拱桥的概述和构造

圬工和钢筋混凝土拱桥第一章概述第一节拱桥的基本特点及其适用范围1、拱桥的发展拱桥国外：石拱，木拱十八世纪铸铁拱十九世纪钢拱钢筋混凝土拱国内：石拱，木拱双曲拱桁架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80年代中古代拱桥：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）图1赵州桥当代拱桥：结构型式与施工方法的丰富多彩，如97年建成的重庆万县长江大桥（图2所示，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）等。图21997建成的四川万县长江大桥（L=420m)图3360m广州丫髻沙特大桥2、拱桥的受力特点图41932澳大利亚503m悉尼钢拱桥承重结构：主拱拱桥的基本图示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。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，对地基要求也高；2）施工方面的缺点多；3）由于水平推力较大，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；4）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。上承式拱桥的基本组成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-锥形护坡11-拱上建筑L0-净跨径L-计算跨径f0-净矢高f-计算矢高f/L-矢跨比第二节拱桥的组成及主要类型一、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如下图所示：一般上承式拱桥，桥跨结构是由主拱圈、拱上建筑等组成。（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、基础拱桥的基本图示二、拱桥的主要类型及其特点拱桥建桥材料圬工拱桥，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1、按主拱圈与行车系之间相互作用的性质和影响程度，分简单体系拱桥和组合体系拱桥拱桥按受力图式的分类简单体系拱桥：行车系结构不参与主拱的受力，主拱以裸拱为主要承重结构。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。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。两铰拱：一次超静定结构，介于三铰拱和无铰拱之间。（一）按照结构体系分类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。常用的有以下几种形式：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。有推力拱：此种组合体系拱没有系杆，有单独的梁和拱共同受力，拱的水平推力任由墩台承受。3、拱片桥——属有推力拱仅用于上承式拱桥1）沿拱轴线：（1）等截面（2）变截面等截面等宽变高度截面等高变宽度截面（二）按照主拱的截面型式分类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、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。2）横截面3、双曲拱桥：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。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。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。叶爱君4、箱形拱桥：箱形拱桥拱圈横截面由几个箱室组成。截面挖空率大，可达全截面的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。箱形拱闭合箱的构造第二章拱桥的设计与构造第一节拱桥的总体布置总体布置的主要内容：拟采用的结构体系及结构型式；桥梁的长度、跨径、孔数、桥面标高；拱的主要几何尺寸，如矢跨比、桥梁高度、宽度、外形、墩台及其基础型式和埋置深度、桥上及桥头引道的纵坡等。一、确定桥梁长度及分孔水文水力、地形地质、技术经济等二、确定拱桥的主要设计标高和矢跨比1.拱桥的标高主要有四个：桥面标高、拱顶底面标高、起拱线标高和基础底面标高说明：起拱线标高，一般选用低拱脚的设计方案2.确定拱桥的矢跨比（）（1）影响主拱圈内力、构造形式、施工方法及美观（2）分析：矢跨比小：拱的恒载水平推力Hg与垂直反力Vg之比值增大,拱的推力增加，主拱圈内产生的轴向力增大，对主拱圈受力有利，对墩台基础不利。附加内力较大，对主拱圈不利。连拱作用显著，对主拱圈也不利。无铰拱附加内力大。在多孔情况下，连拱作用显著，对主拱圈也不利。过大：施工困难（3）矢跨比取值范围上承式砖、石、混凝土拱桥和双曲拱桥：1/8~1/4，≥1/8；箱形：1/8~1/5;宜≥1/12钢筋混凝土刚架、桁架拱：1/10~1/6，且≥1/12􀂡《桥规》规定：钢筋混凝土拱桥的矢跨比，宜采用1/5～l/8。陡拱：矢跨比大于等于1/5；坦拱：矢跨比小于1/5。有研究表明，在其他条件相同的前提下，拱桥稳定系数最高的矢跨比为1/3。3.不等跨连续拱桥的处理方法1）连续拱桥不等跨分孔时，为什么要做特殊处理？2）不等跨连续拱桥可采用哪些处理方法？（1）采用不同的矢跨比（2）采用不同的拱脚标高（3）调整拱上建筑的恒载重量（4）采用不同类型的拱跨结构第二节主拱的构造一、板拱拱轴型式：圆弧拱、等截面或变截面悬链线拱等。无铰拱、双铰拱和三铰拱。按主拱材料不同分为石板拱、混凝土板拱和钢筋混凝土板拱等。上承式拱桥由主拱(圈)、拱上传载构件或填充物、桥面系组成，主拱(圈)是主要承重结构。根据主拱(圈)截面型式不同主要分为板拱、肋拱、箱形拱、双曲拱等1、板拱主拱截面宽度、厚度及变化规律①主拱截面宽度实腹式板拱桥及拱式腹拱的空腹式板拱桥：拱圈宽度决定于桥面宽度。注意：板拱拱圈宽度一般不宜小于计算跨径的1/20，以保证横向稳定性，否则，应验算拱圈横向稳定性。②主拱厚度及变化规律可采用等厚度或变厚度，其值主要根据桥梁跨径、矢高、建筑材料、荷载大小等因素通过试算确定。尺寸初拟：􀂡钢筋混凝土板拱：hd：一般采用跨径的1/65~1/75，跨径大时取小值。若为变厚度拱，其拱脚厚度hj可按hj=hd/cosφj估算，对中小跨径无铰拱，hj可取为(1.2～1.5)hd。􀂡中、小跨径石板拱：按经验公式估算2、石板拱的构造按料石规格，分为料石板拱、块石板拱、片石板拱及乱石板拱等。材料要求变截面拱圈的拱石编号等截面圆弧拱的拱石编号拱石编号（1）拱石受压面的砌缝应是辐射方向，即与拱轴线相垂直。此缝一般可做成通缝，不必错缝。（2）当拱圈厚度不大时，可采用单层拱石砌筑，否则采用多层拱石砌筑，要求垂直受压面的顺桥向砌缝错开，错缝间距不少于10cm。（3）在拱圈的横截面内，拱石的竖向砌缝应当错开，其错开宽度至少10cm。（4）砌缝的宽度不应大于2cm。（5）拱圈与墩台、空腹式拱上建筑与拱圈连接处，应采用特制的五角石，以改善连接处的受力状况。3.施工要求：拱石的砌缝五角石及混凝土拱座、底梁横系梁立柱纵梁拱肋二、肋拱1.材料：混凝土、钢筋混凝土或钢管混凝土，也可选用石材2.拱肋数目和间距主要根据跨径、宽度、肋型、材料性能、荷载等级、施工条件、拱上结构与经济性等综合选定。为保横向稳定，两外侧拱肋外缘间距≥l/20一般在吊装能力满足要求的情况下，宜采用少肋型式。通常，桥宽在20m以内时可采用双肋式，当桥宽在20m以上时，可采用三肋(多肋)拱或分离的双肋拱。3.拱肋截面矩形：构造简单、施工方便肋高h≈（1/40~1/60）l；肋宽≈（0.5~2.0）h适用：小跨径􀂡工字形：肋高h≈（1/25~1/35）l；肋宽≈（0.4~0.5）h腹板厚≈30~50cm适用：大、中跨径􀂡箱型：肋高：h≈（1/40~1/55）l适用：跨径大，桥面宽􀂡管形：肋高：h≈（1/45~1/65）l适用：钢管混凝土拱桥4、横系梁的设置位置：三铰拱、双铰拱设铰处，拱上建筑的立柱下方。尺寸：高度取0.8~1.0倍拱肋高，宽度取0.6~0.8倍拱肋高钢筋混凝土肋拱桥与板拱桥相比，优点在于：能较多节省混凝土用量，减轻拱体重量减少桥墩、桥台的工程量同时恒载对拱肋内力的影响减小，活载影响增大，可以充分发挥钢筋的抗拉性能。三、双曲拱桥主拱圈的组成：拱肋、拱波、拱板、横向联系1、主拱圈截面形式据桥梁跨度、宽度、设计荷载大小、材料类型和施工工艺等情况可采用：（1）多肋多波形式：多用（2）单波的形式：用于小跨径2、拱肋：（1）作用：主拱圈的重要组成部分，施工中作为砌筑拱波和浇筑拱板的支架（2）要求：强度、刚度、稳定性（3）截面形式：要求所选截面有利于增强主拱圈的整体性，制作简单，施工安全。（4）一般为钢筋混凝土构件，支架现浇或分段预制安装分段接头位置3、拱波（1）作用：主拱圈的组成部分，拱板混凝土浇筑时的模板（2）一般用混凝土预制成圆弧形（不低于C20），多肋多波：矢跨比：1/3~1/5；净跨：1.3~2.0m厚：6~8cm宽：0.3~0.5m单波：矢跨比：1/3~1/6净跨：3~5m4、拱板（1）作用：“集零为整”，加强拱圈整体性（2）现浇混凝土（不低于C20）5、横向联系构件（1）作用：使拱肋变形在横桥向均匀，避免拱波顶纵裂，保证横向稳定（2）形式：横系梁和横隔板（3）布置：拱顶、腹孔墩下、接头处，间距3~5m。四、箱形梁箱形拱包括箱形板拱和箱形肋拱箱形截面拱的主要特点：截面挖空率大，大量减少体积，减轻重量抗扭刚度大，横向稳定性好、整体性强能够适应正负弯矩变化的要求,充分利用材料吊装时构件的刚度大、稳定性好，方便施工1、箱形截面的组成方式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2、拱圈截面尺寸拟定高度h：取决于拱跨及混凝土强度（目前常用C30~C40），初拟可取h≈(1/55~1/75}l，或由经验公式得：kald1000宽度：可采用窄拱圈形式，取桥宽的0.6~1.0倍，悬挑可达4.0m，为保横向稳定，一般≥跨径的1/20第四节拱上建筑的构造按照拱上建筑采用的不同构造方式，可将拱桥分为实腹式拱桥和空腹式拱桥两种。一、实腹式拱上建筑1、组成：侧墙、拱腹填料、护拱、变形缝、防水层、泄水管及桥面等2、特点：构造简单，施工方便，恒载重3、适用：小跨径拱桥4、拱腹填料的做法：（1）填充式：拱腹填料：砾石、碎石、粗砂或卵类粘土，亦可用轻质材料侧墙：设于两侧，围护填料，按挡土墙设计，采用浆砌块、片石，也可采用钢筋混凝土护壁式侧墙。（2）砌筑式拱腹填料：干砌圬工或浇筑贫混凝土侧墙：用贫混凝土浇筑时，可不设侧墙而用砂浆饰面或设镶面5、护拱：腹孔腹孔墩二、空腹式拱上建筑组成：除与实腹式相同者外，还有腹孔和腹孔墩腹孔型式：拱式腹孔和梁式腹孔腹孔墩腹孔1、拱式拱上建筑①特点：构造简单，外形美观，重量较大，多用于圬工拱桥②布置：一般对称布置在靠近拱脚侧的一定区段内（1/3-1/4跨径范围），一般3-6跨，也有采用全空腹型式③跨径：根据主拱的受力条件确定，中小跨径2.