拱桥

桥梁工程施工第1页拱桥桥梁工程施工第2页主要内容•1、拱桥的特点及其适用范围•2、拱桥的分类•3、拱桥的组成与构造•4、拱桥设计与计算•5、拱桥的施工桥梁工程施工第3页1、拱桥的特点及其适用范围•拱桥是桥梁工程中使用广泛且历史悠久的一种桥梁结构类型。拱桥与梁桥的受力性能有着本质区别，拱桥可以利用钢筋混凝土等材料来修建,也可以利用抗压性能较好而抗拉性能较差的圬工材料来修建。桥梁工程施工第4页•拱桥的主要优点是：①跨越能力大。②抗风稳定性强，结构整体性好。③能充分利用圬工和钢筋混凝土等材料。④耐久性好，而且养护、维修费用低。⑤构造简单，有利于广泛应用。⑥建筑艺术造型简洁美观。桥梁工程施工第5页•拱桥的主要缺点是：①下部结构的工程量大，要求有良好的地基条件。②对于多孔连续的大、中跨径的拱桥，需要采用特殊的措施以承受不平衡的推力，增加了造价。③与梁式桥相比，上承式拱桥的建筑高度较高，对行车不利。④传统的拱桥施工工序多，难度大，费用高，工期长。桥梁工程施工第6页2、拱桥的分类•按建筑材料分：圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、预应力混凝土拱桥、钢拱桥；•按传力结构的形式分：实腹式拱桥、空腹式拱桥；•按主拱轴线形式分：圆弧线拱桥、抛物线拱桥、悬链线拱桥；桥梁工程施工第7页•按桥面构造的位置分：上承式拱桥、下承式拱桥、中承式拱桥；•按拱脚有无水平推力分：推力拱桥、无推力拱桥；•按拱桥的结构体系分：简单体系拱桥、组合体系拱桥；•按主拱截面形式分：板拱桥、肋拱桥、箱形拱桥、双曲拱桥；•按矢跨比的大小分：矢跨比大于或等于1/5的拱称为陡拱，矢跨比小于1/5的拱称为坦拱。桥梁工程施工第8页3、拱桥的组成与构造⑴按传力结构形式桥梁工程施工第9页桥梁工程施工第10页⑵按拱桥的结构体系（简单体系）桥梁工程施工第11页•简单体系拱是指拱上全部荷载由主拱圈(肋)单独承担，拱的传力结构不参与受力，只算作荷载的拱桥结构体系。•三铰拱属于外部静定结构。一般用于大、中跨径空腹式拱上建筑的腹拱，不宜用来作为主拱。在软土地基或寒冷地区修建拱桥时可以采用三铰拱。•两铰拱属外部一次超静定结构，其特性界于三铰拱与无铰拱之间。因地基条件较差而不易修建无铰拱时，可考虑采用两铰拱。钢桁架拱通常采用两铰拱结构形式。•无铰拱属外部三次超静定结构。一般在地基条件良好处修建，是大跨径桥梁的主要桥形之一。桥梁工程施工第12页⑵按拱桥的结构体系（组合体系）•组合体系拱桥一般由拱和梁、桁架或刚架等两种以上的基本结构体系组合而成，拱桥的传力结构与主拱按不同的构造方式形成整体结构，以共同承受荷载，其力学性能和经济指标往往优于同等设计条件的单一结构体系。桥梁工程施工第13页桥梁工程施工第14页桥梁工程施工第15页桥梁工程施工第16页桥梁工程施工第17页⑶主拱截面构造桥梁工程施工第18页•板拱桥通常用于地基条件较好的中、小跨径的石砌或混凝土预制块砌筑的拱桥或混凝土和钢筋混凝土拱桥•肋拱桥的主拱由两条或两条以上分离的、高度较大的拱肋组成，拱肋之间由横系梁相联。与板拱相比，肋拱用较小的截面获得更大的抗弯能力，较多地减轻了主拱重量，使拱肋内力中恒载影响减小，而活载影响增大，并出现较大弯矩，故宜采用钢筋混凝土结构。肋拱桥跨越能力较大，适用于大、中跨拱桥。桥梁工程施工第19页•箱形拱桥的主拱外形与空心板拱相似。箱形拱与板拱相比，可节省大量的圬工体积，减轻重量，降低上、下部结构的造价；中性轴基本居中，能够较好地适应各截面正负弯矩的变化；闭合箱形截面的抗弯、抗扭刚度较其它形状截面要大，主拱的整体性和稳定性好，截面应力比较均匀；预制箱室的宽度较大，操作安全，易于保证施工质量。适合于50m以上的大跨径拱桥。•双曲拱桥的主拱是由拱肋、拱波、拱板和横向联接系等四部分组成，是一种特殊的预制装配式肋板拱。双曲拱结构存在众多的接缝与接触面，截面整体性较差。目前在大跨径拱桥中，双曲拱桥有被箱形拱桥取代的趋势。桥梁工程施工第20页4、拱桥设计与计算⑴拱桥的设计①拱桥的总体设计•在通过必要的桥址方案比较，确定了桥位之后，再根据当地水文、地质等具体情况，合理地拟定桥梁的长度、跨径、孔数、桥面标高、主拱圈的矢跨比等，这些是拱桥总体设计的主要内容。桥梁工程施工第21页确定拱桥的主要设计标高•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。桥梁工程施工第22页确定拱桥的矢跨比•①恒载的水平推力Hg与垂直反力Vg之比值，随矢跨比的减小而增大。•②推力大，拱圈内轴向力也大，对拱圈受力有利，对墩台基础不利。•③无铰拱：拱圈内的附加内力，拱愈坦(即矢跨比越小)，附加内力越大。•④矢跨比过大，拱脚区段过陡，施工困难，不美观。桥梁工程施工第23页•主拱的矢跨比，对于板拱桥、双曲拱桥一般为1/4～1/6，不宜小于1/8；肋拱桥、箱形拱桥一般为1/6～1/8，不宜小于1/10；桁架拱桥一般为1/6～1/10，刚架拱桥一般为1/7～1/10，桁式组合拱桥一般为1/6～1/9,都不宜小于1/12；拱式组合体系桥柔性系杆刚性拱一般为1/4～1/5,刚性系杆柔性拱一般为1/5～1/7,刚性系杆刚性拱一般为1/5～1/6.5。桥梁工程施工第24页不等跨的处理•为了便于施工和平衡桥墩上所承受的推力，多孔拱桥最好选用等跨分孔方案。在选用不等跨拱桥时可采取如下措施:•采用不同的矢跨比，使相邻孔在恒载作用下的不平衡推力尽量减小。•采用不同的拱脚标高，使大跨和小跨的恒载水平推力对基底产生的弯矩接近平衡。•采用不同类型的拱跨结构或材料,以调整大、小跨由恒载产生的水平推力,使之接近平衡。•上述措施可以综合使用，如果仍不能达到完全平衡恒载推力的目的，则需加大墩台和基础尺寸或设计成不对称形式。桥梁工程施工第25页②拱轴线型的选择和拱上建筑的布置•拱轴线的形状：直接影响着拱圈的承载能力；影响结构耐久性、经济合理性和施工安全性等。•合理拱轴线：与拱上各种荷载作用下的压力线相吻合，这时拱圈截面只受轴向压力，而无弯矩作用，从而能充分利用圬工材料的抗压性能。一般说来，以结构重力压力线作为设计拱轴线，可以认为基本适宜的。桥梁工程施工第26页拱轴线应满足四方面的要求：•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；•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；•计算方法简便，易为生产人员掌握；•线型美观，便于施工。桥梁工程施工第27页目前常用拱轴线型有：•圆弧线：线型最简单，施工最方便，容易掌握。但拱轴线与恒载压力线偏离较大，使拱圈截面受力不均匀。圆弧线常用于15～20m以下的小跨径拱桥。•悬链线：实腹式拱桥恒载强度下的拱圈压力线是一条悬链线。因此实腹式拱桥采用悬链线作拱轴线。对于空腹式拱桥，恒载压力线与拱轴线偏离。但这对拱圈控制载面的内力是有利的。为了设计方便，空腹式拱桥也广泛采用悬链线作为拱轴线。悬链线是目前我国大、中跨径拱桥采用最普遍的拱轴线型。桥梁工程施工第28页•抛物线：在竖向均布荷载作用下，拱的合理拱轴线是二次抛物线。对于恒载强度接近均布的拱桥，例如矢跨比较小的空腹式钢筋混凝土拱桥的拱轴线可用二次抛物线。钢筋混凝土桁架拱和刚架拱等轻型拱上结构拱桥的拱轴线也用二次抛物线。大跨径拱桥如果拱上建筑布置很特殊(腹拱跨径特别大)，为了使拱轴线与恒载压力线基本吻合，采用高次抛物线(如四次或六次抛物线)作为拱轴线的。但计算工作量过大，计算难度大，很少采用。桥梁工程施工第29页②简单体系拱桥设计主拱截面形式设计（板拱）•根据受力特点，石砌板拱主拱的构造应满足下列要求:①拱石的受压面应选择较大的平整面，并使拱石的大头向上，小头向下，受压面的砌缝应在辐射方向上。②当拱厚较大时，宜采用2～4层砌筑，并应纵、横错缝，错缝间距不小于100mm。③砂浆砌缝宽度不应大于20～30mm。④拱圈与墩台及空腹式腹拱墩连接处，应采用特制的五角石，以改善连接处的受力状况。•板拱的宽度由桥宽确定，但其宽跨比不应小于1/20；•板厚由跨径、矢跨比和荷载等级等因素综合确定。桥梁工程施工第30页•小跨径石板桥的板厚可根据下列经验公式估算：（等厚度）；（变厚度）式中：h—拱圈的厚度，cm；hd—拱顶的厚度，m；l0—拱圈的净跨径，cm；l0—拱圈的净跨径，m(变厚度)；—系数，一般为4.5-6.0，取值随矢跨比的减小而增大。k—荷载系数，汽-15取1.1，汽-20取1.2，超汽-20需试算。—系数，一般为0.13-0.17，取值随跨径的增大而增大。30lkh)1(0lhd桥梁工程施工第31页桥梁工程施工第32页•肋拱肋拱桥由两条或两条以上的分离拱肋、肋间的横系梁、设置在拱肋上的立柱或吊杆、桥面系纵横梁等组成桥梁工程施工第33页•拱肋是肋拱桥的主要承重构件,其肋的数目、间距及截面形式等,应根据使用要求进行经济比较后确定。•拱肋的截面可选用矩形、工字形或箱形。工字形或箱形截面的抗弯能力比矩形截面大,常用于大、中跨径的拱桥。对于箱型肋必须按一定的间距设置内隔板,以保证拱肋截面局部稳定。在立柱支承处必须设内隔板。拱肋的钢筋配置按计算确定。•在分离的拱肋间,需设置横系梁,以增加肋拱桥的横向整体稳定性。桥梁工程施工第34页•箱形拱桥梁工程施工第35页桥梁工程施工第36页•双曲拱桥梁工程施工第37页拱上建筑设计•实腹式拱上建筑由拱腔填料、侧墙、护拱和桥面系等部分组成。•拱背填料一般用来支承桥面，有传递荷载和吸收冲击力的作用，一般有填充式和砌筑式两种。•侧墙承受填料和车辆荷载所产生的侧向压力，一般用浆砌块石或片石，为了美观可用料石镶面。实腹式拱桥一般都用片、块石浆砌护拱，以加强拱脚段的主拱，同时为了便于敷设防水层和排除渗入拱腔的积水，护拱一般做成斜坡式。桥梁工程施工第38页桥梁工程施工第39页细部设计•为了防止不规则裂缝的出现,需在相对变形较大的位置设置伸缩缝,在相对变形较小的位置设置变形缝。桥面系均应在相应位置设置伸缩缝或变形缝，以适应主拱的变形。目前多将伸缩缝做成直线形。•实腹式伸缩缝设在拱脚部位。•空腹式拱桥伸缩缝或变形缝，当采用拱式腹孔时,并在靠墩台侧拱铰上方的侧墙内设置伸缩缝。在大跨径拱桥中，必要时还需将靠近拱顶的腹拱或其它腹拱也做成两铰拱或三铰拱,拱铰的上方应设置变形缝。•当采用梁（板）式腹孔时,若边腹孔梁板在与墩台衔接处使用端立柱,则应用伸缩缝与墩台分开；若边腹孔梁板直接支承在墩台上,则必须同时设置铰支座和伸缩缝。•伸缩缝的宽度一般为20mm～30mm；变形缝不留缝宽。桥梁工程施工第40页桥梁工程施工第41页⑵简单体系拱桥的计算（无铰）•首先先复习一下，超静定结构的计算。•超静定结构的求解思路：欲求解超静定结构，先选取一个便于计算结构作为基本体系，然后让基本体系与原结构受力一致，变形一致即完全等价，通过这个等价条件去建立求解基本未知量的基本方程。（基本未知量是超静定结构计算中必须首先求解的关键未知量）。由于求解过程中所选的基本未知量和基本体系不同，超静定结构的计算有两大基本方法--力法和位移法。桥梁工程施工第42页•力法基本概念：在力法中，以去掉多余约束得到的静定结构作为力法基本体系，以多余未知力作为力法的基本未知量，通过基本体系中沿多余未知力方向的位移应等于原结构相应的位移来建立力法基本方程，解方程求出多余未知力；多余未知力求出以后，其它反力和内力的计算问题就转化为静定结构的计算问题，可按叠加法或平衡条件计算桥梁工程施工第43页•力法基本方程桥梁工程施工第44页•举例说明桥梁工程施工第45页例题桥梁工程施工第46页桥梁工程施工第47页桥梁工程施工第48页桥梁工程施工第49页桥梁工程施工第50页