内力组合主拱结构检算设计图通不过OK拱轴线优化总体布置体系选择矢跨比初选纵断面布置横断面布置平面布置强度刚度稳定性施工方法选择拱轴线初拟其它构件荷载计算较好的状态较差的状态其它构件设计构件截面及尺寸拟定构件计算模式的确定联合计算独立计算构件的检算OK通不过第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日24总体布置－确定桥梁长度、分跨、桥面标高、主拱矢跨比和墩台尺寸等通航水位满足通航泄洪要求1.拱桥的总体布置（1）高程系统的确定桥面高程－由线路设计与总体布置及设计综合研究决定拱顶底面高程－满足拱顶最小填料厚度和主拱拱顶截面高度的要求起拱线高程－根据拱顶底面标高和桥下净空要求（通航泄洪等）拟定基础底面高程－根据地基情况决定第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计三、拱桥的总体设计第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日25（2）矢跨比的确定矢跨比：矢高与跨度的比值。拱桥的最重要设计控制参数。满足泄洪和通航要求，还应从经济、结构受力、施工等方面综合分析比较确定。拱的水平推力同矢跨比成反比•陡拱（f/L≥1/4）•坦拱（f/L＜1/8）fLLqfqH*88L2铁路：1/4～1/3公路石、混凝土板拱：1/8～1/4公路钢筋混凝土箱形拱：1/10～1/6第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日26（3）连拱体系中的分跨等跨分孔和不等跨分孔A.等跨分孔第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计B.不等跨分孔第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日27不平衡水平推力的处理不等跨分孔中应注意主跨与边跨的比例，主跨与边跨的矢跨比选择。以减小中墩两边的拱脚推力不平衡的问题。边中跨拱脚设置在不同高度设置刚性桥墩（抗推力墩）第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日28258.1911设计洪水位最高通航水位小市片区江阳片区258.3700.3%40号钢筋砼大拱肋间横梁T=3000238.903223.500218.700立交孔0257.782滨江路0.3%238.90340号钢筋砼大拱肋间横梁26x520=13520R=1000000E=4.5257.754257.872257.873257.844235.576234M=2.240L=100mf/L=1/6.25f=16m边孔为矩形等截面悬链线钢筋混凝土拱圈(bxh=4.8x2.8m)50号钢筋砼边拱拱肋235.576235.576231.67696041050229.000232.404008004600235.5769303000258.191258.191566.218x520=93601383.818x520=93601383.8586.21000050号钢筋砼边拱拱肋边孔为矩形等截面悬链线钢筋混凝土拱圈(bxh=4.8x2.8m)f=16mf/L=1/6.25L=100mM=2.240695.814256695.810000300D250D250120070025025014903.8不平衡水平推力的处理不平衡推力处理时的另外一个考虑因素是荷载集度。第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日29飞燕式拱桥边跨设置半拱，在张拉通长的系杆平衡主拱的水平推力不平衡水平推力的处理第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日30（4）拱肋的横向布置A.单片拱肋垂直布置倾斜布置行车视野开阔，无笼罩感。面外稳定控制设计，要求拱肋的横向刚度大，桥面不宜过宽。第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日31（4）拱肋的横向布置B.两片拱肋垂直布置倾斜布置无风撑连接有风撑连接风撑的设置可以有效提高拱的横向稳定性，但影响行车视觉。第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日32（4）拱肋的横向布置B.两片拱肋垂直布置倾斜布置拱肋内倾，用风撑连接拱肋内倾，用风撑连接，拱顶合并为一段提蓝式拱桥第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日33拱肋外倾，无风撑连接蝴蝶桥第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日34（4）拱肋的横向布置C.多片拱肋第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日35拱轴线选择－形状直接影响主拱截面内力的分布与大小，选择拱轴线的原则，也就是尽可能降低由于荷载产生的弯矩值。2.拱轴线的选择圆弧线悬链线抛物线小跨拱桥实腹拱桥空腹拱桥理想拱轴线－仅承受压力，无弯矩和剪力作用。合理拱轴线－荷载压力线尽量接近理想拱轴线。“五点重合法”－采用悬链线时，设计拱轴线与恒载压力线在拱顶、1/4跨和拱脚5处重合。第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计t三、拱桥的总体设计第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日36第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计3.混凝土拱圈断面的设计选择三、拱桥的总体设计A.板拱B.肋拱C.双曲拱D.箱形拱（1）拱圈断面形式的选择上承式弃用中小跨拱桥上承式中小跨拱桥中、下承式大中跨拱桥上承式大中跨拱桥断面适用范围第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日37第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计3.混凝土拱圈断面的设计选择三、拱桥的总体设计（2）板拱的截面及尺寸板拱是指主拱（圈）采用整体实心矩形截面的拱。按照主拱所采用的材料，可分为石板拱、混凝土板拱和钢筋混凝土板拱等。A.宽度考虑板拱宽度即为拱圈的宽度；板宽略小于桥面宽度（便于排水）；考虑人行道外挑等因素来减小板宽设置。第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日38第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计3.混凝土拱圈断面的设计选择（2）板拱的截面及尺寸B.厚度考虑钢筋混凝土板拱拱顶厚度拱脚厚度Lhd)70/1~60/1(jdjhhcos/)/2(21LftgjC.截面变化考虑变化规律等截面变截面常用形式构造复杂第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日39第一节概述第一节设计与计算概述-总体设计3.混凝土拱圈断面的设计选择（3）肋拱的截面及尺寸肋拱是指用两条或多条分离的平行窄拱圈即拱肋作为主拱圈的拱；肋拱具有自重轻，恒载内力小，的优点，可以充分发挥钢筋混凝土等材料的性能，在大中型拱桥中得到广泛应用。A.（单一）拱肋的截面选择矩形断面工字形断面箱形断面管状断面钢管混凝土拱桥拱肋自重大小截面特性（压/弯/扭）施工方便性轮廓美观性考虑第四章拱桥的设计与计算2019年10月28日40第一节概述第一