桥梁工程 第五章 混凝土拱桥

第五章混凝土拱桥第一节第二节第三节第四节第五节拱桥的现状和发展拱桥的结构体系及总体布置钢管混凝土拱桥拱桥的设计及计算拱桥施工第五章混凝土拱桥第一节拱桥的现状和发展1.拱桥的发展2.拱桥的受力特点3.主要优缺点第五章混凝土拱桥国外：石拱，木拱十八世纪铸铁拱十九世纪钢拱钢筋混凝土拱1.拱桥的发展拱桥国内：石拱，木拱双曲拱钢筋混凝土拱刚架拱桁式组合拱钢管拱新型组合体系拱1964年70年代80年代桁架拱80年代中第五章混凝土拱桥古代拱桥:拱轴曲线造型的千变万化，其中最具有代表意义的是建于公元595-605年的赵州桥（如图1所示，跨径L=37m）第五章混凝土拱桥当代拱桥：结构型式与施工方法的丰富多彩。1997年建成的重庆万县长江大桥（图2，L=420m），广州丫髻沙特大桥（图3，L＝360m），1932建成的澳大利亚悉尼钢拱桥（图4，L＝503m）。四川万县长江大桥广州丫髻沙特大桥第五章混凝土拱桥1932年，澳大利亚，悉尼钢拱桥跨度503m第五章混凝土拱桥2.拱桥的受力特点主拱支承处不仅产生竖向反力，还产生水平推力，从而使拱主要受压。上承式、中承式、下承式拱桥图式：第五章混凝土拱桥3.主要优缺点主要优点：跨越能力大；能充分做到就地取材；耐久性好，养护、维修费用小；外形美观；构造较简单，有利于广泛采用。第五章混凝土拱桥主要缺点：1）是有推力的结构，而且自重较大，因而水平推力也较大，增加了下部结构的工程量，对地基要求高；２）水平推力较大，在连续多孔的大、中桥中，为防止一孔破坏而影响全桥的安全，需要采取较复杂的措施，或设置单向推力墩，增加了造价；３）上承式拱桥的建筑高度较高。拱桥的缺点正在逐步得到改善和克服，200～600m范围内，拱桥仍然是悬索桥和斜拉桥的竞争对手。第五章混凝土拱桥第二节拱桥的结构体系及总体布置1.2.3.4.拱桥的基本组成拱桥的主要类型及其特点拱上结构拱桥墩台第五章混凝土拱桥1.拱桥的基本组成一般上承式拱桥，桥跨结构是由主拱圈、拱上建筑等组成。第五章混凝土拱桥上承式实腹拱桥1-主拱圈2-拱顶3-拱脚4-拱轴线5-拱腹6-拱背7-起拱线8-桥台9-基础10-锥坡11-拱上建筑L-计算跨径f0-净矢高f-计算矢高L0-净跨径f/L-矢跨比混凝土拱桥第五章上承式空腹拱桥混凝土拱桥第五章2.拱桥的主要类型及其特点拱桥建桥材料结构体系分圬工拱桥，钢筋混凝土拱桥，钢拱桥简单体系拱桥：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轴线型式桥面位置拱上建筑形式板拱桥，肋拱桥，双曲拱桥，箱形拱桥圆弧拱桥，抛物线拱桥，悬链线桥上承式拱桥，中承式拱桥，下承式拱桥实腹式拱桥，空腹式拱桥第五章混凝土拱桥2.1按照桥面位置分类上承式拱桥较为简单，其上部结构是由主拱圈及拱上建筑所组成。拱上建筑可做成实腹式空腹式实腹拱桥构造简单、自重大，适用于中、小跨度；空腹拱桥结构合理、自重较小、利于泄洪，是大、中跨拱桥常用的形式。第五章混凝土拱桥下承式拱桥的桥跨结构由拱肋、悬吊结构和横向联结系三部分组成。由于车辆在两片（有时为三片）拱肋之间行驶，所以需要用吊杆将桥面系悬挂在拱肋下。桥面系和这些传力构件称为悬吊结构。下承式拱一般为无推力拱，主要应用于桥头标高受限制或基础较差的拱桥之中。无推力的下承式拱宜采用自重较轻的主拱和桥道系，以减小系杆的受力。第五章混凝土拱桥中承式拱桥的行车平面位于肋拱矢高的中间部位，桥面系一部分用吊杆悬挂在拱肋下，一部分用立柱支撑在拱肋上。中承式可以为单跨或多跨的无推力拱，也可以做成带悬臂半跨的无推力拱（又称自平衡拱）。中承式一般也是在桥梁建筑高度受到限制时考虑，与下承式一样其拱圈也只能使用肋拱形式。采用有推力还是无推力主要视地基基础条件而定。混凝土拱桥l但拱以受压为主，稳定问题突出，高强材料得不到充分发挥，需耗料在刚度上。近期，国外钢拱桥修建很少。第五章2.2按照建筑材料分类钢材强度高、自重轻，跨越能力更强。钢拱桥主要采用桁式或箱形拱肋。l对于铁路桥来说，要求刚度大，当需要较大跨度时，拱梁组合结构比索结构有优势。l对于公路与市政桥梁来说，有时为了美观因素而修建钢拱桥，但一般来说大跨度钢拱桥的经济竞争力比较弱。第五章混凝土拱桥钢筋混凝土拱以混凝土为主要材料来承压、配以少量的钢筋以承拉。因此，它是近现代最主要的拱桥结构，应用范围也最广。比起钢拱桥自重大，施工难度较大，特别是跨径较大时。现代预应力连续梁、连续刚度等桥型在100－200m的跨径范围内具有很强的竞争能力。当跨径更大一些后，混凝土斜拉桥、CFST拱桥竞争能力也很强。降低结构自重、改进施工方法，是钢筋混凝土拱桥发展的主要方向。第五章混凝土拱桥钢管混凝土（concretefilledsteeltube，简称CFST）是一种组合材料，将其应用于拱桥，提高了材料的强度与刚度，方便了施工。1990年以来CFST拱桥在我国的发展很快。已建成的桥梁有300多座。应用过程中，发展出一些新的桥型，如刚架系杆拱，悬臂施工技术和转体施工技术等也有很明显的进步。第五章混凝土拱桥2.3按照结构体系分类2.3.1简单体系拱桥简单体系拱桥：可以做成上承式，中承式，下承式，均为有推力拱。拱桥按受力图式的分类第五章混凝土拱桥v三铰拱：静定结构，在地基差的地区可采用。但构造复杂，施工困难，整体刚度小，主拱圈一般不采用。v无铰拱：三次超静定结构。拱的内力分布较均匀，材料用量较三铰拱省；构造简单，施工方便，整体刚度大，实际中使用广泛。但超静定次数高，会产生附加内力，一般希望修建在地基良好处。跨径增大，附加力影响变小，故钢筋混凝土无铰拱仍是大跨径桥梁的主要型式之一。v两铰拱：一次超静定结构，介于三铰拱和无铰拱之间。第五章混凝土拱桥2.1.2组合体系拱桥组合体系拱桥：在拱式桥跨中，行车系与拱组合，共同受力。同样，组合拱可以做成上承式、中承式和下承式。第五章混凝土拱桥v无推力拱（使用较广泛）：拱的推力由系杆承受，墩台不受水平推力。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—洛泽拱用斜吊杆来代替竖直吊杆时称为尼尔森拱。第五章混凝土拱桥系杆拱蓝格尔拱洛泽拱第五章混凝土拱桥尼尔森系杆拱尼尔森蓝格尔拱尼尔森洛泽拱第五章混凝土拱桥v有推力拱：此种组合体系拱没有系杆，由单独的梁和拱共同受力，拱的水平推力由墩台承受。刚性梁柔性拱（倒蓝格尔拱）刚性梁刚性拱（倒洛泽拱）第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥2.1.3拱片桥第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥2.1.4刚架拱桥第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥2.2按照主拱的截面型式分类2.2.1板拱桥主拱圈采用矩形实体截面。构造简单、施工方便，使用广泛。自重较大，不经济，通常在地基较好的中小跨径圬工拱桥中采用。2.2.2肋拱桥肋拱桥由两条或两条以上分离式拱肋组成承重结构的拱桥，拱肋之间靠横向联系梁连接成整体而共同受力.这种桥横截面面积较小，节省材料,自重轻,跨越能力大，多用于较大跨径的拱桥。可以用圬工、钢筋混凝土、钢材建造。第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥2.2.3双曲拱桥v主拱圈横截面由一个或数个小拱组成，其主拱圈在纵向和横向均呈曲线形。通常有拱肋、拱波、拱板和横向联系等几部分。v公路双曲拱桥采用最多的是多肋波的截面形式；对于跨径和荷载较小的单车道桥可采用单波的形式。v双曲拱桥施工工序多，组合截面的整体性差，易开裂，因此，只宜在中小跨径桥梁中采用。第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥2.2.4箱形拱桥v箱形拱桥拱圈横截面由几个箱室组成。截面挖空率大，达全截面的50%-70%，较实体板拱桥可减少圬工用料与自重，适用于大跨度拱桥。截面抗扭刚度大，横向整体性和稳定性好，特别适用于无支架施工。第五章混凝土拱桥8002500第五章混凝土拱桥2.2.5钢管混凝土拱φ1001412单圆管哑铃形第五章混凝土拱桥(a)三肢桁式(b)横哑铃形桁式(c)混合式(d)全桁式钢管混凝土桁拱的截面形式第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥混凝土拱桥第五章3.拱上结构3.1桥面系与立柱桥面系：板梁、肋梁、刚架式连续梁或简支梁立柱（横墙）：支承在主拱上。第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥3.2拱上结构的伸缩缝、变形缝伸缩缝：避免拱上结构受到墩台的约束不能自由变形而在两者间设置的贯通缝。变形缝：避免拱上结构与主拱共同作用而设置的断缝，一般无缝宽。第五章混凝土拱桥3.3铰（1）弧形铰第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥（2）铅垫铰第五章混凝土拱桥（3）平铰第五章混凝土拱桥（4）不完全铰（5）钢铰第五章混凝土拱桥4.拱桥墩台4.1桥墩型式从抵抗恒载水平力的能力来看，拱桥桥墩可分为普通墩和单向推力墩。普通墩除了承受相邻两跨结构传来的垂直反力外，一般不承受恒载水平推力，或者当相邻孔不相同时只承受经过互相抵消后消除的不平衡推力。单向推力墩又称制动墩它的主要作用是在它的一侧的桥孔因某种原因遭到毁坏时，能承受住单向的恒载水平推力，以保证另一侧的拱桥不致遭到倾坍。第五章混凝土拱桥4.1.1重力式桥墩也称实体式桥墩，它主要靠自身的重量来平衡外力而保持其稳定，由墩帽、墩身和基础三部分组成。第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥4.1.2柱式桥墩第五章混凝土拱桥4.1.3单向推力墩（1）悬臂墩（2）斜撑墩（3）重力式墩第五章混凝土拱桥单向推力墩混凝土拱桥第五章单向推力墩第五章混凝土拱桥4.2桥台型式重力式U形桥台齿槛式桥台空腹式（L）桥台组合式桥台轻型桥台第五章混凝土拱桥4.2.1重力式U形桥台第五章混凝土拱桥4.2.2齿槛式桥台第五章混凝土拱桥4.2.3空腹式桥台第五章混凝土拱桥4.2.4组合式桥台第五章混凝土拱桥4.2.5轻型桥台混凝土拱桥第五章第三节钢管混凝土拱桥1.钢管混凝土拱桥特点2.主拱结构第五章混凝土拱桥1.钢管混凝土拱桥特点（1）钢管与混凝土共同工作，钢管对混凝土起套箍作用，提供混凝土的抗压强度及延性；（2）混凝土提供了钢管壁受压时稳定性及其抗腐蚀性能；（3）空心钢管作为劲性骨架和模板，施工吊装重量轻，进度快，便于无支架吊装或转体施工；（4）对钢管制作安装要求高，钢管内混凝土需注意其密实性；（5）钢管外表面要作防锈处理。第五章混凝土拱桥强度增大系数：K=1+钢管混凝土套箍指标：=AsfsAcfc钢管混凝土刚度为混凝土和钢管的刚度叠加。第五章混凝土拱桥2.主拱结构2.1钢管混凝土分类（1）钢管内灌混凝土（2）内灌外包混凝土2.2截面型式第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥混凝土拱桥第五章第四节拱桥的设计及计算1.拱桥的总体布置2.拱轴线形式3.实腹拱拱轴线4.空腹拱拱轴线5.主拱截面变化规律6.拱内力计算7.拱稳定的近似计算第五章混凝土拱桥1.拱桥的总体布置总体布置确定桥梁长度及分孔确定桥梁的设计标高和矢跨比正确处理不等分孔问题桥面标高，拱定底面标高，起拱线标高，基础标高混凝土拱桥矢跨比1/4～1/8箱型拱桥矢跨比1/6～1/10采用不同的矢跨比采用不同的拱脚标高调整拱上建筑的重力采用不同的拱跨结构第五章混凝土拱桥第五章混凝土拱桥桥面标高：由两岸线路的纵断面设计来控制；要保证桥下净空能满足泄洪或通航的要求。拱顶底面标高：由桥面标高推算。起拱线标高：一般宜选择低拱脚的设计方案。基础底面标高：地基、水文条件和上部结构。第五章混凝土拱桥矢跨比：板拱桥：矢跨比可采用1/3～1/7，不宜超过1/8。混凝土拱桥：矢跨比多在1/5～1/8间，以1/6居多。钢管混凝土拱桥矢跨比：1/4～1/5之间，以1/5最多。钢拱桥常用的矢跨比为1/5～1/10，有推力拱中1/5～1/6最为常用。第五章混凝土拱桥拱圈高度：vv钢筋混凝土拱桥，在上承式无铰拱中，拱圈高度在拱脚处，约为跨径的1/29～1/75，在拱顶处约为跨径的1/44～1/75。在上承式组合拱中，拱脚处的拱肋厚度，约为跨径的1/59～1/122，拱顶处的拱肋厚度约为跨径的1/59～1/112。在中承式无铰拱中，拱肋厚度在拱脚处，约为跨径的1/34～1/67，在拱顶处约为跨径的1/34～