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拱桥概述一、拱桥的基本情况拱桥是以拱为承重结构的桥梁。拱桥是在我国使用很广泛的一种桥梁体系。拱桥的受力特点(一)拱桥的主要优缺点1．主要优点1)跨越能力较大。在全世界范围内，钢筋混凝土拱桥目前的最大跨径为420m；2)能充分做到就地取材，与钢桥和钢筋混凝土梁式桥相比，可以节省大量的钢材和水泥；3)能耐久，而且养护、维修费用少，承载潜力大；4)外型美观；5)构造较简单，尤其是圬工拱桥，技术容易被掌握，有利于广泛采用。2.主要缺点：1）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，必须有良好的地基；2）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；3）混凝土拱桥施工需要劳动力较多，建筑时间较长；4）上承式拱桥的建筑高度较高，平原区修建拱桥，桥的两头接线工程量增大，桥面纵坡加大，对行车不利。因此也使拱桥的使用范围受到一定的限制。3.补救措施1）利用轻质材料来减轻结构自重；2）或采取措施提高地基承载能力；3）为了节约劳动力、加快施工进度，可采用预制装配及无支架施工。（二）拱桥的理论跨度根据现在建桥材料及技术测算：1)混凝土拱桥极限跨度在500米左右；经济跨度100－300米；2)钢拱桥极限跨度在1200米左右；经济跨度100－500米；3)混凝土斜拉桥极限跨度700米；经济跨度200－500米；4)钢斜拉桥极限跨度1300米；经济跨度200－600米；5)结合梁斜拉桥极限跨度1000米；经济跨度200－600米。增大拱桥跨度的途径及现状：1）石拱桥，增加拱圈厚度和提高石料标号等。146米（丹河特大桥）是最大跨度。2）混凝土拱桥，加筋、减小自重应力和改进材料。目前300米以上混凝土拱桥全世界5座，我国3座；200米以上全世界34座，我国6座。3）钢管混凝土拱桥，最近10余年我国共建成钢管混凝土拱桥100余座，200米以上跨径的19座；建造钢管混凝土劲性骨架拱桥11座。4）钢拱桥，卢浦大桥550米为世界最大跨度，多项技术首创。二、拱桥的组成与分类1拱圈；2拱顶；3拱脚；4拱轴线；5拱腹；6拱背；7栏杆；8路缘石；9变形缝；10拱上侧墙；11防水层；12拱腔填料；13桥面防水层；14桥墩；15基础；16侧墙；17盲沟；18锥坡如上图所示，拱桥由桥跨结构（上部结构）和下部结构组成。桥跨结构是由主拱圈(肋、箱)及拱上建筑(又称拱上结构)所构成。1．主拱圈(肋、箱)是主要承载构件，承受桥上的全部荷载，并通过它把荷载传递给墩台及基础。2．在行车道系与主拱圈之间需要有传递荷载的构件和填充物统称为拱上建筑。3．拱桥的下部结构包括桥墩、桥台和基础。（二）按材料分类1.圬工拱桥圬工拱桥是使用圬工材料修建的拱桥。丹河特大桥晋（城）焦（作）高速公路，全长413.17m，主跨146m，高81m，宽24.2m。湖南乌巢河桥1991年修建，主跨120m,；拱圈由两条2.5m的石板拱组成，中间用钢筋混凝土横梁联系。2.钢筋混凝土拱桥在混凝土拱中，配置有受力钢筋的拱桥，称之为钢筋混凝土拱桥。钢筋混凝土拱桥的主要优点有：1)截面的拉应力主要由受拉钢筋承受；2)钢筋混凝土拱桥在建筑艺术上也容易处理。缺点有：1)由活载弯矩引起的截面应力相对较小，故一般都是混凝土压应力控制设计。2)拱内钢筋的配置，主要根据拱在无支架施工时的要求进行，一旦拱桥建成，这些钢筋并没有充分发挥作用。重庆万县长江大桥3.钢管混凝土拱桥钢管混凝土拱桥的特点有：1）具有更高的抗压强度和抗变形能力。2）套箍混凝土的强度高、塑性好、质量轻、耐疲劳、耐冲击，可减少构件横截面积约50％，混凝土和水泥用量以及构件自重也相应减少一半。3）尚具有以下几方面的独特优点：(1)浇筑混凝土时，可省去支模；拆模等工序，并可适应先进的泵送混凝土工艺。(2)兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用，既能受压，又能受拉。(3)在施工阶段可起劲性钢骨架的作用，在使用阶段又是承重结构，因此可以节省脚手架，缩短工期，减少施工用地，降低工程造价。(4)在受压构件中采用钢管混凝土，可大幅度节省材料。1）钢管混凝土拱肋（1）拱肋横截面型式钢管混凝土拱肋横截面型式，按钢管的根数及布置方式，通常分为：单肋型、双肢哑铃型、四肢格构型、三角形格构型和集束型。a)单肢b)双肢哑铃形c)三肢格构式d)四肢双哑铃形拱肋横截面型式（2）钢管：考虑到防腐等要求，壁厚不宜小于12mm。钢管既可采用成品无缝钢管，也可由钢板卷制加工而成。对焊缝必须采用超声波或X射线检测。（3）混凝土：钢管内填芯混凝土宜选用高标号。（4）钢管与混凝土的组合关系：内填型与外包型。2）横撑横撑主要设置在拱顶、拱脚、拱肋与桥面系交接处，横撑的主要作用是将钢管混凝土拱肋联接成整体，确保结构稳定。钢管混凝土拱肋的横撑多采用钢管桁架，钢管可以是空心的，也可以内填混凝土，做成钢管混凝土横撑。横撑在拱脚段多做成桁式K撑或X撑，以获得更好的稳定性，在桥面系以上则多采用直撑、K撑或H形撑。钢管混凝土拱肋的x横撑桁式K撑（浙江铜瓦门大桥）3）吊杆中、下承式钢管混凝土拱桥需设置吊杆。吊杆可采用平行钢绞线或平行钢丝束。吊杆与拱肋的连接常州怀德桥（中承式钢管混凝土无风撑三拱桥）茅草街大桥效果图（中承式钢管混凝土拱桥）巫山长江大桥（世界最大跨度的中承式钢管混凝土肋拱桥，主跨460m）4.钢拱桥钢拱桥具有外形雄伟壮观、跨越能力大、承载能力高等优点。钢拱桥只有在地质条件良好和地形适宜的情况下才能经济合理。钢拱桥和钢斜拉桥相比，它刚度大，稳定性和抗震性均好。世界上比较著名的钢拱桥有澳大利亚的悉尼海港桥和中国的重庆朝天门长江大桥。澳大利亚悉尼海港桥重庆朝天门长江大桥全桥长1741m，其中主桥长932m，采用（190+552+190）m的中承式连续钢桁系杆拱桥（三）按结构体系分类拱桥按结构受力图式可以分为：简单体系拱桥，组合体系拱桥。1.简单体系拱桥1)三铰拱属静定结构。无附加内力，桥面系结构不参与主拱受力。适于地质条件不良情况（地基差的地区）。但铰的构造复杂，施工困难，维护费用高；桥面不连续，整体刚度小，主拱圈一般不采用。三铰拱实例2)两铰拱属外部一次超静定结构。在墩台基础可能发生位移的情况下或坦拱中采用。附加内力较小。两铰拱实例3)无铰拱也叫固端拱，属三次超静定结构，广泛用于石拱桥和钢筋混凝土拱桥。多箱浇筑成板拱与桥台形成无铰拱2．拱式组合体系桥拱式组合体系桥一般由拱肋、吊杆(或立柱)、系杆、行车道梁(板)及桥面系等组成。组合拱桥可以做成上承式、中承式和下承式。根据拱肋和行车道梁的联结方式不同，拱式组合体系桥一般可划分为有推力和无推力两种类型。1)无推力拱式组合体系桥无推力拱式组合体系桥(也称系杆拱桥)是外部静定结构，拱的推力由系杆承受，墩台不受水平推力。根据拱肋和系杆(梁)相对刚度的大小，无推力拱式组合体系可划分为柔性系杆刚性拱(系杆拱桥)、刚性系杆柔性拱、刚性系杆刚性拱三种基本组合体系。柔性系杆刚性拱的特点是，系杆仅受拉、拱肋受压和弯，忽略系杆弯矩。()/()EIEI拱系()/()80EIEI拱系严格地讲是指：实际中，一般要求：刚性系杆柔性拱的特点是，系杆受拉和弯、拱肋主要受压，系杆不仅承受拱的推力，也承受弯矩，为拉弯组合构件。()/()1/80EIEI拱系刚性系杆刚性拱的特点是，拱肋和系杆都有一定刚度，系杆和吊杆按照其刚度分配承受弯矩；系杆、拱肋受力介于以上两者之间，拱肋和系杆都有一定的抗弯刚度，荷载引起的弯矩在拱肋和系杆之间按刚度分配，共同承受纵向力和弯矩。适合设计荷载较大的桥梁采用。一般情况下，1/80()/()80EIEI拱系以上三种组合体系中，当用斜吊杆代替竖杆时，又称尼尔森体系。尼尔森体系a）刚性系杆柔性拱b）刚性系杆刚性拱旺苍东河桥2)有推力拱式组合体系桥有推力组合式体系拱桥的常用形式有刚架拱、桁架拱等，也称这些拱为拱片桥。这类拱桥的构造多变，适应性强，在经济上、施工上各有其特点，所以有较广泛的适用空间。刚架拱桥的施工方法相似于双曲拱桥或桁架拱桥，但其构造简单，主要受力构件是主拱腿、上纵梁及其间的斜支撑。适用于中小跨径。永平杨村河桥一般，把承重结构为桁架式的拱桥统称为桁架拱桥。钢筋混凝土桁架拱桥的上部结构由桁架拱片、横向联结系和桥面三部分组成。桁架拱片如图所示：桁式组合拱桥（江界河大桥）主跨为1孔330m组合预应力混凝土桁架拱，边跨桁架分别为30+20(m)及30+25+20(m)，全长461m。（四）按主拱圈截面形式分类拱桥的主拱圈横截面型式是多种多样的，可分为板拱桥，肋拱桥，双曲拱桥，箱形拱桥等几种类型。1.板拱桥板拱桥的主拱圈横截面采用整块的实体矩形截面。石拱圈可以采用等截面圆弧拱、等截面或变截面的悬链线拱以及其他拱轴形式的拱。板拱桥的特点：构造简单、施工方便，造价低，使用广泛。通常只在地基条件较好的中、小跨径圬工拱桥中采用板拱型式。板拱桥实例2．肋拱桥用两条或多条分离的平行的窄拱圈--即拱肋作为主拱圈的拱桥称为肋拱桥。肋拱桥的特点是横截面面积较小，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。肋拱桥拱肋的截面形式，根据跨度大小和载重等级，可以选用实体矩形、工字形、箱形、管形等，如图所示。包兰线东岗镇黄河桥（3孔53m上承式钢筋混凝土肋拱桥）3.双曲拱桥双曲拱桥的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，故称之为双曲拱桥。通常有拱肋、拱波、拱板和横向联系等几部分。双曲拱桥的特点是主拱圈先化整为零，再集零为整，以适应无支架施工和无大型起吊机具的情况。只宜在中小跨径桥梁中采用。江苏无锡卫东桥（双曲拱桥）江苏无锡民主桥（三叉形的双曲拱桥）拱肋断面分为倒T形、L形、工字形、槽形以及开口箱等。主拱圈的截面形式（双曲拱）a）、b）、c）多肋多波d）双肋单波4.箱形拱桥箱形拱桥拱圈横截面由几个箱室组成。箱形拱桥的外形与板拱和肋拱相似。节省材料，对于大跨径桥则效果更为显著。截面抗扭刚度大，横向整体性和结构稳定性均较双曲拱好，适用于无支架施工。箱形拱的主要特点是：（1）截面挖空率大。（2）能较好地满足主拱圈各截面承受正负弯矩的需要；（3）抗弯和抗扭刚度大，拱圈的整体性好，应力分布较均匀；（4）单条拱肋刚度较大，稳定性较好，能单箱肋成拱，便于无支架吊装；（5）预制构件的精度要求较高，吊装设备较多，适用于大跨径拱桥的修建。箱形拱桥施工四川省广元市宝珠寺桥（箱形拱桥）（五）按拱轴线型式分类一般说来，以结构重力压力线作为设计拱轴线，可以认为基本适宜。所以拱轴线应满足四方面的要求：①尽量减小拱圈截面的弯矩，使主拱圈在计入弹性压缩、均匀温降、混凝土收缩等影响下各主要截面的应力相差不大、且最大限度减小截面拉应力，最好是不出现拉应力；②对于无支架施工的拱桥，应满足各施工阶段的要求，并尽可能少用或不用临时性施工措施；③计算方法简便，易为生产人员掌握；④线型美观，便于施工。1．圆弧拱桥线型最简单，施工最方便，容易掌握。江西德安桥2．抛物线拱桥在竖向均布荷载作用下，拱的合理拱轴线是二次抛物线。大跨径拱桥如果拱上建筑布置很特殊，为了使拱轴线与恒载压力线基本吻合，采用高次抛物线作为拱轴线。但计算工作量过大，计算难度大，很少采用。永定河七号桥（拱轴线采用二次抛物线）3.悬链线桥悬链线是目前我国大、中跨径拱桥采用最普遍的拱轴线型。阜东桥（主拱肋为工字形双肋，变截面悬链线）（六）按桥面位置分类拱桥的主要受力构件是拱圈（拱肋），因此在设计时可根据地质情况、环境及桥两侧接线的相对位置，将桥面系置于拱背之上（上承式）或吊干拱肋之下（下承式），中承式拱桥则是将一部分桥面系吊于拱肋之下，一部分支撑于拱背之上。上承式、下承式和中承式拱桥的选择主要取决于拱圈或拱肋建筑高度和两侧道路接线的相对位置。1．上承式拱桥上承式拱桥是桥面系设置在拱圈(拱肋)之上的拱桥。优点是桥面系构造简单，拱圈与墩台的宽度较小，桥上视野开阔，施工较下承式拱桥方便。缺点是桥梁建筑高度大，纵坡大