31第三章-拱桥上部结构-拱桥受力特点、组成与分类、各类常见拱桥的构造特点解析

第三章拱桥上部结构-11第三章拱桥上部结构SuperstructureofArchBridge§3.1概述§3.2拱桥的分类§3.3常见拱桥的构造特点§3.4单跨悬链线无铰板拱的设计§3.5拱桥受力特点与主拱设计计算要点§3.6拱桥施工第三章拱桥上部结构-12§3.1概述3.1.1拱桥的起源3.1.2拱桥的基本特点3.1.3拱桥的组成第三章拱桥上部结构-133.1.1拱桥的起源世界上对拱结构的起源众说不一自然界溶洞天然拱崩落的堆石拱砌墙开洞，逐渐由“假拱”演变而成中国：墓葬结构及仅存实物，拱由梁与侧柱演变为三、五、七等折边拱，演变为圆拱。第三章拱桥上部结构-14跨度由小变大，由二三米而到达净跨37.02m，并保持了千余年的世界记录。中国现存最早，并保存良好的是隋代赵州安济桥（赵州桥）。桥为敞肩圆弧石拱，拱圈并列28道，净跨37.02m，矢高7.23m，上狭下宽总宽9m。主拱圈等厚1.03m，主拱圈上有护拱石。安济桥（赵州桥）第三章拱桥上部结构-16中国石拱因南北河道性质及陆上运输工具不同，构造不同。北方大多为平桥（或平坡桥），实腹厚墩厚拱。南方水网地区则为驼峰式薄墩薄拱。第三章拱桥上部结构-17南方江浙一带水网地区，以舟行为主。潮汐河流，软土地基，即使石拱桥亦尽量减轻重量建造为薄墩薄拱。桥孔自单孔多到85孔（江苏吴江垂虹桥，已塌，尚存残孔8孔）。第三章拱桥上部结构-18薄拱的拱厚最小者仅及拱跨的1／66.7，而一般拱厚则为1／20左右。现存枫桥（清代建）也是薄拱。薄墩之薄，相邻两拱圈拱石相接，特别是三孔连拱薄墩桥，中孔大、边孔小，两岸以踏步上桥。桥成驼峰形，造型美观。第三章拱桥上部结构-19中国的木拱桥肇始自宋。宋代张．择端的《清明上河图》，在画面高峰处有北来都城汴京（现河南开封）跨汴水的一座木拱桥，名为虹桥。为了漕运，水中无桥墩，桥采用了“贯木’架桥，即大木穿插叠架为木拱。虹桥桥跨约18．5m，拱矢约4．2m，桥面总宽9．6m。桥毁于金元之际，几百年来一直认为是绝唱。虹桥第三章拱桥上部结构-1113.1.2拱桥的基本特点拱桥与梁桥的区别：外形不同、受力性能有差别。圬工拱桥的优点跨越能力大能就地取材第三章拱桥上部结构-112能耐久，养护、维修费用少外型美观构造较简单圬工拱桥的缺点自重大，水平推力大，对地基要求高有支架施工时，施工耗时第三章拱桥上部结构-113连拱拱桥设置构造复杂的单向推力墩，增加了造价上承式拱桥对标高要求高，城市少用拱桥发展石拱桥钢拱桥钢筋混凝土拱桥钢管混凝土拱桥3.1.3拱桥的组成石拱桥的主要组成与名称起拱面净矢高拱石拱圈厚度主拱圈拱背拱座(五角石)拱腹拱脚计算矢高计算跨径净矢径行车道（桥面）拱上建筑拱顶拱轴线第三章拱桥上部结构-115拱桥（ArchBridge）的组成桥跨结构（上部结构）superstructure主拱圈mainarch拱上结构spandralstructure下部结构substructure墩pier台abutment基础foundation第三章拱桥上部结构-116拱轴线：archaxis起拱线：archspringingimpost跨径：桥梁上部结构的重要技术指标标准跨径：一般指净跨径净跨径：clearspan矢高：重要的技术指标之一净矢高：clearriseofarch第三章拱桥上部结构-117计算跨径：computedspan计算矢高：calculateriseofarch矢跨比：矢高与跨径之比，设计时一般取净矢高f0与净跨径l0之比为矢跨比（或称净矢跨比）坦拱：f0/L0（矢跨比）1/5陡拱：f0/L0（矢跨比）≥1/5第三章拱桥上部结构-118拱的计算跨径与计算矢高)cos1(2sin00jjdffdll三铰拱内力计算简图第三章拱桥上部结构-120三铰拱与等跨简支梁内力比较三铰拱的反力（内力和反力上标加o的为简支梁，不加o的为三铰拱）fMfalPlYXXYlaPYYlalPYolABAoBBoAA2)2(2)(第三章拱桥上部结构-121令，则内力为：BAXXHxxxxxxxxsincoscossinHQQHQNyHMMooo第三章拱桥上部结构-122三铰拱的竖向反力与简支梁相同，但在竖直荷载作用下，三铰拱会产生水平反力，而简支梁中没有水平反力的存在。三铰拱在竖直荷载作用下的水平反力引起拱内力中出现了轴力，同时降低了弯矩与剪力。第三章拱桥上部结构-123§3.2拱桥的分类3.2.1按主拱圈的建筑材料分类圬工拱桥钢筋混凝土拱桥钢拱桥钢管混凝土拱桥第三章拱桥上部结构-1243.2.2按行车道位置分类上承式车道（桥面系）在拱肋之上的称为上承式上承式主要用于峡谷和桥面标高较高的桥梁传统的石拱桥因主拱圈为板式结构，只能采用上承式上承、下承及中承式拱桥车行道主拱立柱桥台(墩)吊杆车行道桥台(墩)吊杆车行道主拱桥台(墩)主拱立柱第三章拱桥上部结构-126上承式拱桥构造较为简单上部结构由主拱圈、拱上建筑组成拱上建筑：实腹式或空腹式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三章拱桥上部结构-127下承式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。车辆在两片（三片）拱肋之间行驶，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。第三章拱桥上部结构-128中承式：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。下承式或中承式拱桥一般是在桥梁建筑高度受到限制时考虑，其拱圈只能使用肋拱形式。中、下承式主要用于地势平坦、桥面标高受限制或基础较差的拱桥之中。第三章拱桥上部结构-1293.2.2按照结构体系分类3.2.2.1简单体系的拱桥拱圈的静力图式（c）无铰拱（b）双铰拱（a）三铰拱第三章拱桥上部结构-130三铰拱：静定，无附加应力，铰构造复杂，桥面在铰处需设置伸缩缝，桥面纵坡在伸缩缝处折角，不利行车与养护。两铰拱：介于二者之间无铰拱：三次超静定，刚度大，构造简单，附加应力大。广泛用于石拱桥和钢筋混凝土拱桥之中，尤其是基础较好、跨径较大时。3.2.2.2拱梁组合桥（1）无推力的拱梁组合桥柔性系杆刚性拱—系杆拱刚性系杆柔性拱—朗格尔拱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。第三章拱桥上部结构-132（2）有推力的组合体系拱桥刚性梁柔性拱（倒朗格尔拱）刚性梁刚性拱（倒洛泽拱）第三章拱桥上部结构-1333.2.2.3刚架系杆拱系杆拱中拱肋与桥墩固结，不设支座采用预应力钢绞线作为拉杆来平衡拱的推力，拉杆独立于桥面系之外，不参与桥面系受力，而桥面系为局部受力构件。这种结构由于拱和墩联接处为刚结点，属刚架结构，又带有系杆，故称之为刚架系杆拱第三章拱桥上部结构-134刚架系杆拱示意图单跨下承式多跨下承式带悬臂中承式3.2.3按照主拱的截面形式分类第三章拱桥上部结构-136§3.3常见拱桥的构造特点3.3.1石板拱一、总体布置石拱桥的主拱圈以石料建造。跨径小于20m，拱上建筑常做成实腹式跨径大于20m，拱上建筑一般为空腹式实腹式拱桥构造图空腹式拱桥构造图第三章拱桥上部结构-140二、主拱圈料石拱(粗料石)：不小于30号石料、不小于7.5号砂浆（大中桥）不小于5号砂浆（小桥）块石拱：片石拱：7.5号砂浆（中小桥）石拱圈：等截面圆弧拱，等截面或变截面悬链线拱第三章拱桥上部结构-141粗料石砌筑拱时，拱石需要随拱轴线和截面形式不同而分别进行编号，以便于拱石的加工。等截面圆弧线拱圈，截面相等，单心圆弧线，拱石规格较少，编号较简单变截面拱圈，由于截面发生变化，使拱石类型较多，编号较复杂，给施工带来很大的麻烦石板拱的主拱圈以等截面为主第三章拱桥上部结构-142等截面圆弧拱的拱石编号第三章拱桥上部结构-143变截面拱圈的拱石编号第三章拱桥上部结构-144石拱圈构造上的要求：受压面的砌缝应是辐射方向，即与拱轴线相垂直。一般可做成通缝，不必错缝拱圈厚度不大时，可采用单层拱石砌筑，拱厚较大时可采用多层拱石砌筑要求垂直于受压面的顺桥向砌缝错开，其错缝间距不小于0.10m第三章拱桥上部结构-145拱圈横截面内，拱石的竖向砌缝应当错开，其错开宽度至少0.10m，在纵向或横向剪力作用下，可避免剪力单纯由砌缝内的砂浆承担，增大砌体的抗剪强度和整体性。砌缝的缝宽不应大于0.02m。第三章拱桥上部结构-146拱圈与墩台、空腹式拱上建筑的腹孔墩与拱圈相连接处，应采用特制的五角石，以改善连接处的受力状况。五角石不得带有锐角，以免施工时易破坏和被压碎。为了简化施工，也常采用现浇混凝土拱座及腹孔墩底梁来代替制作复杂的五角石。拱石的砌缝五角石及混凝土拱座、底梁第三章拱桥上部结构-148用块石或片石砌筑拱圈时，应选择较大的平整面与拱轴线相垂直，并使石块的大头向上，小头向下。石块间的砌缝必须相互交错，较大的缝隙应用小石块嵌紧。砌缝用砂浆或小石子混凝土灌满。第三章拱桥上部结构-149三、拱上建筑实腹式拱上建筑：侧墙、拱腹填料、护拱以及变形缝、防水层、泄水管和桥面等部分跨径较小的石板拱，常采用实腹式拱上建筑。构造简单、施工方便，填料的数量较多、恒载较重。第三章拱桥上部结构-150空腹式拱上建筑大、中跨桥的拱桥，特别是当矢高较大时,实腹式拱上建筑的填料用最多、重量大，因而以采用空腹式拱上建筑为宜。空腹式拱上建筑除具有实腹式拱上建筑相同的构造外，还具有腹孔和腹孔墩。第三章拱桥上部结构-151桥墩（台）上腹拱的布置方式(a)(b)(c)第三章拱桥上部结构-152腹拱墩构造形式第三章拱桥上部结构-153四、桥例成昆线一线尺石板拱桥总体布置图第三章拱桥上部结构-1543.3.2钢筋混凝土肋拱与箱拱一、肋拱的主拱肋由两条或多条分离的平行拱肋，以及在拱肋上设置的立柱和横梁支承的行车道部分组成。为了保证肋拱桥的横向整体稳定性，两肋外缘距离不小于L/20，肋宽／横系梁间距不小于1/20（规范要求）。第三章拱桥上部结构-155中小跨径：矩形｛高=（1/40~1/60）L，宽=0.5~2.0高}大跨径：工字形{高=（1/25~1/35）L，宽=0.4~0.5高，腹板厚0.3~0.5米}比矩形的高分离的拱肋间须设置横系梁肋拱适合大中跨径拱桥。第三章拱桥上部结构-156肋拱桥桥型图第三章拱桥上部结构-157肋拱桥的拱肋截面形式第三章拱桥上部结构-158二、箱拱的主拱圈箱拱或箱形拱的主拱圈全宽采用一个箱（通常为单箱多室），主拱圈为整体薄壁箱形结构。适用于大跨径，挖空率可达50~70%。自重轻。抗弯抗扭刚度大，横向整体性好，稳定性好。吊装要求高，一般在跨径50m以上。第三章拱桥上部结构-159拱高：H=L/100+（0.6~0.7）米，箱宽：1.3m~1.6m壁厚：0.08~0.10m底厚：0.1~0.14m横隔板间距5m，厚0.06~0.08m（顶板边为0.06~0.08m）安装：开口箱+现浇——重量轻闭口箱——抗扭刚度大第三章拱桥上部结构-160箱形拱闭合箱的构造箱拱预制施工构造示意图三、钢筋混凝土肋拱、箱拱的拱上建筑梁（板）拱上建筑涪陵乌江大桥FulingBridgeoverWujiangRiver第三章拱桥上部结构-164腹孔墩构造型式四、桥例铁路丰沙线永定河七号桥总体布置第三章拱桥上部结构-166邕宁邕江大桥总体布置图邕江大桥拱肋截面图万县长江大桥WanxianBridgeoverYangtzeRiver第三章拱桥上部结构-169重庆万县长江大桥总体布置图第三章拱桥上部结构-170重庆万县长江大桥主拱圈截面构造图