第七章 大跨度拱桥

第7章大跨度拱桥大跨度桥梁设计本章的主要内容7.1拱桥的基本组成和受力特点7.2拱桥的结构体系7.3拱桥的总体构思与构造7.4拱桥的计算7.5拱桥的施工7.6工程实例§7.1拱桥的基本组成和受力特点7.1.1拱桥的基本组成上部结构：（1）主拱圈：主要承重构件（2）拱上建筑：桥面系和传力构件或填充物下部结构：桥墩、桥台、基础拱桥的主要组成部分l0-净跨径l-计算跨径f0-净矢高f-计算矢高f/l-矢跨比拱桥的主要技术名词净跨径（l0）每孔拱跨两个起拱线之间的平距计算跨径（l）相邻两拱脚截面形心之间的平距（即拱轴线两端点之间的平距）净矢高（f0）拱顶截面下缘至起拱线连线之间的垂距计算矢高（f）拱顶截面形心至相邻两拱脚截面形心之连线的垂距矢跨比（D或D0）又称矢度，计算矢高与计算跨径之比（D=f/l）或净矢高与净跨径之比（D0=f0/l0）§7.1拱桥的基本组成和受力特点7.1.1拱桥的基本组成坦拱:D＜1/5陡拱:D≥1/5§7.1拱桥的基本组成和受力特点7.1.1拱桥的基本组成拱桥分类建桥材料圬工拱桥，钢筋混凝土拱桥，钢拱桥拱轴线型式圆弧拱桥，抛物线拱桥，悬链线桥桥面位置上承式拱桥，中承式拱桥，下承式拱桥结构体系分简单体系拱桥：三铰拱，两铰拱，无铰拱组合体系拱桥：无推力拱桥，有推力拱桥主拱圈截面形式拱上建筑形式实腹式拱桥，空腹式拱桥板拱桥，肋拱桥，双曲拱桥，箱形拱桥§7.1拱桥的基本组成和受力特点7.1.1拱桥的基本组成根据行车道的位置，拱桥可以分成：上承式、下承式和中承式三种类型。拱桥的基本图示上承式拱桥1989四川涪陵乌江大桥（L=200m）桥高84m，矢跨比1/4，主拱圈采用3室箱。涪陵乌江大桥采用转体法施工，先在两岸上、下游组成3m宽的边箱，待转体合拢后吊装中箱顶、底板，最后组成3室箱。1997四川万县长江大桥L=420m)劲性骨架钢筋混凝土箱形拱桥上承式拱桥巫山巫峡长江大桥丫髻沙大桥中承式拱桥上海卢浦大桥2003.6建成，主桥长750m，为全钢结构，其中主跨直径达550m，居世界同类桥梁之首，被誉为“世界第一钢拱桥”。武汉江汉三桥桥长989.75米，主跨302.93米，为跨径为280米的下承式钢管混凝土系杆拱桥。浙江省嵊州大桥主桥采用下承式钢管混泥土单杆拱桥。两跨，跨径长136米。下承式拱桥§7.1拱桥的基本组成和受力特点7.1.2拱桥的受力特点支座处存在水平推力拱内产生轴向压力弯矩减少偏心受压应力较均匀。300~800m范围内，可以与斜拉桥竞争。§7.2拱桥的结构体系7.2.1简单体系拱桥简单体系拱桥构造简单、受力明确，全部荷载由拱肋承受。按照拱圈的静力体系分为：三铰拱：静定，无附加应力，铰构造复杂，少用。无铰拱：三次超静定，刚度大，构造简单，附加应力大，混凝土拱多采用无铰拱。两铰拱：介于二者之间，钢拱采用较多。§7.2拱桥的结构体系7.2.2组合体系拱桥荷载一部分由纵梁承担，一部分通过吊杆传递给主拱肋承担。柔性系杆刚性拱（系杆拱）刚性系杆柔性拱（蓝格尔拱）刚性系杆刚性拱（洛泽拱）用斜吊杆时称为尼尔森拱无推力组合体系拱桥§7.2拱桥的结构体系7.2.2组合体系拱桥多跨无推力组合体系拱桥§7.2拱桥的结构体系7.2.2组合体系拱桥部分有推力组合体系拱桥拱脚在中墩处固结，拱、梁通过立柱和拱顶实体段连接共同承受荷载。应用交广泛。在恒载作用下，通过张拉系杆来平衡主拱的水平力；成桥后，由于拱脚固结，水平位移被约束，在活载及其他荷载作用下，拱脚产生水平推力，形成部分有推力拱桥体系。§7.2拱桥的结构体系7.2.2组合体系拱桥有推力组合体系拱桥梁和拱共同受力，拱的推力完全由墩台承担。梁分担一部分荷载，拱脚推力小于简单体系拱桥。§7.2拱桥的结构体系7.2.2组合体系拱桥——拱肋与纵梁连接方式中承式梁拱组合体系中边跨纵梁在拱肋连接处断开；边跨梁与拱肋固结，中跨梁与拱肋连接处断开；拱梁完全刚性连接，共同承担荷载。§7.2拱桥的结构体系7.2.2组合体系拱桥——拱肋与纵梁连接方式下承式梁拱组合体系拱梁固结；拱梁铰接；梁以体外索的形式锚固在拱的两端，桥面系通过横梁与吊杆连接，将桥面荷载传递给拱肋。§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.1拱桥的总体构思1）上承式拱桥的总体构思有推力拱桥；拱圈是主要受力构件；桥面系不参与拱圈的整体受力，而作为局部受力构件设计。§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.1拱桥的总体构思（1）桥长及分孔按照水文计算、通航要求以及技术经济指标确定，可采用单跨拱桥或多跨拱桥形式；为避开深水区或不良地质地段，可采用不等跨布置；一般采用单跨拱桥来跨越高山峡谷、水流急的河道。1）上承式拱桥的总体构思§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.1拱桥的总体构思（2）桥梁设计高程桥面高程：由总体路线设计确定。拱顶高程：桥面高程-拱顶处的建筑高度。起拱线高程：为减轻墩底偏心弯矩，宜采用较低的起拱线高程。有铰拱桥：起拱线一般高于设计洪水位0.25m；严寒地区桥梁，起拱线不应低于流冰水位0.25m；无铰拱桥：防止漂浮物撞击，拱圈不宜淹没太多；美观角度，拱座一般露出地面一定高度。基础底面高程：根据冲刷深度、地基承载力等计算确定。1）上承式拱桥的总体构思§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.1拱桥的总体构思（3）跨径布置三跨拱桥，理想的边中跨比值应使中墩在恒载作用下的水平推力平衡。则边中跨比为：1）上承式拱桥的总体构思§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.1拱桥的总体构思（4）拱轴线的选择圆弧线：线形简单，施工方便。主要用于20m以下的拱桥。抛物线：可采用二次抛物线；为使拱轴线与恒载压力线吻合，可采用高次抛物线。悬链线：最常采用的拱轴线。1）上承式拱桥的总体构思§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.1拱桥的总体构思（5）矢跨比矢跨比：拱肋的矢高与跨径的比值。矢跨比减小，拱桥水平推力增加，反之推力减小。矢跨比影响拱桥整体刚度。矢跨比在1/4~1/6之间时，拱桥刚度较大。1）上承式拱桥的总体构思2）中、下承式拱桥的总体构思2）中、下承式拱桥的总体构思中、下承式拱桥的桥跨结构一般由拱肋、横向联系和悬挂结构三部分组成。拱肋：主要受力构件，可采用钢筋混凝土、钢管混凝土或钢箱结构，常用矢跨比为1/7~1/4。横向联系：设置在两片拱肋之间，增加横向稳定性。包括一字型横撑、对角横撑、K形横撑等。悬挂结构：包括吊杆和桥面系等。刚性吊杆：混凝土材料；柔性吊杆：平行钢丝或钢绞线。吊杆间距一般4~8m。§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.1拱桥的总体构思（1）柔性系杆刚性拱3）梁拱组合体系拱桥的总体构思系杆的刚度相对于拱肋的刚度较小，系杆只承受拉力，拱肋按偏心受压构件考虑。跨径：20~90m；矢跨比：1/5~1/4；拱肋高度（1/50~1/30）L。§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.1拱桥的总体构思（2）刚性系杆柔性拱3）梁拱组合体系拱桥的总体构思拱肋的刚度相对于系杆的刚度较小，刚性系杆承受拉力和弯矩，按弯拉构件考虑。跨径：100m；矢跨比：1/5~1/7；拱肋高度（1/120~1/100）L。§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.1拱桥的总体构思（3）刚性系杆刚性拱3）梁拱组合体系拱桥的总体构思拱肋和系杆均承担一定的弯矩，体系整体刚度大。拱肋高度（1/50~1/80）L。§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.2主拱的构造1）板拱主拱圈截面采用矩形实体截面的拱桥称板拱桥。在中、小跨径的圬工拱桥中采用。在较薄的拱板上增设纵向肋以提高拱圈抗弯刚度，即构成板肋拱。板拱§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.2主拱的构造2）肋拱肋拱桥是将板拱划分成多条分离的、截面高度较大的拱肋，肋间用横系梁联结。这种形式以较小的截面面积获得较大的截面抵抗矩，减轻了结构自重，多用于大、中跨径的拱桥。§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.2主拱的构造2）肋拱拱肋截面（1）矩形：构造简单、施工方便（2）工字形：适用：大、中跨径（3）箱型：适用：跨径大，桥面宽（4）管形：适用：钢管混凝土拱桥钢管混凝土拱桥简介钢管混凝土拱肋立柱（或吊杆）横撑行车道系下部构造§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.2主拱的构造3）箱形拱箱形拱桥主拱圈截面挖空，以较少的材料可获得较大的截面抵抗矩，减轻自重，节省材料。箱形截面抗扭刚度很大，整体性和稳定性都较好，但施工制作较复杂。适用于大跨径拱桥。§7.3拱桥的总体思路与构造7.3.2主拱的构造3）箱形拱可为单室箱或多室箱，每一闭合箱又由箱壁、顶板、底板及横隔板组成多条U形肋多条工字形肋多条闭合箱肋单箱多室截面§7.4拱桥的计算拱桥计算的主要内容拱桥的计算拱轴线的选择与确定成桥状态的内力分析和强度、刚度、稳定验算施工阶段的内力分析和验算恒载内力温度、收缩徐变拱脚变位活载内力内力调整拱上建筑的计算§7.4拱桥的计算拱轴线的选择与确定拱轴线的形状直接影响主截面的内力分布与大小，选择拱轴线的原则，是要尽可能降低荷载产生的弯矩。最理想的拱轴线是与拱上各种荷载作用下的压力线相吻合，使拱圈截面只受压力，而无弯矩及剪力的作用，截面应力均匀，能充分利用圬工材料的抗压性能实际上由于活载、主拱圈弹性压缩以及温度、收缩等因素的作用，得不到理想的拱轴线。一般以恒载压力线作为设计拱轴线。圆弧线、抛物线和悬链线§7.4拱桥的计算强度验算利用内力包络图进行主拱强度验算，拱脚、拱顶、拱跨3l/8、l/4是主要控制截面，根据结构设计原理和桥规进行验算。拱圈强度验算:《公路圬工桥涵设计规范》（JTGD61-2005）无铰拱和双铰拱的计算可不考虑拱上建筑与主拱圈的联合作用。计算由车道荷载引起的拱的正弯矩时，拱顶，拱跨1/4应乘以折减系数0.7，拱脚应乘以0.9，中间各个截面的正弯矩折减系数，可用直线插人法确定。一般无铰拱桥，拱脚和拱顶是主要控制截面；大跨度拱桥应验算拱顶、拱跨3l/8、拱跨l/4和拱脚四个截面；对于中、小跨径拱桥，拱跨l/4截面可不验算；特大跨径拱桥，除以上四个截面外，需视截面配筋情况，另行选择截面进行验算。01112()(,)mnkdGiGiKQQKcQjQjkddijmRSSSSRSd——作用效应的组合设计值Rd——构件承载能力设计值γ0——结构的重要性系数，按下列要求取值ad——几何参数设计值，当无可靠数据时，可采用几何参数标准值ak§7.4拱桥的计算稳定验算拱的稳定性验算分为纵向(面内)和横向(面外)两方面。大、中跨径拱桥是否验算纵、横向稳定与施工过程有关：有支架施工，其稳定与落架时间有关，拱上建筑砌筑完后落架，可不验算纵向稳定;当主拱圈宽度较大（如大于跨度的1/20），则可不验算拱的横向稳定性；随拱桥所用材料性能的改善和施工技术的提高，拱桥跨径不断增大，主拱的长细比越来越大，施工和成桥运营状态稳定问题非常突出。§7.4拱桥的计算纵向稳定对于长细比不大，且f/l在0.3以下的拱，其纵向稳定性验算一般可以表达为强度校核的形式:00.9()dcdsdsNfAfA§7.4拱桥的计算横向稳定拱的横向稳定性验算，目前尚无成熟的计算办法，工程上常用与纵向稳定相似的公式来验算拱的横向稳定性：LjmNNNL——拱横向失稳时的平均临界轴力；Nj——按承载能力极限状态组合计算的平均轴力；γm——横向稳定安全系数，一般取值为4~5。§7.4拱桥的计算横向稳定板拱或采用单肋合龙时的拱肋:221/cos,cos,814()yLLmmLEINHHKflfl临界荷载系数K2值表f/l0.10.20.3K228.040.036.5理论与实践证明：无铰拱的临界荷载比有铰拱大得多。悬链线无铰拱的横向稳定，精确的方法是作空间有限元电算分析，手算时，可偏安全地采用两铰拱的计算公式，或者近似采用圆弧无铰拱的公式计算临界轴向力。§7.4拱桥的计算有限元法在拱桥计算中的应用有限元方法是为能够求解弹性力学的偏微分方程