桥梁工程6第四篇混凝土拱桥.pptx

BRIDGE桥梁工程彭天波办公室：桥梁馆413室电话：65983116-2412邮箱：2023/2/182BRIDGE第四篇 混凝土拱桥v第一章 概论v第二章 拱桥的设计与构造v第三章 拱桥的计算v第四章 拱桥的施工2023/2/183BRIDGE第一章 概论 1.1 拱桥的基本特点及其适用范围赵州桥 卢沟桥 英国Coalbrookdale桥 2023/2/184BRIDGE2023/2/185BRIDGE重庆朝天门长江大桥 上海卢浦大桥 巫山长江大桥 2023/2/186BRIDGE美国弗吉尼亚州跨越新河谷的桁架拱桥 悉尼港大桥 2023/2/187BRIDGE重庆万县长江大桥 克尔克桥 2023/2/188BRIDGE受力特点支承处存在水平推力拱内产生轴向压力弯矩减少偏心受压应力较均匀2023/2/189BRIDGE拱桥的特点拱桥的主要优点有：跨越能力较大；能就地取材，耐久性好，养护、维修费用少；外型美观；构造较简单。拱桥的主要缺点有：自重较大，要求有庞大的墩、台和良好的地基；施工工序较多，需要劳动力多，建桥时间也较长；跨径和桥高增大后，施工比较困难；连续多孔的大、中桥梁需要制动墩，造价较高；上承式拱桥建筑高度较高，当用于城市立交及平原区的桥梁时，因桥面标高提高，使用上受限。2023/2/1810BRIDGE1.2 拱桥的组成和类型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2023/2/1811BRIDGE拱桥是由桥跨结构及下部结构两部分组成。一般的上承式拱桥，桥跨结构是由主拱圈(肋、箱)简称主拱及拱上建筑(又称拱上结构)所构成。主拱圈是主要承载构件，通过它把荷载传递给墩台及基础。主拱圈以上的行车道系和传力构件或填充物统称为拱上建筑。拱桥的下部结构包括桥墩、桥台和基础。2023/2/1812BRIDGE拱桥的主要类型建筑材料、结构体系的类型、拱轴线的形式、拱圈截面形式、桥面系的位置、拱上建筑的形式、是否对下部结构作用水平推力。v按主拱圈所使用的建筑材料钢管混凝土拱桥钢筋混凝土拱桥圬工拱桥劲性骨架混凝土拱桥钢拱桥2023/2/1813BRIDGE劲性骨架混凝土拱桥劲性骨架混凝土是在钢结构骨架周围配置钢筋并浇灌混凝土而形成一种组合结构。劲性骨架可以是型钢，也可以是钢管或钢管混凝土。它主要用于大跨度拱桥中，跨越大、超载潜力大、施工方便，是一种极具发展前途的拱桥结构形式。2023/2/1814BRIDGE钢管混凝土拱桥钢管混凝土是在薄壁圆形钢管内填充混凝土而形成的一种复合材料。钢管本身相当于混凝土的外模板，它具有刚度大、承载能力大、重量轻、易于吊装或转体的优点，可以先将空钢管拱肋合龙，再压注管内混凝土，从而降低了大跨径拱桥施工的难度，省去了支模、拆模等工序。缺点是有时拱圈受力不够明确，降低了结构的安全度。2023/2/1815BRIDGE按结构受力体系按照主拱的静力特点，简单体系的拱桥又可以分成三铰拱、两铰拱和无铰拱三种。组合体系拱桥 简单体系拱桥 主要承重结构是裸拱，行车系结构不参与主拱一起受力。主要承重结构是主拱与行车系结构按不同方式构成的整体。2023/2/1816BRIDGE三铰拱：属外部静定结构。当地基条件不良，又需要采用拱式桥梁时，可以采用三铰拱。铰的构造复杂，施工较困难，维护费用大，而且减小了结构的整体刚度，同时由于拱的挠度曲线在拱顶铰处有转折，对行车不利，因此一般较少采用。两铰拱：属外部一次超静定结构。结构刚度比三铰拱大。在墩台基础可能发生位移的情况下或坦拱中采用，较之无铰拱可以减小附加内力。2023/2/1817BRIDGE无铰拱：属外部三次超静定结构。在自重及外荷载作用下，拱内的弯矩分布比两铰拱均匀，材料用量省。由于无铰，结构的整体刚度大，构造简单，施工方便，维护费用少，因此在实践中使用最广泛。无铰拱一般希望修建在地基良好的条件下，这使它的使用范围受到一定限制。单铰拱桥：为了减小拱的刚度以减少拱圈附加力的影响，在拱圈上设一个铰以降低拱圈的刚度。属于两次超静定结构，在桥上用得很少。2023/2/1818BRIDGE组合体系拱桥v无推力的组合体系拱桥简支拱组合体系拱桥只用于下承式，均为无推力的组合体系拱。根据拱肋和系杆相对刚度的大小，可分为柔性系杆刚性拱、刚性系杆柔性拱和刚性系杆刚性拱三种。2023/2/1819BRIDGE只适用于上承式，采用转体施工特别方便。单悬臂梁拱组合体系拱桥2023/2/1820BRIDGE连续梁拱组合体系拱桥2023/2/1821BRIDGE刚架系杆拱桥特点是拱肋与桥墩固结，不设支座，属于刚架结构，又带有柔性系杆，因此称为刚架系杆拱桥。刚架系杆拱桥通常采用下承式和中承式。下承式的系杆分跨锚固。中承式多采用三跨结构，呈飞鸟式拱或飞燕式拱外形。系杆不参与桥面系受力。活载经桥面系，通过横梁传给立柱或吊杆，再将荷载传给拱肋。2023/2/1822BRIDGE有推力的组合体系拱桥没有系杆，由单独的梁和拱共同受力，拱的推力由墩台承受。桥面是连续的结构。拱片桥是上边缘与桥面纵向平行、下边缘为拱形的有推力结构，沿桥梁的横向分成若干桁架或刚架拱片，并将行车道系与各拱片联结成整体共同受力。只能用于上承式。2023/2/1823BRIDGE拱片桥拱桁架的组合体系称为桁架拱，拱与刚架的组合体系称为刚架拱。2023/2/1824BRIDGE按主拱圈采用的拱轴线形式悬链线拱桥 抛物线拱桥 圆弧拱桥 2023/2/1825BRIDGE按照拱圈截面形式双曲拱桥 肋拱桥 板拱桥 箱形拱桥 等高变宽度截面等宽变高度截面等截面拱圈2023/2/1826BRIDGE板拱桥主拱圈采用矩形实体截面，由于它构造简单、施工方便，因而使用广泛。自重较大，在弯矩作用时，材料的强度没有得到充分利用，不经济。通常用地基条件较好的中、小跨径圬工拱桥中。主拱圈为等截面悬链线，拱圈厚1.7m，两边设岸孔37m，拱圈厚1.1m。采用预制混凝土块砌筑。广西南宁都安红渡桥（L=100m)2023/2/1827BRIDGE肋拱桥将整块的矩形实体截面划分成多条分离式的肋，肋与肋间由横系梁相联，形成了由几条肋组成的肋拱桥。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。拱肋可以是实体截面、箱形截面或桁架截面。广东广州流溪桥（L=90m）2023/2/1828BRIDGE双曲拱桥拱圈横截面由一个或多个横向小拱组成，主拱圈在纵向及横向均呈曲线形，故称之为双曲拱桥。曾获得过较广泛的应用，最大跨径达150m。由于其截面组成划分过细，整体性能较差，易开裂，目前已很少采用。江苏无锡民主桥(三叉形双曲拱桥)2023/2/1829BRIDGE箱形拱桥拱圈为箱形截面，主要适用于上承式拱桥。节省材料，由于它是闭口截面，抗扭刚度、横向整体性和结构稳定性都比较好，特别适用于无支架施工。是大跨径钢筋混凝土拱桥主拱圈的主要截面形式。四川万县长江大桥(420m)劲性骨架钢筋混凝土箱形拱桥2023/2/1830BRIDGE按拱上建筑的形式空腹式拱桥 实腹式拱桥 实腹式拱上建筑构造简单，施工方便，但填料数量较多，恒载较重，对基础要求高。小跨径拱桥中多采用空腹式。大、中跨径拱桥多采用空腹式。特点是结构合理，节省材料，可减少挡水面积，减轻拱上建筑重量，结构轻、美观，但构造较复杂，对材料与施工技术要求较高。2023/2/1831BRIDGE第二章 拱桥的设计与构造v2.1 拱桥总体布置与设计构思总体布置图中阐明的主要内容应包括：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，例如矢跨比、桥梁的高度、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。2023/2/1832BRIDGE2.1.1 设计高程的确定拱桥的控制设计高程主要有四个，即桥面高程、拱顶（跨中）底面高程、起拱线高程、基础底面高程。2023/2/1833BRIDGE桥面高程：建在山区河流上的拱桥，由于两岸公路路线的位置一般较高，桥面高程一般由两岸线路的纵断面设计所控制。对跨越平原区河流的拱桥，其桥面最小高度一般由桥下净空所控制。对于有淤积的河床，桥下净空尚应适当加高。对于通航河流，通航孔的最小桥面高度，除满足以上要求外，还应满足对不同航道等级所规定的桥下净空界限的要求。拱顶底面高程等于桥面高程减去拱顶处的建筑高度。2023/2/1834BRIDGE起拱线高程：一般宜选择低拱脚的设计方案。对于无铰拱桥，可以将拱脚置于设计水位以下，但通常淹没深度不得超过矢高的2/3。在任何情况下，拱顶底面应高出计算水位1.0m。有铰拱桥的拱脚需高出计算水位以上0.25m。为了防止冰害，各种拱脚均应高出最高流冰面0.25m。当洪水带有大量漂浮物且拱上建筑采用立柱时，宜将起拱线高程提高，避免漂浮物的撞击或挂留。有时为了美观的要求，应避免就地起拱，而应使墩台露出地面一定的高度。基础底面高程主要根据冲刷深度、地基承载能力等因素确定。2023/2/1835BRIDGE2.1.2 矢跨比的确定矢跨比是拱桥的一个特征数据，它不但影响主拱圈内力，还影响拱桥的构造形式和施工方法，同时，对拱桥的外形能否与周围景物相协调也有很大关系。拱的恒载水平推力Hg与垂直反力Vg之比值，随矢跨比的减小而增大。在设计时，矢跨比的大小应经过综合比较进行选择。上承式的圬工拱桥矢跨比一般为1/41/8，不宜小于1/10；钢筋混凝土拱桥的矢跨比宜为1/51/8。矢跨比1/5的称为坦拱，否则称为陡拱。2023/2/1836BRIDGE2.1.3 拱桥形式的选择对小跨拱桥可采用实腹式圆弧拱，大、中跨径拱桥宜采用空腹式悬链线拱。在盛产砂、石的地区，可采用石拱桥或混凝土预制块拱桥。箱形截面拱的抗扭刚度大、结构稳定性强、整体性好，宜用于大跨径无支架施工的钢筋混凝土拱桥。肋拱桥节省材料、重量轻、能够减少下部工程量、外形美观，可用于大、中跨径的钢筋混凝土拱桥。软土地基上修建无铰拱时，应采取无支架施工或早期脱架施工，使得主拱圈随着拱上建筑的修筑，逐步适应地基变形。矢跨比宜采用大值（1/8），以适应墩台变位。2023/2/1837BRIDGE2.1.4 拱轴线的选择拱圈各横向截面(或换算截面)的形心连线为拱轴线。选择拱轴线的原则，就是尽可能降低由于荷载产生的弯矩值。最理想的拱轴线是与拱上各种荷载的压力线相吻合，这时主拱截面上只有轴向压力，而无弯矩及剪力作用，应力均匀，能充分利用材料强度和圬工材料的良好抗压性能，我们把这样的拱轴线称为合理拱轴线。由于公路混凝土拱的恒载占全部荷载的比重较大，因此采用恒载压力线作为设计拱轴线基本上是合适的。2023/2/1838BRIDGE拱轴线应满足四方面的要求尽量减小主拱圈截面的弯矩，最大限度减小截面的拉应力，使主拱圈在次内力影响下各主要截面的应力相差不大。对于无支架施工的拱桥，应该满足各个施工阶段的要求，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，便于施工；线型美观。2023/2/1839BRIDGE常用拱轴线型圆弧线线型最简单，施工最方便。但拱轴线与恒载压力线偏离较大。常用于1520m以下的小跨径拱桥。悬链线实腹式拱桥恒载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。悬链线是目前我国大、中跨径拱桥采用最普遍的拱轴线形。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（立柱短）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。2023/2/1840BRIDGE2.1.5 多孔连续拱桥的布置多孔拱桥最好选用等跨分孔的方案。但如果受到地形、地质、通航等条件的限制，或引桥很长，考虑与桥面纵坡协调一致，或桥梁的美观有特殊的要求，则可以考虑用不等跨分孔的办法处理。不等跨拱桥，由于相邻孔的恒载推力不相等，使桥墩和基础增加了恒载的不平衡推力。为了减小这个不平衡推力，改善桥墩基础受力状况，可采用以下措施：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类型的拱跨结构2023/2/1841BRIDGE2.2 简单体系拱桥的构造v2.2.1 拱圈的构造普通型上承式拱桥根据主拱(圈)截面型式不同主要分为板拱、肋拱、双曲拱、箱形拱等。v2.2.1.1 板拱板拱拱圈采用矩形实心截面，可以是等截面圆弧拱、等截面或变截面悬链线拱以及其他拱轴型式的拱。多数采用无铰拱，也可做成双铰拱和三铰拱。按照主拱(圈)所用材料，板拱又分为石板拱、混凝土板拱、钢筋混凝土板拱等。2023/2/1842BRIDGE拱圈宽度的拟定对于实腹式板拱桥，拱圈宽度取决于桥面宽度。对于空腹式板拱桥，拱圈宽度与腹孔形式有关，通常可通过盖梁将人行道或部分车行道悬挑出拱圈宽度外，以减小拱圈宽度和墩台尺寸。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。2023/2/1843BRIDGE拱圈厚度的拟定对于中、小跨径石板拱，在拟定初步尺寸时，其主拱圈厚度可参照经验公式估算。对钢筋混凝土板拱，初拟时，拱顶hd厚度一般采用跨径的1/601/70，跨径大时取小值。若为变厚度拱，其拱脚厚度hj可按hj=hd/cosj估算，其中拱脚截面倾角j可以近似取相应圆弧拱之值。v拱圈截面变化规律等截面拱的拱圈任一法向截面的横截面形状和尺寸是相同的。等截面拱的构造简单，施工方便，因此它是目前采用最普遍的型式。变截面拱的主拱法向截面，从拱顶到拱脚是逐渐变化的。2023/2/1844BRIDGE无铰拱截面变化规律无铰拱截面变化规律通常是采用惯性矩从拱顶向拱脚逐渐增大，解析函数式采用如下的里特公式：式中：I拱任意截面的惯性矩；Id拱顶截面惯性矩；拱任意截面的拱轴水平倾角；n拱厚变化系数，可用拱脚处=1的边界条件求得：2023/2/1845BRIDGE对公路空腹式和实腹式圬工拱桥，n值一般取0.30.5和0.40.6；公路钢筋混凝土拱桥取0.50.8。矢跨比较小的拱桥，取较小的n，反之取较大的n。拱圈截面惯矩自拱顶向拱脚变化的方式主要有截面自拱顶向拱脚等宽度变厚度和等厚度变宽度两种。2023/2/1846BRIDGE石板拱构造按照砌筑主拱圈的石料规格，分为料石板拱、块石板拱、片石板拱以及乱石板拱等。用于主拱圈砌筑的石料应石质均匀，不易风化，无裂纹，石料的加工应满足施工规范要求。为便于拱石加工和确保砌筑符合构造要求，需对拱石进行编号。2023/2/1847BRIDGE为保证拱圈抗剪强度和整体性，拱石间的砌缝必须错开。砂浆强度很低，所以砌缝宽度不能太大。拱圈与墩台以及拱圈与空腹式拱上建筑的腹孔墩连接处，应采用特别的五角石，以改善该处的受力状况。为了简化施工，目前常用现浇混凝土拱座及腹孔墩底梁代替石质五角石。2023/2/1848BRIDGE钢筋混凝土板拱构造钢筋混凝土板拱的特点是外形美观、表面整齐、构造简单、板薄轻巧。根据需要可做成单条整体拱圈或多条平行板拱圈。钢筋混凝土板拱应按计算需要与构造要求配置受力钢筋、分布钢筋和箍筋。2023/2/1849BRIDGE2.2.1.2 肋拱肋拱的拱圈由两条或多条分离、平行的拱肋组成。肋拱桥是由拱肋、横系梁、立柱和由横梁支承的行车道部分组成。优点是：能较多地节省混凝土用量，减轻拱体自重和桥墩、桥台的工程量。通常为无铰拱、也可用两铰拱。拱肋材料一般采用混凝土、钢筋混凝土或者钢管混凝土。2023/2/1850BRIDGE拱肋的截面型式分为实体矩形、工字形、箱形、管形以及组合形状等。矩形截面具有构造简单、施工方便等优点，但经济性差，一般仅用于中小跨径的肋拱。工字形截面抗弯能力更大，适合于拱内弯矩更大的场合，常用于中等跨径。当肋拱桥跨径大、桥面宽时，可采用箱形截面，这样就可以减少更多的圬工体积。2023/2/1851BRIDGE钢管混凝土拱肋横截面型式，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。拱肋通常做成等高、等宽截面，以方便加工制作。钢管直径及壁厚尺寸将直接影响结构的强度，考虑到防腐等要求，壁厚不宜小于12mm。钢管内宜填高强混凝土，以充分发挥钢管混凝土构件的套箍作用。2023/2/1852BRIDGE2.2.1.3 双曲拱拱圈由拱肋，拱波，拱板和横向联系几个部分组成。主拱圈的形式有单波，多波，多波高低肋等。拱肋截面有矩型，倒T形，工字形，L形，薄壁箱形等。1969年江苏无锡卫东桥 2023/2/1853BRIDGE特点：施工时先将拱圈划分为四部分，并预制拱肋、拱波和横向联系，即化整为零；然后吊装钢筋混凝土拱肋成拱，并与横向联系组成拱形框架，再在拱肋间安装拱波，并浇筑拱板混凝土，形成主拱圈，即集零为整；充分利用预制装配施工方法，适用于无支架施工和无大型起吊机具的情况。2023/2/1854BRIDGE2.2.1.4 箱形拱主拱圈（肋）截面由一个闭合箱（单室箱）或几个闭合箱（多室箱）构成的拱称为箱形拱。每一个闭合箱又由箱壁（侧板）、顶板（盖板）、底板及横隔板组成。2023/2/1855BRIDGE箱形拱的主要特点：截面挖空率大，可节省大量圬工体积，减轻重量；箱形截面的中性轴大致居中，对于抵抗正负弯矩具有几乎相等的能力，能较好地适应主拱圈各截面正负弯矩变化的需要；由于是闭合空心截面，抗弯和抗扭刚度大，拱圈的整体性好，应力分布较均匀；单条箱肋刚度较大，稳定性较好，能单箱肋成拱，便于进行无支架吊装；制作要求较高，需要较大的吊装设备，主要用于大跨径拱桥。2023/2/1856BRIDGE箱形拱截面组成方式由多条U形肋组成的多室箱形截面：U形肋的优点是吊装质量小；缺点是刚度不够大，稳定性较差。多条工字形肋组成的多室箱形截面：这种截面优点是施工工序少；缺点是横向刚度小，稳定性较差。由多条闭合箱肋组成的多室箱形截面：可节省大量模板，提高工效，构件较薄。闭合箱的抗弯、抗扭刚度大，吊装过程中的稳定性容易得到保证。整体式单箱多室截面：这种截面形式主要用于不能采用预制吊装的特大型拱桥。2023/2/1857BRIDGE拱圈截面尺寸拟定拱圈的高度主要取决于拱的跨度，还与拱圈所用混凝土强度有很大关系，一般通过试算确定；在初拟时可取跨径的1/551/75，或者按经验公式估算。箱形板拱的拱圈宽度拟定与板拱相同，拱圈宽度一般可为桥宽的0.61.0倍。拱圈宽度确定后，在横向划分为几个箱肋，主要取决于(缆索)吊装能力。一般箱肋宽度为1.2m1.7m。2023/2/1858BRIDGE2.2.2 拱上建筑的构造主拱圈以上部分的桥面系和这些传载构件或填充物统称为拱上建筑。拱上建筑的型式，一般分为实腹式和空腹式两类。实腹式拱上建筑的特点是构造简单，施工方便，填料数量较多，恒载较重，所以一般用于小跨径的板拱桥。空腹式拱上建筑重量小、结构轻巧，适合于大、中跨径拱桥，特别是矢高较大的拱桥。选择拱上建筑的构造型式要考虑桥型美观和结构的受力及变形的适应性。2023/2/1859BRIDGE实腹式拱上建筑由拱上填料、侧墙、护拱、变形缝、防水层、泄水管和桥面系组成。2023/2/1860BRIDGE实腹式拱上建筑根据所选填料及其构造特点，拱上填料分为填充式和砌筑式两种。填充式拱上建筑是在拱圈两侧筑以侧墙，内部填充填料。填料起到填空、传力的作用。砌筑式拱腹就是在不易取得填料时采用的一种干砌圬工或浇筑素混凝土的方式。若采用浇筑素混凝土的方式，则往往可以不设侧墙。2023/2/1861BRIDGE空腹式拱上建筑由多跨腹孔构造、腹孔墩和桥面结构组成。在腹孔布置中有带实腹段式和全空腹式两种形式。腹孔结构分为拱式腹孔和梁式腹孔两种。2023/2/1862BRIDGE拱式拱上建筑特点是构造简单，外形美观，但质量较大，一般用于圬工拱桥。带实腹段式的腹孔布置。全空腹式的腹孔布置。腹孔跨径的确定主要应考虑主拱的受力需要。对中小跨径拱桥一般选用2.5m5.5m为宜。对大跨径拱桥则控制在主拱跨径的1/81/15之间。2023/2/1863BRIDGE拱式拱上建筑腹孔墩腹孔墩由底梁、墩身和墩帽组成。腹孔墩可采用横墙式或排架式两种。横墙式腹孔墩为横墙式墩身，施工简便，节省钢材，一般用圬工材料砌筑或现浇混凝土形成。排架式腹孔墩采用立柱式墩身，以倒角的矩形断面钢筋混凝土盖梁作为墩帽。2023/2/1864BRIDGE腹孔与墩台的连接有两种做法：一种是将腹孔的拱脚直接支承在墩台上；一种是跨过墩顶，使桥墩两侧的腹孔相连。腹拱圈在拱上建筑需要设置伸缩缝或变形缝的地方应设铰(三铰或两铰)，其余为无铰拱。由于拱圈受力后变形较大，而墩台刚度较大、变形较小，容易造成第一个腹拱因拱脚变形而开裂，因而靠近墩台的第一个腹拱应做成三铰拱。2023/2/1865BRIDGE梁式拱上建筑采用梁式拱上建筑，可使桥梁造型轻巧美观，减轻拱上重力和地基承压力，以便获得更好的经济效果。大跨径混凝土拱桥一般都采用梁式拱上建筑。梁式腹孔结构有简支、连续或框架式多种。不同的腹孔结构型式使拱上建筑参与主拱联合作用的程度不相同。2023/2/1866BRIDGE2.2.3 拱桥的其他细部构造v拱铰：拱桥中需要设铰的有以下几种情况：主拱圈按两铰拱或三铰拱设计。腹拱圈按构造要求需要采用两铰或三铰拱。高度较小的腹孔墩上、下端与顶梁、底梁连接处。在施工过程中，为消除或减小主拱圈的部分附加内力，以及对主拱圈内力做适当调整时，往往在拱脚或拱顶设临时铰。铰的形式可按照其所处的位置、受力大小、使用材料等条件综合选定，常用的形式有弧形铰、平铰以及各种形式的假铰。2023/2/1867BRIDGE弧形铰一般用钢筋混凝土、混凝土和石料等做成。主要用于主拱圈的拱铰。拱桥在采用转体方法施工时，为使桥体顺利转动，在拱脚需设置球面弧形铰。2023/2/1868BRIDGE铅垫铰：利用铅的塑性变形实现铰的功能。主要用于中小跨径的板拱或肋拱，也可用作临时铰。平铰：就是构件两平端面直接抵承，其接缝铺一层低标号砂浆，也可垫衬油毛毡或直接干砌。一般用在空腹式的腹拱圈上。2023/2/1869BRIDGE不完全铰：多用在小跨径或轻型的拱圈以及空腹式拱桥的腹孔墩柱上，其构造是将拱截面突然减小，以实现该截面的转动。钢铰：通常是由钢材做成理想铰。钢铰除了用于少数有铰钢拱桥的永久性铰结构外，更多的用于施工需要的临时铰。2023/2/1870BRIDGE拱上填料、桥面铺装拱上填料的设置可以扩大车辆荷载作用的面积，同时还可以减小车辆荷载对拱圈的冲击，不过同时也增加了拱桥的恒载。现行桥规规定，当拱上填料厚度(包括桥面铺装厚度)不小于500mm时，设计计算中不计汽车荷载的冲击力。2023/2/1871BRIDGE伸缩缝、变形缝通常在相对变形较大的位置设置伸缩缝，在相对变形较小处设置变形缝。伸缩缝宽度一般为2cm3cm，施工时在缝内填入用锯末与沥青按1：1的质量比制成预制板，也可用沥青砂等其他材料填缝；变形缝不留缝宽，其缝可干砌、用油毛毡隔开或用低标号砂浆砌筑。对小跨径实腹拱，伸缩缝设在两拱脚的上方，并在横桥向贯通。2023/2/1872BRIDGE对拱式空腹拱桥，通常将紧靠墩的第一个腹拱做成三铰拱，并在紧靠墩的拱铰上方设置伸缩缝，而其余两铰上方设置变形缝。对特大跨径拱桥，还应将靠拱顶的腹拱做成两铰或三铰拱，并在拱铰上方也设置变形缝。对连续梁式腹孔，通常是在桥台和墩顶立柱处设置标准伸缩缝，而在其余立柱处采用桥面连续。2023/2/1873BRIDGE排水与防水对于拱桥，不仅要求将桥面雨水及时排除，而且要求将透过桥面铺装渗入到拱腹的雨水及时排除。实腹式拱桥防水层应沿拱背护拱、侧墙铺设。如果是单孔，可以不设泄水管，积水沿防水层流至两个桥台后面的盲沟，然后沿盲沟排出路堤。如果是多孔拱桥，可在1/4跨径处设泄水管。对空腹式拱桥应沿腹拱上方与主拱圈实腹段的拱背布置防水层及泄水管。2023/2/1874BRIDGE2.2.4 中承及下承式拱桥的构造要点中承式拱桥一般由拱肋、纵梁（桥面板）、横梁、吊杆和立柱等部分组成。下承式拱桥不包含立柱。桥面系和吊杆等这些传力构件统称为悬吊结构。2023/2/1875BRIDGE2023/2/1876BRIDGE中承式和下承式拱桥的适用场合桥梁建筑高度受到严格限制时，可采用中、下承式拱桥满足桥下净空要求。在不等跨的多孔连续拱桥中，为了平衡桥墩左右受到的永久作用推力，将较大跨径的一孔矢高加大，做成中承式的拱桥，可以减小大跨径孔的水平推力。在平坦地区的河流上，采用中、下承式拱桥，可降低桥面高度，改善桥梁两端引道的接线纵坡，减小引道的工程数量。适合于在有美观要求的旅游地区或城市景点修建。在地质条件较差，但又需修建拱桥的地区，比如在软土地基上，可以采用“飞燕式”的大跨径拱桥。2023/2/1877BRIDGE拱肋拱肋是中承及下承式拱桥的主要承重构件。拱肋结构的常用材料是钢筋混凝土、钢管混凝土、劲性骨架混凝土或者纯钢材。中、下承式肋拱的结构自重分布比较均匀，拱轴线形一般采用二次抛物线或低拱轴系数的悬链线。2023/2/1878BRIDGE拱肋截面可以为等截面或变截面。有时为了增强肋拱的横向刚度和稳定性，可将拱脚段的肋宽增大。中、下承式拱桥的拱肋一般为无铰拱，拱肋的矢跨比取值在1/41/7。钢筋混凝土拱肋的截面形状根据跨径大小、荷载等级和结构的总体尺寸，可以采用矩形、工字形和箱形。矩形截面的拱肋施工简单，一般用于中小跨径拱桥，拱肋高度通常为跨径的1/501/70，肋宽一般为肋高的0.51.0倍。工字形和箱形截面常用于大跨径的拱肋，拱肋截面高可先取跨径的1/50左右，然后根据试算调整。2023/2/1879BRIDGE横向联系（横撑）横向联系的主要作用是将拱肋联接成整体，确保结构稳定。横向联系的宽度不应小于其长度的1/15。主要设置在拱顶、拱脚、拱肋与桥面系交接处。2023/2/1880BRIDGE2023/2/1881BRIDGE吊杆桥面系悬挂在吊杆上，吊杆主要承受拉力，根据其自身刚度不同分刚性吊杆和柔性吊杆。刚性吊杆用钢筋混凝土或预应力混凝土制作。使用刚性吊杆可以增强肋拱的横向刚度，但施工复杂，用钢量多。柔性吊杆用冷轧粗钢筋、钢丝绳、高强钢丝或钢绞线等高强钢材制作。使用柔性吊杆可以部分消除拱肋与桥面系之间的互相影响，且节省钢材。吊杆的间距一般根据构造要求和经济、美观等因素决定。吊杆的间距即为行车道纵梁的跨径。一般吊杆的间距为410m，通常吊杆等间距布置。为了防止车辆撞击吊杆，可在靠行车道一侧设置防撞栏杆。2023/2/1882BRIDGE横梁中承式拱桥的桥面横梁可分为固定横梁、普通横梁及刚架横梁三类。固定横梁是指桥面系与拱肋相交处的横梁，一般与拱肋刚性联结，其截面尺寸与刚度远比其他横梁大。常用的截面形式有工字形、不对称工字形和三角形等。2023/2/1883BRIDGE普通横梁是指通过吊杆悬挂在拱肋下的横梁。常用截面形式有矩形、工字形或土字形。一般为钢筋混凝土构件，跨度较大时，也可采用预应力混凝土构件。2023/2/1884BRIDGE刚架横梁是指中承式拱桥通过立柱支承在拱肋上的横梁。拱上门式刚架由拱上立柱和刚架横梁组成。拱上立柱与拱肋的连接可分为刚接和铰接。刚接时立柱底部的钢筋应插入拱肋且与拱肋主筋绑扎牢固；铰接时一般采用混凝土铰。2023/2/1885BRIDGE纵梁和桥面板行车道系由横、纵梁和桥面板组成。横梁通过吊杆悬吊在拱肋上，在横梁上面纵向铺设行车道板，在行车道板上铺桥面铺装、安设人行道和栏杆，形成桥面系统。行车道一般布置在两拱肋之间，将人行道布置在吊杆的外侧。高速公路上的桥也有仅在中央分隔带上设置一片拱肋的单承重结构，行车道分设在两侧，有利安全行车且造型美观、轻巧，施工方便。为避免桥面系因受拱肋变形作用而受到附加拉伸，需在桥面系与拱肋相交的地方设置断缝。2023/2/1886BRIDGE2.3 组合体系拱桥的构造v2.3.1 桁架拱桥又称拱形桁架桥，桁架拱桥的上部结构一般由桁架拱片、横向联结系和桥面三部分组成。1976浙江宁海75米越溪桥2023/2/1887BRIDGE桁架拱片是桁架拱桥的主要承重结构，由上弦杆、腹杆、下弦杆和拱顶实腹段组成。下弦杆为拱形，上弦杆一般与桥道结构组合成整体而共同工作。跨中部分的上、下弦杆距离很近而做成实腹段。2023/2/1888BRIDGE特点：桁架拱桥是一种具有水平推力的桁架结构，使跨中实腹段受压，空腹段的桁架杆件主要承受轴向力。桁架拱具有结构受力合理，整体性强，节省材料，自重较轻等特点，对软土地基有较好的适应性。桁架拱桥的构件除桥面外大部分都可预制，预制构件品种少，施工工序少，因此工期较短。桁架拱桥的缺点是：对构件的预制安装工艺有较高的要求，浇筑和运输桁架拱片须仔细小心；作为钢筋混凝土结构，在一些受拉、受弯部位及刚性节点处，容易开裂，影响整体刚度和耐久性，难以维修养护。桁架拱桥的应用范围以2050m的中等跨径为宜。2023/2/1889BRIDGE根据腹杆的不同布置情况，可分为四种形式三角形腹杆的桁架拱片还可以带竖杆。斜压杆式桁架拱的斜杆受压，竖杆受拉。斜拉杆式桁架拱的斜杆受拉而竖杆受压。竖杆式桁架拱。2023/2/1890BRIDGE2.3.2 刚架拱桥刚架拱桥是在桁架拱桥、斜腿刚架等基础上发展起来的一种桥型结构，属于有推力的高次超静定结构。刚架拱桥具有构件少，自重轻，整体性好，刚度大，施工简便，造价较低，造型美观等优点。1993江西德兴130米太白桥2023/2/1891BRIDGE刚架拱桥的上部结构由刚架拱片、横向联结系和桥面系等部分组成。刚架拱片是刚架拱桥的主要承重结构，一般由跨中实腹段、空腹段的次梁、主拱腿、次拱腿等构成。2023/2/1892BRIDGE总体布置形式主要与桥梁跨径、荷载大小等有关。当跨径小于25m时，可采用只设主拱腿、不设次拱腿的最简单形式；当跨径在25m70m时，为了减小空腹段次梁的跨径，可以设置一根次拱腿；随着跨径的增大，可设置多根斜撑。斜撑可以都直接支承在桥墩(台)上，也可以将次拱腿支承在主拱腿上，以减小次拱腿的长度。2023/2/1893BRIDGE主梁和主拱腿的交接处称为主节点，次梁和次拱腿的交接处称为次节点。节点构造一般均按固结设计。根据不同的施工条件，刚架拱片可以采用现浇或预制安装的方法施工，目前大多数采用后者。设置横向联系可以使得刚架拱片联成整体共同受力，并保证横向稳定性。横向联系可采用预制装配式的横系梁或横隔板。一般在刚架拱片的跨中，主节点、次节点，次梁端部等处设置横系梁。桥面系可由预制微弯板、现浇混凝土填平层，桥面铺装等部分组成，也可采用预制空心板、现浇混凝土层及桥面铺装构成。2023/2/1894BRIDGE2.3.3 梁拱组合体系桥梁v简支梁拱组合式桥梁使用较广泛，整体上属于外部静定、内部高次超静定结构，兼有拱桥跨越能力较大和简支梁桥对地基适应能力强的特点。其结构组成包括拱肋、系杆、吊杆、行车道板及桥面系等。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2023/2/1895BRIDGE用斜吊杆来代替竖直吊杆时称为尼尔森拱v单悬臂梁拱组合式桥梁只适用于上承式，采用转体施工特别方便。2023/2/1896BRIDGE连续梁拱组合式桥梁可以是上承式、中承式及下承式，也可以是多肋拱、双肋拱或单肋拱与加劲梁组合。这种桥型本身刚度大，跨越能力大，造型美观。2023/2/1897BRIDGE拱肋对于柔性系杆刚性拱，拱肋的构造和截面型式基本上可参考普通的下承式肋拱桥，矢跨比一般在1/41/5之间。拱肋截面可选用矩形、工字形或箱形。刚性系杆柔性拱以梁为受力主体，矢跨比通常为1/51/7。拱肋截面常采用宽矮实心矩形断面。若采用刚性吊杆，则可设计成敞口桥，使视野开阔。拱轴线通常采用二次抛物线。在刚性系杆刚性拱中，拱轴线常采用二次抛物线。为了方便支承节点处的构造连接，常将拱肋和系杆设计成相同的截面形式。拱肋截面可选用工字形，当跨径较大时，常采用箱形截面。2023/2/1898BRIDGE系杆2023/2/1899BRIDGE第三章 拱桥的计算v3.1 概述在拱桥总体布置、细部尺寸、施工方案等确定后，需进行拱桥计算。计算内容包括确定拱轴线，成桥状态受力分析和强度、刚度、稳定验算以及必要的动力分析，施工阶段结构受力分析和验算。拱桥通常为超静定的空间结构，当活载作用于桥跨结构时，拱上建筑参与主拱圈受力，共同承受活载的作用，这种现象被称为“拱上建筑与拱的联合作用”，简称“联合作用”。2023/2/18100BRIDGE在横桥方向，不论活载作用在何处，在桥梁的横断面上都会出现应力分布的不均匀现象，称为“活载的横向分布”。拱上建筑为墙式墩的板拱（包括双曲板拱、箱形截面板拱），如活载横桥向布置不超过拱圈以外，活载可均匀分布于拱圈全宽。拱上建筑为立柱排架式墩的板拱，以及横向由多个构件组成的肋拱，应考虑荷载横向分布的影响。对于双肋拱桥，一般可偏安全地用杠杆原理法计算；对于多肋拱桥，窄桥可采用刚性横梁法计算，宽桥可按弹性支承连续梁（考虑横梁的柔性）计算。2023/2/18101BRIDGE3.2 简单体系拱桥的计算v3.2.1 悬链线拱轴方程及几何性质设拱轴线为恒载压力线，则拱顶截面的内力为：弯矩 Md=0剪力 Qd=0恒载推力为Hg对拱脚截面取矩，有:半拱恒载对拱脚的弯矩计算矢高2023/2/18102BRIDGE对任意截面取矩：对x求导两次得恒载压力线的基本微分方程式为：任意点的恒载集度gx可以表示为：式中：gd拱顶恒载集度；拱上材料重力密度。则拱脚处恒载强度，gj可以表示为：任意截面以右的全部恒载对该截面的弯矩值2023/2/18103BRIDGE定义拱轴系数m：将上式代入恒载压力线的基本微分方程式，并引入参数x=l1，可得：令：则：2023/2/18104BRIDGE解此二阶非齐次常系数线性微分方程得到拱轴线方程为：上式即为悬链线方程。可以看出，当拱的矢跨比确定以后，悬链线的形状取决于拱轴系数m。拱脚截面有：=1，y1=f：当m1时，则gx=gd，恒载是均布荷载。在均布荷载作用下的压力线为二次抛物线，其方程为：y1=f2。双曲余弦函数：2023/2/18105BRIDGE实腹式悬链线拱的拱轴系数的确定方法拱顶和拱脚的荷载集度分别为：其中需用逐次逼近法确定m值：先根据跨径和矢高假定一个合适的m0值，由拱桥附录表()-20查得cosj值，代入上式求得gj后，即可求出m值。然后与假定的m值比较，如m0m，即取m0；如两者出入较大，则以计算所得m值作为m0，重新进行计算，直到两者接近为止。2023/2/18106BRIDGE当=1/2时，拱跨1/4点的纵坐标y1=y1/4，代入悬链线公式得y1/4与m的关系为：y1/4随m的增大而减小（拱轴线抬高），随m减小而增大（拱轴线降低）。2023/2/18107BRIDGE空腹式悬链线拱的拱轴系数确定方法在设计空腹式拱桥时，由于悬链线的受力情况较好，又有完整的计算表格可供利用，故多用悬链线作为拱轴线。为使悬链线拱轴与其恒载压力线接近，一般采用“五点重合法”确定悬链线拱轴的m值。即要求拱轴线在全拱有五点(拱顶、两1/4点和两拱脚)与其相应的三铰拱的恒载压力线重合。对1/4点和拱脚取矩，并令力矩为零，2023/2/18108BRIDGE等截面悬链线拱主拱圈恒载对1/4及拱脚截面的弯矩M1/4，Mj可由拱桥（上）表()19查得。空腹式拱桥的m值，仍可按逐次渐近法确定。即先假定一个m值，定出拱轴线，作图布置拱上建筑，然后计算拱圈和拱上建筑恒载对1/4和拱脚截面的力矩M1/4和Mj，利用公式算出m值，如与假定的m值不符，则应以求得的m值作为假定值，重新计算，直至两者接近为止。用上述方法确定的空腹拱拱轴线，仅保证了全拱有五点与恒载压力线(不计弹性压缩)相吻合，在其他截面，拱轴线与其相应的三铰拱的恒载压力线都有不同程度的偏离。2023/2/18109BRIDGE 悬链线无铰拱的弹性中心：在计算无铰拱的内力（恒载、活载、温度变化、混凝土收缩和拱脚变位等）时，为了简化计算，常利用拱的弹性中心的概念，目的是将求解三个赘余力的联立方程问题解耦，从而变为解三个独立的一元一次方程的问题。三个赘余力的典型方程：赘余力中弯矩X1和轴力X2 是