拱桥计算(该看).ppt

第三章第三章 拱桥计算拱桥计算（Calculation of Arch Bridges）第一节、第一节、概述概述第二节、普通型上承式拱桥计算第二节、普通型上承式拱桥计算第四节、中下承式钢筋混凝土拱桥计算第四节、中下承式钢筋混凝土拱桥计算第五节、钢管混凝土拱桥计算第五节、钢管混凝土拱桥计算 第一节、第一节、概述概述1 1、联合作用：、联合作用：荷载作用下拱上建筑参与主拱圈共同受力；荷载作用下拱上建筑参与主拱圈共同受力；（1 1）联合作用与拱上建筑形式有关：拱式拱上建筑联合作）联合作用与拱上建筑形式有关：拱式拱上建筑联合作用大，梁式拱上建筑联合作用小；对于拱式拱上建筑，用大，梁式拱上建筑联合作用小；对于拱式拱上建筑，腹拱圈相对主拱圈刚度越大，联合作用越显著腹拱圈相对主拱圈刚度越大，联合作用越显著（2 2）联合作用与施工程序有关：如有支架施工时落架时间）联合作用与施工程序有关：如有支架施工时落架时间不同，联合作用也不同；不同，联合作用也不同；（3 3）同一拱桥中，主拱拱不同部位受联合作用的影响也不）同一拱桥中，主拱拱不同部位受联合作用的影响也不一样，通常拱脚及一样，通常拱脚及L/8L/8截面受联合作用的影响大，拱顶截面受联合作用的影响大，拱顶则小；则小；（4 4）计算中可根据联合作用的大小选择计算图式。主拱圈）计算中可根据联合作用的大小选择计算图式。主拱圈不计联合作用的计算不计联合作用的计算偏于安全偏于安全，但拱上结构不安全；，但拱上结构不安全；第一节第一节 概述概述2 2、活载横向分布、活载横向分布：活载作用在桥面上使主拱截面应力不均匀的现象。在板拱情况下常常不计荷载横向分布，认为主拱圈全宽均匀承担荷载。肋拱桥则需考虑横向分布的影响。3 内力叠加法与应力叠加法：应力叠加法考虑加载历史，认为材料是在弹性限度内，内力叠加法按一次成形、一次加载计算，不考虑应力累加历史。如果考虑材料的塑性变形、收缩徐变引起的内力重分布，则内力叠加法也有其合理性。设计中常在施工阶段采用应力叠加法，成桥阶段采用内力叠加法。4 4、关于非线性的考虑、关于非线性的考虑 以弹性理论为基础的主拱内力计算方法存在的问题是：没有考虑拱脚推力与主拱挠度相互作用对拱内力的影响；未考虑主拱轴力与主拱压缩变形之间的相互影响，而只简单地考虑了弹性压缩。对于非线性问题，可以采用考虑材料及几何非线性的因素的非线性有限元方法计算，也可采用弯矩增大系数法考虑二阶效应。5 拱桥稳定性分析：包括纵向稳定及横向稳定。有一类稳定及二类稳定问题。6 6、拱桥计算主要内容、拱桥计算主要内容（1 1）成桥状态成桥状态（恒载和活载作用）的强度、刚（恒载和活载作用）的强度、刚度、稳定性验算及必要的动力计算；度、稳定性验算及必要的动力计算；（2 2）施工阶段施工阶段结构受力计算和验算（强度及稳结构受力计算和验算（强度及稳定性验算）定性验算）7 7、计算方法、计算方法：手算和程序计算。第二节第二节 普通型上承式拱桥计算普通型上承式拱桥计算 一、拱轴线的选择与确定一、拱轴线的选择与确定 二、主拱圈恒载与使用荷载内力计算二、主拱圈恒载与使用荷载内力计算 三、主拱附加内力计算三、主拱附加内力计算 四、主拱在横向水平力及偏心荷载作用下的计算四、主拱在横向水平力及偏心荷载作用下的计算 五、拱上建筑的计算五、拱上建筑的计算 六、连拱简化计算六、连拱简化计算 七、拱桥动力及抗震计算要点七、拱桥动力及抗震计算要点 八、主拱内力调整八、主拱内力调整 九、主拱圈验算九、主拱圈验算 一、拱轴线的选择与确定几个名词：几个名词：压力线压力线：荷载作用下拱圈截面上弯矩为零的合力作用：荷载作用下拱圈截面上弯矩为零的合力作用点连线；点连线；恒载压力线恒载压力线：恒载作用下拱圈截面合力作用点连线；：恒载作用下拱圈截面合力作用点连线；理想拱轴线理想拱轴线：与各种荷载压力线重合的拱轴线；：与各种荷载压力线重合的拱轴线；合理拱轴线合理拱轴线：不同荷载情况下，拱截面上弯矩包络线：不同荷载情况下，拱截面上弯矩包络线尽量趋于均匀，能充分发挥材料性能的拱轴线；尽量趋于均匀，能充分发挥材料性能的拱轴线；选择拱轴线的原则选择拱轴线的原则：尽量降低荷载弯矩值；考虑拱轴：尽量降低荷载弯矩值；考虑拱轴线外形与施工简便等因素。线外形与施工简便等因素。u拱轴线的形状直接影响主截面的内力分布与大小，选择拱轴线的原则：尽可能减小主拱圈的弯矩，同时考虑拱轴线外形与考虑拱轴线外形与施工简便等因素。施工简便等因素。u实际工程中由于活载、主拱圈弹性压缩以及温度、收缩等因素的作用，不存在理想拱轴线（或者说压力线与拱轴线不可能是吻合的）。u根据混凝土拱桥恒载比重大的特点，在实用中一般采用恒载压力线作为拱轴线，恒载作用愈大，这种选择就愈显得合理。u对于活载较大的铁路混凝土拱桥，则可考虑采用恒载加一半活载（全桥均布）的压力线作为拱轴线。拱轴线的选择选择原则：选择原则：尽可能降低荷载弯矩值尽可能降低荷载弯矩值三种拱轴线形三种拱轴线形：（1 1）圆弧线）圆弧线-15m-20m-15m-20m石拱桥、拱上腹拱石拱桥、拱上腹拱（2 2）抛物线）抛物线-轻型拱桥，或中承式拱桥轻型拱桥，或中承式拱桥（3 3）悬链线）悬链线-最常用最常用的拱轴线的拱轴线1、圆弧线（1 1）圆弧线拱轴线线形简单，）圆弧线拱轴线线形简单，全拱曲率相同，施工方便：全拱曲率相同，施工方便：（2 2）已知）已知f,lf,l时，利用上述关时，利用上述关系计算各种几何量。系计算各种几何量。圆弧形拱轴线是对应于同一深度静圆弧形拱轴线是对应于同一深度静水压力下的压力线，与实际的恒载水压力下的压力线，与实际的恒载压力线有偏离。压力线有偏离。一、拱轴线的选择与确定在均匀荷载作用下，拱的合理拱轴线的二次抛物在均匀荷载作用下，拱的合理拱轴线的二次抛物线，适宜于恒载分布比较均匀的拱桥，拱轴线方线，适宜于恒载分布比较均匀的拱桥，拱轴线方程为程为在一些大跨径拱桥中，也采用高次抛物线作为拱在一些大跨径拱桥中，也采用高次抛物线作为拱轴线，例如轴线，例如KRKKRK大桥采用了三次抛物线。大桥采用了三次抛物线。2、抛物线一、拱轴线的选择与确定实腹式拱桥的实腹式拱桥的恒载集度恒载集度是由拱顶到拱脚连续是由拱顶到拱脚连续分布、逐渐增大的，其恒载压力线是一条悬分布、逐渐增大的，其恒载压力线是一条悬链线。链线。空腹式拱桥恒载的变化空腹式拱桥恒载的变化不是连续不是连续的函数，如的函数，如果要与压力线重合，则拱轴线非常复杂。果要与压力线重合，则拱轴线非常复杂。3、悬链线一、拱轴线的选择与确定3、悬链线 五点重合法：使拱轴线和压力线在五点重合法：使拱轴线和压力线在拱脚、拱拱脚、拱顶和顶和1/41/4点点重合来选择悬链线拱轴线的方法，重合来选择悬链线拱轴线的方法，这样计算方便。这样计算方便。目前大中跨径的拱桥都普遍采用悬链线拱轴目前大中跨径的拱桥都普遍采用悬链线拱轴线形，采用悬链线拱轴线对空腹式拱桥线形，采用悬链线拱轴线对空腹式拱桥主主拱受力是有利的拱受力是有利的。3、悬链线一、拱轴线的选择与确定1）拱轴方程的建立（1 1）坐标系的建立：拱顶为原点，）坐标系的建立：拱顶为原点，y1y1向下为正；向下为正；（2 2）对主拱的受力分析）对主拱的受力分析1）拱轴方程的建立（2）对主拱的受力分析 恒载集度：恒载集度：拱顶轴力：拱顶轴力：，因拱顶因拱顶 对拱脚截面取矩：对拱脚截面取矩：对任意截面取矩：对任意截面取矩：1）拱轴方程的建立（3）恒载压力线基本微分方程的建立 对 两边求导得：为简化结果引入参数 1）拱轴方程的建立（4）基本微分方程的求解二阶非齐次常系数微分方程的通解为微分方程的特解为：边界条件：悬链线方程为：1）拱轴方程的建立（4）基本微分方程的求解拱的跨径和矢高确定后，拱轴线坐标取决于拱的跨径和矢高确定后，拱轴线坐标取决于m m，各种不同，各种不同m m，所对应的拱轴坐标可由，所对应的拱轴坐标可由拱桥（上）拱桥（上）第第575575页附录页附录IIIIII表表(III)-1(III)-1查出查出1）拱轴方程的建立（5）三个特殊关系，2）拱轴系数的确定（1）实腹式拱桥拱轴系数的确定分别为拱顶填料、主拱圈和拱腹填料的容重；分别为拱顶填料、主拱圈和拱腹填料的容重；分别为拱顶填料厚度、主拱圈厚度、拱脚拱腹填料厚度分别为拱顶填料厚度、主拱圈厚度、拱脚拱腹填料厚度及拱脚处拱轴线水平倾角。及拱脚处拱轴线水平倾角。2）拱轴系数的确定（1）实腹式拱桥拱轴系数的确定确定拱轴系数的步骤：确定拱轴系数的步骤：假定m从拱桥（上）拱桥（上）第第10001000页附录页附录IIIIII表表(III)-20(III)-20查查由（由（1-2-251-2-25）式计算新的）式计算新的m m若计算的若计算的m m 和假定和假定m m 相差较远，则再次计算相差较远，则再次计算m m 值值直到前后两次计算接近为止。直到前后两次计算接近为止。以上过程可以编制小程序计算。以上过程可以编制小程序计算。2）拱轴系数的确定（2）空腹式拱桥拱轴系数的确定拱轴线变化拱轴线变化：空腹式拱中桥跨结构恒：空腹式拱中桥跨结构恒载分为两部分：分布恒载和集中恒载。载分为两部分：分布恒载和集中恒载。恒载压力线不是悬链线，也不是一条光恒载压力线不是悬链线，也不是一条光滑曲线。滑曲线。五点重合法五点重合法：使悬链线拱轴线接近其：使悬链线拱轴线接近其恒载压力线，即要求拱轴线在全拱有恒载压力线，即要求拱轴线在全拱有5 5点（拱顶、拱脚和点（拱顶、拱脚和1/41/4点）与其三铰拱点）与其三铰拱恒载压力线重合。恒载压力线重合。2）拱轴系数的确定（2）空腹式拱桥拱轴系数的确定五点弯矩为零的条件：五点弯矩为零的条件：#1#1、拱顶弯矩为零条件、拱顶弯矩为零条件：，只有轴力#2#2、拱脚弯矩为零、拱脚弯矩为零：#3#3、1/41/4点弯矩为零点弯矩为零：#4、主拱圈恒载主拱圈恒载的可由拱桥（上）拱桥（上）第第988988页页附录附录IIIIII表表(III)-19(III)-19查得查得 拱上建筑恒载在拱脚及1/4点引起的弯矩需根据荷载大小和作用位置计算 2）拱轴系数的确定（2）空腹式拱桥拱轴系数的确定拱轴系数的确定步骤：拱轴系数的确定步骤：#1#1、假定拱轴系数、假定拱轴系数m m#2#2、布置拱上建筑，分别求主拱圈（、布置拱上建筑，分别求主拱圈（查表）查表）和拱上建筑恒载（和拱上建筑恒载（计算）在计算）在拱脚和拱脚和1/4点引起的弯矩，叠加得到：点引起的弯矩，叠加得到：#3#3、利用（、利用（1-2-241-2-24）和（）和（1-2-271-2-27）联立解出）联立解出m m为为#4#4、若计算、若计算m m与假定与假定m m不符，则以计算不符，则以计算m m作为假定值作为假定值m m重新计算，重新计算，直到两者接近为止。直到两者接近为止。2）拱轴系数的确定（3）拱轴线与压力线的偏离三铰拱拱轴线与恒载压力线的偏离值三铰拱拱轴线与恒载压力线的偏离值 以上确定以上确定m m方法只保证全拱有方法只保证全拱有5 5点与恒载压力线吻合，其余各点均存在点与恒载压力线吻合，其余各点均存在偏离，这种偏离会在拱中产生附加内力，对于三铰拱各截面偏离弯矩值偏离，这种偏离会在拱中产生附加内力，对于三铰拱各截面偏离弯矩值可用拱轴线与压力线在该截面的偏离值表示，即空腹式无铰拱的拱轴线与压力线的偏离空腹式无铰拱的拱轴线与压力线的偏离对于无铰拱，偏离弯矩的大小不能用对于无铰拱，偏离弯矩的大小不能用表示，而应以该偏离弯矩作为荷载计算无铰拱的偏离弯矩；表示，而应以该偏离弯矩作为荷载计算无铰拱的偏离弯矩；2）拱轴系数的确定（3）拱轴线与压力线的偏离由结构力学知，荷载作用在基本结构上引起弹性中心的赘余力为：由结构力学知，荷载作用在基本结构上引起弹性中心的赘余力为：其中其值较小其值恒正（压）2）拱轴系数的确定（3）拱轴线与压力线的偏离任意截面之偏离弯矩为：任意截面之偏离弯矩为：拱顶和拱脚弯矩为：拱顶和拱脚弯矩为：是弹性中心至拱顶的距离是弹性中心至拱顶的距离。空腹式无铰拱采用五点重合法确定拱轴线，是与相应的三铰拱空腹式无铰拱采用五点重合法确定拱轴线，是与相应的三铰拱压力线在五点重合，而与无铰拱压力线实际上并不存在五点重压力线在五点重合，而与无铰拱压力线实际上并不存在五点重合关系。但合关系。但偏离弯矩恰好与控制截面弯矩符号相反偏离弯矩恰好与控制截面弯矩符号相反，因而，因而，偏偏离弯矩对拱脚及拱顶是有利的离弯矩对拱脚及拱顶是有利的。2）拱轴系数的确定（4 4）拱轴系数取值与拱上恒载分布的关系）拱轴系数取值与拱上恒载分布的关系矢跨比大，拱轴系数相应取大；矢跨比大，拱轴系数相应取大；空腹拱的拱轴系数比实腹拱的小空腹拱的拱轴系数比实腹拱的小 ；对于无支架施工的拱桥，裸拱对于无支架施工的拱桥，裸拱,为了改善裸拱受力状态，设计时宜选较小为了改善裸拱受力状态，设计时宜选较小的拱轴系数；的拱轴系数；矢跨比不变，高填土拱桥选小矢跨比不变，高填土拱桥选小，低填土拱桥选较大低填土拱桥选较大3）拱轴线的水平倾角对拱轴线方程求导得：拱轴线各点水平倾角只与f/l和m有关，该值可从拱桥（上）第第577577页页表（III）-2查得。4）悬链线无铰拱的弹性中心4）悬链线无铰拱的弹性中心计算无铰拱内力时，为简化计算常利用计算无铰拱内力时，为简化计算常利用弹性中心弹性中心的特的特点；将无铰拱基本结构取为点；将无铰拱基本结构取为悬臂曲梁悬臂曲梁和和简支曲梁简支曲梁。可从拱桥（上）可从拱桥（上）第第579579页表页表（IIIIII）-3-3查得查得。4、拟合拱轴线（1 1）必要性和可行性）必要性和可行性 确定拱轴线的特点是采用确定拱轴线的特点是采用五点重合法五点重合法，即利用，即利用拱轴线的五点来逼近压力线，但随着桥梁跨度的增拱轴线的五点来逼近压力线，但随着桥梁跨度的增大，五点显得越来越少，一些截面偏离弯矩较大，大，五点显得越来越少，一些截面偏离弯矩较大，有必要采取有必要采取多点重合法多点重合法来逼近压力线。来逼近压力线。随着现代结构分析理论发展和计算技术在桥梁随着现代结构分析理论发展和计算技术在桥梁设计中广泛应用，通过设计中广泛应用，通过优化拟合优化拟合而成的某一曲线作而成的某一曲线作为拱轴线成为可能，目前常用的拟合方法有：最小为拱轴线成为可能，目前常用的拟合方法有：最小二乘法，样条函数逼近法等二乘法，样条函数逼近法等。4、拟合拱轴线（2 2）确定函数逼近准则）确定函数逼近准则 压力线与拱轴线任意对应点的残差均达到最小残差均达到最小4、拟合拱轴线（3 3）确定约束条件）确定约束条件 我们希望的拱轴线；我们希望的拱轴线；约束条件使之成为较好的拱轴线；约束条件使之成为较好的拱轴线；约束条件包括坐标原点通过拱顶、拱脚竖坐标约束条件包括坐标原点通过拱顶、拱脚竖坐标为矢高，凸曲线的条件等为矢高，凸曲线的条件等。4、拟合拱轴线（4 4）建立拟合数学模型）建立拟合数学模型 将逼近准则与约束条件相结合：拱轴线的拟合可以逐次逼近实现。二、主拱圈恒载与使用荷载内力计算主拱圈恒载与使用荷载内力计算（一）手算法计算拱桥内力（一）手算法计算拱桥内力1 1、等截面悬链线拱恒载内力计算、等截面悬链线拱恒载内力计算2 2、等截面悬链线拱活载内力计算、等截面悬链线拱活载内力计算（一）手算法计算拱桥内力1、等截面悬链线拱恒载内力计算恒载内力、弹性压缩的内力、拱轴线偏离引起的内力恒载内力、弹性压缩的内力、拱轴线偏离引起的内力(1)(1)不考虑弹性压缩的恒载内力不考虑弹性压缩的恒载内力(2)(2)弹性压缩引起的恒载内力弹性压缩引起的恒载内力(3)(3)恒载作用下拱圈的总内力恒载作用下拱圈的总内力(4)(4)用影响线加载法计算恒载内力用影响线加载法计算恒载内力二、主拱圈恒载与使用荷载内力计算主拱圈恒载与使用荷载内力计算（1）不考虑弹性压缩的恒载内力实腹拱认为实腹式拱轴线与压力线完全重合，拱圈中只有轴力认为实腹式拱轴线与压力线完全重合，拱圈中只有轴力而无弯矩，按纯压拱计算：而无弯矩，按纯压拱计算：恒载水平推力：拱脚竖向反力为半拱恒载重力：拱圈各截面轴力：可从拱桥（上）拱桥（上）第第580580页表页表（IIIIII）-4-4查得。（1）不考虑弹性压缩的恒载内力空腹拱 空腹式悬链线无铰拱的拱轴线与压力线均有偏离，计算时分为两部分相叠加：无偏离恒载内力无偏离恒载内力+偏离影响的内力偏离影响的内力=无弹性压缩的恒载内力。无弹性压缩的恒载内力。无偏离恒载内力无偏离恒载内力偏离引起的恒载内力偏离引起的恒载内力二、拱桥内力计算 （1）不考虑弹性压缩的恒载内力空腹拱偏离引起的恒载内力偏离引起的恒载内力 中小跨径空腹拱桥不考虑该值偏于安全；中小跨径空腹拱桥不考虑该值偏于安全；大跨径空腹拱桥对拱顶、拱脚有利，对大跨径空腹拱桥对拱顶、拱脚有利，对1/81/8、3/83/8截面有不利，尤其截面有不利，尤其3/83/8截面往往成为正弯矩控制截面截面往往成为正弯矩控制截面 偏离附加内力大小与拱上恒载布置有关偏离附加内力大小与拱上恒载布置有关 一般腹拱的跨度大，影响大一般腹拱的跨度大，影响大二、拱桥内力计算 （2）弹性压缩引起的恒载内力在恒载轴力作用下，拱圈弹性压缩表现为拱轴长度在恒载轴力作用下，拱圈弹性压缩表现为拱轴长度缩短，这必然会引起相应的附加内力。缩短，这必然会引起相应的附加内力。拱顶变形协调条件拱顶变形协调条件：二、拱桥内力计算 （2）弹性压缩引起的恒载内力 二、拱桥内力计算 （2）弹性压缩引起的恒载内力 上述公式中：可从拱桥（上）第拱桥（上）第581581页表页表（IIIIII）-5-5查得；可从拱桥（上）第拱桥（上）第607607页表（页表（IIIIII）-8-8和第和第609609页表（页表（IIIIII）-10-10查得；和可从拱桥（上）第拱桥（上）第608608页表（页表（IIIIII）-9-9和第和第610610页表页表（IIIIII）-11-11查得；二、拱桥内力计算 （2）弹性压缩引起的恒载内力 的作用在拱内产生的内力为：可见考虑弹性压缩，在拱顶产生正弯矩，压力线上移拱顶产生正弯矩，压力线上移；拱脚产生负弯拱脚产生负弯矩，压力线下移矩，压力线下移。即实际压力线不与拱轴线重合实际压力线不与拱轴线重合。8585桥规桥规规定，对跨径较小，矢跨比较大的拱桥可不计弹性压缩影响：二、拱桥内力计算 （3）恒载作用下拱圈的总内力总内力 不考虑弹性压缩的内力不考虑弹性压缩的内力+弹性压缩产生内力弹性压缩产生内力二、拱桥内力计算 （3）恒载作用下拱圈的总内力总内力 不考虑弹性压缩内力不考虑弹性压缩内力 +弹性压缩内力弹性压缩内力+拱轴偏离内力拱轴偏离内力 二、拱桥内力计算 （一）手算法计算拱桥内力1、等截面悬链线拱恒载内力计算恒载内力、弹性压缩的内力、拱轴线偏离引起的内力恒载内力、弹性压缩的内力、拱轴线偏离引起的内力(1)(1)不考虑弹性压缩的恒载内力不考虑弹性压缩的恒载内力(2)(2)弹性压缩引起的恒载内力弹性压缩引起的恒载内力(3)(3)恒载作用下拱圈的总内力恒载作用下拱圈的总内力(4)(4)用影响线加载法计算恒载内力用影响线加载法计算恒载内力二、拱桥内力计算 （4）用影响线加载法计算恒载内力 为简化可用影响线加载法计算恒载内力，通过影响线和恒为简化可用影响线加载法计算恒载内力，通过影响线和恒载布置形式可制成计算系数表格，供查用，见载布置形式可制成计算系数表格，供查用，见拱桥（上）拱桥（上）第第830973830973页表（页表（IIIIII）-17-17（1 1）1717（144144）。该方法计算分两步：该方法计算分两步：在不计弹性压缩影响线上计算恒载内力得到不计弹性压缩在不计弹性压缩影响线上计算恒载内力得到不计弹性压缩内力；将拱桥恒载分为三部分：空腹拱段集中力，实腹段分内力；将拱桥恒载分为三部分：空腹拱段集中力，实腹段分布力和主拱圈。布力和主拱圈。在不计弹性压缩内力基础上计算弹压内力；然后将这两部在不计弹性压缩内力基础上计算弹压内力；然后将这两部分叠加即为恒载内力。分叠加即为恒载内力。二、拱桥内力计算 （4）用影响线加载法计算恒载内力 二、拱桥内力计算 （4）用影响线加载法计算恒载内力 不计弹性压缩时的恒载计算如下：路面荷载：填料荷载：拱圈重力：空腹拱集中力：式中：是路面、填料和拱圈材料的容重；B,A是拱圈宽度和拱圈截面积；是两半拱相应立柱处内力影响线坐标之和 二、拱桥内力计算 （一）手算法计算拱桥内力（一）手算法计算拱桥内力1 1、等截面悬链线拱恒载内力计算、等截面悬链线拱恒载内力计算2 2、等截面悬链线拱活载内力计算、等截面悬链线拱活载内力计算3 3、等截面悬链线拱其它内力计算、等截面悬链线拱其它内力计算4 4、内力调整、内力调整5 5、考虑几何非线性的拱桥计算简介、考虑几何非线性的拱桥计算简介（二）有限元法计算简介（二）有限元法计算简介（三）拱在横向力及偏心荷载作用下的计算（三）拱在横向力及偏心荷载作用下的计算（四）拱上建筑计算（四）拱上建筑计算二、拱桥内力计算 （一）手算法计算拱桥内力2、等截面悬链线拱活载内力计算（1）荷载横向分布系数（2）内力影响线（3）内力计算二、拱桥内力计算 （1）荷载横向分布系数拱桥属于空间结构，在活载作用下受力比较复拱桥属于空间结构，在活载作用下受力比较复杂，实际中常常通过荷载横向分布系数形式将杂，实际中常常通过荷载横向分布系数形式将空间结构空间结构简化为平面结构计算简化为平面结构计算。板拱桥的荷载横向分布系数：均匀分布板拱桥的荷载横向分布系数：均匀分布为车列数，为拱圈宽度，为拱箱个数。为拱箱个数。肋拱桥荷载横向分布系数：偏安全地用杠杆法计算肋拱桥荷载横向分布系数：偏安全地用杠杆法计算二、拱桥内力计算 （2）内力影响线赘余力影响线赘余力影响线求拱中内力影响线时，常采用简支曲梁为基本结构，赘余力为求拱中内力影响线时，常采用简支曲梁为基本结构，赘余力为，根据弹性中心特点，所有副变位均为零根据弹性中心特点，所有副变位均为零。二、拱桥内力计算 （2）内力影响线赘余力影响线赘余力影响线求拱中内力影响线时，常采用简支曲梁为基本结构，赘余力为求拱中内力影响线时，常采用简支曲梁为基本结构，赘余力为，根据弹性中心特点，所有副变位均为零。根据弹性中心特点，所有副变位均为零。查拱桥（上）第拱桥（上）第607607页（页（IIIIII）-8-8、第、第581581页（页（IIIIII）-5-5、第第582582页表（页表（IIIIII）-6-6 二、拱桥内力计算 （2）内力影响线为了计算赘余力，一般将拱圈沿跨径方向分成为了计算赘余力，一般将拱圈沿跨径方向分成4848等分，当单位荷载从左等分，当单位荷载从左拱脚移动到右拱脚时，可计算出在各分点上的赘余力拱脚移动到右拱脚时，可计算出在各分点上的赘余力数值（即影响线竖坐标值），由此即得的影响线，二、拱桥内力计算 （2）内力影响线水平推力影响线：各点影响线竖坐标查拱桥（上）第拱桥（上）第611611页（页（IIIIII）-12-12。任意截面弯矩影响线：拱中各截面不计弹压的弯矩影响线坐标可查拱桥（上）拱桥（上）第第623623页（页（IIIIII）-13-13。一般不用N、Q的影响线求内力，而是先求出水平推力和拱脚竖向反力，然后计算轴力和弯矩；拱顶截面：拱脚截面：图为重庆珞磺电厂柑子溪拱桥内力计算影响线图图为重庆珞磺电厂柑子溪拱桥内力计算影响线图考虑弹性压缩影响（与查表所得图形数值大致相同）考虑弹性压缩影响（与查表所得图形数值大致相同）二、拱桥内力计算 （一）手算法计算拱桥内力2、等截面悬链线拱活载内力计算（1）荷载横向分布系数（2）内力影响线（3）内力计算二、拱桥内力计算 （3）内力计算 拱是偏心受压构件，最大应力由弯矩拱是偏心受压构件，最大应力由弯矩M M和轴力和轴力N N共同决定共同决定,但布载往往不能使但布载往往不能使M M、N N同时达到最大，一般按最大（最小）弯同时达到最大，一般按最大（最小）弯矩布载，求出最大弯矩及其相应轴力及剪力等。利用影响线求矩布载，求出最大弯矩及其相应轴力及剪力等。利用影响线求内力有内力有直接布载法直接布载法和和等代荷载法等代荷载法直接布载法：荷载值直接乘以相应位置影响线竖标值求得。直接布载法：荷载值直接乘以相应位置影响线竖标值求得。等代荷载法：等代荷载值（车辆等）乘以相应影响线面积求等代荷载法：等代荷载值（车辆等）乘以相应影响线面积求得。常用活载的等代荷载可从公路桥涵设计手册得。常用活载的等代荷载可从公路桥涵设计手册基本资料基本资料第第5858页表页表1-231-23查得；影响线面积可从公路桥涵设计手册查得；影响线面积可从公路桥涵设计手册拱桥拱桥（上）（上）第第732732页表页表(III)-14(III)-14查得；查得；二、拱桥内力计算 例题：等截面悬链线无铰拱例题：等截面悬链线无铰拱，桥面宽度为净桥面宽度为净-7-7米，计算汽车米，计算汽车2020级荷载作用下级荷载作用下拱脚最拱脚最大正、负弯矩及相应轴力。大正、负弯矩及相应轴力。二、拱桥内力计算 解解：1 1、拱脚最大正弯矩及相应轴力、拱脚最大正弯矩及相应轴力 （1 1）根据查拱桥（上）拱桥（上）第10101010页的拱脚水平倾角的正弦和余弦：（2 2）根据，拱脚最大M及汽车-20查基本资料基本资料第7474页的等代荷载：二、拱桥内力计算 （3 3）根据查拱桥（上）拱桥（上）第774774页的影响线面积：（4 4）拱脚最大弯矩：二、拱桥内力计算 2 2、拱脚最大负弯矩及相应轴力、拱脚最大负弯矩及相应轴力（1 1）根据，拱脚最大负M及汽车-20查基本资料基本资料第7979页的等代荷载：（2 2）根据查拱桥（上）拱桥（上）第774774页的影响线面积：二、拱桥内力计算 （3 3）拱脚最大负弯矩及相应轴力：活载弹性压缩引起的内力活载的弹性压缩与恒载相似，在弹性中心作用一赘余水平拉力。典型方程为：由活载弹性压缩引起的内力为：最终活载内力最终活载内力不考虑弹压的活载内力不考虑弹压的活载内力 活载弹压内力活载弹压内力手算：手算：不计弹压活载内力可用等代荷载计算，不计弹压活载内力可用等代荷载计算，活载弹压内力则可根据查表直接求得。若将活载弹压内力则可根据查表直接求得。若将弹性压缩的影响一并考虑，则会使计算大为弹性压缩的影响一并考虑，则会使计算大为复杂。复杂。电算：电算：求结构内力影响线并直接布载求出的内求结构内力影响线并直接布载求出的内力，因考虑了弹性压缩的影响，故为最终活力，因考虑了弹性压缩的影响，故为最终活载内力。载内力。三、主拱附加内力计算三、主拱附加内力计算超静定拱中，温度变化、混凝土收缩变形和拱脚变位都会产超静定拱中，温度变化、混凝土收缩变形和拱脚变位都会产生附加内力。生附加内力。我国许多地区温度变化大，温度引起的附加内力不容忽视。我国许多地区温度变化大，温度引起的附加内力不容忽视。混凝土收缩徐变引起拱桥开裂。混凝土收缩徐变引起拱桥开裂。拱桥墩台变位的影响突出。据统计分析，两拱脚相对水平位拱桥墩台变位的影响突出。据统计分析，两拱脚相对水平位移超过移超过L/1200L/1200时，拱桥的承载力就会大大降低，甚至破坏。时，拱桥的承载力就会大大降低，甚至破坏。温度变化内力计算温度变化内力计算混凝土收缩变形影响混凝土收缩变形影响拱脚变位引起的内力计算拱脚变位引起的内力计算水浮力引起的内力计算水浮力引起的内力计算(1)温度内力计算拱圈的合龙温度当大气温度比合龙温度高时，引起拱体膨胀；反之，大气温度比合龙温度低时，引起拱体收缩。不论是膨胀还是收缩，都会在拱中产生附加内力，只符号不同而已。温度内力计算图示赘余力计算公式温度内力图示y1y1升温时，轴力为正，在拱顶，M为负，拱脚M为正，与该两截面的控制弯矩方向正好相反，对拱圈受力有利。降温时，轴力为负，拱顶拱脚的弯矩与控制弯矩方向相同，对拱圈不利。(1)温度内力计算(1)温度内力计算例题：例题：某钢筋混凝土拱桥，计算跨径l=90m，计算矢高f=18m，拱轴系数=2.24，合拢温度为20，现温度为10，试计算由此温度差在拱拱顶顶和拱脚拱脚截面产生的附加内力。公式中可以用11,22,33表示，弹性中心YS=0.32f。(1)温度内力计算解：解：根据公式：拱顶拱顶附加内力：(1)温度内力计算拱脚拱脚附加内力：(2)混凝土收缩影响力 混凝土在结硬过程中的收缩变形混凝土在结硬过程中的收缩变形，其作用与温度下降类似，其作用与温度下降类似，通常等效于温度的额外降低。桥规规定：通常等效于温度的额外降低。桥规规定：整体浇注的砼结构的收缩影响，一般地区相当于降温整体浇注的砼结构的收缩影响，一般地区相当于降温2020度，干燥地区为度，干燥地区为3030度；整体浇注的钢筋砼结构的收缩影度；整体浇注的钢筋砼结构的收缩影响相当于降温响相当于降温15-2015-20度。度。分段浇注砼或钢筋砼结构收缩影响相当于降温分段浇注砼或钢筋砼结构收缩影响相当于降温10-1510-15度。度。装配式钢筋砼结构的收缩影响，相当于降温装配式钢筋砼结构的收缩影响，相当于降温5-105-10度。度。考虑混凝土徐变影响考虑混凝土徐变影响，可乘以下系数，可乘以下系数:温度变化影响力：温度变化影响力：0.70.7混凝土收缩影响力：混凝土收缩影响力：0.450.45特别注意的问题：拱桥设计必须说明合拢温度拱桥应在较低温度下合拢设计中必须计算温度内力例题：一缆索吊装施工钢筋砼拱桥，主拱合拢温度为150C，最低气温00C，最高气温400C，混凝土收缩内力按温度降低100C考虑，计算考虑混凝土徐变的影响力。温降：（0-15）0.7-100.45=-15温升：（40-15）0.7-100.45=13(3)拱脚变位引起的内力计算 在软土地基上修建拱桥和桥墩较柔的多孔拱桥，拱踋变位是难以避免的。（一）拱脚相对水平位移采用悬臂曲梁作为基本结构 X222+2=0拱脚相对水平位移内力计算公式为左右拱脚水平位移，右移为正，左移为负。两拱脚发生相对水平位移在弹性中心产生的赘余力：两拱脚相对靠拢（为负）为正。可查拱桥（上）拱桥（上）第581581页表（III）-5。（二）拱脚相对竖直位移采用悬臂曲梁作为基本结构 X333+3=0拱脚相对竖直位移内力计算公式为左右拱脚垂直位移，下移为正，上移为负。两拱脚发生相对垂直位移在弹性中心产生的赘余力：等截面悬链线的可查拱桥（上）拱桥（上）第582582页表（III）-6；（三）拱脚相对角变位引起的内力采用悬臂曲梁作为基本结构（三）拱脚相对角变位引起的内力图中拱脚B发生转角 （顺时针为正）之后，在弹性中心除产生相同（顺时针为正）之后，在弹性中心除产生相同转角外，还引起相对水平位移和相对垂直位移，因此，在弹性中心会产转角外，还引起相对水平位移和相对垂直位移，因此，在弹性中心会产生三个赘余力：生三个赘余力：查拱桥（上）拱桥（上）第607607页表（III）-8；可查拱桥（上）拱桥（上）第581581页表（III）-5。（三）拱脚相对角变位引起的内力拱脚相对转角变位引起各截面的内力为特别注意的问题：1 1、拱桥右拱脚向右水平位移在拱脚截面产生负、拱桥右拱脚向右水平位移在拱脚截面产生负弯矩，右拱脚向下竖直位移在左拱脚产生负弯弯矩，右拱脚向下竖直位移在左拱脚产生负弯矩，是不利的。矩，是不利的。2 2、拱桥尽可能不让其产生上述位移，设计中必、拱桥尽可能不让其产生上述位移，设计中必须要求主拱台嵌岩一定深度。须要求主拱台嵌岩一定深度。3 3、特别是主拱台背必须抵拢基岩。、特别是主拱台背必须抵拢基岩。4 4、设计中必须计算支座位移产生的内力。、设计中必须计算支座位移产生的内力。（四）水的浮力引起的内力计算当拱圈部分被水淹没时，在设计中应考虑浮力的作当拱圈部分被水淹没时，在设计中应考虑浮力的作用，若水位变化用，若水位变化 较小，应作为永久荷载考虑，否则作为其它较小，应作为永久荷载考虑，否则作为其它可变荷载考虑；可变荷载考虑；不计弹压时，浮力产生的弯矩和轴力分别为：不计弹压时，浮力产生的弯矩和轴力分别为：是弯矩及轴力系数，可查拱桥（上）拱桥（上）第830830页 表（III）-17；为拱圈外轮廓面积；为水容重；是拱圈计算跨径。作业：某钢筋砼拱桥跨径为某钢筋砼拱桥跨径为100100米，矢跨比米，矢跨比1/51/5，弹性中心距拱顶弹性中心距拱顶Ys=6.5Ys=6.5米，拱轴线在拱脚米，拱轴线在拱脚的倾角的倾角=45=450 0，主拱圈材料的线膨胀系数，主拱圈材料的线膨胀系数=0.000010=0.000010。已知拱脚相对水平变位。已知拱脚相对水平变位0.010.01米所产生的拱中水平推力为米所产生的拱中水平推力为250kN250kN，当大气，当大气温度升高温度升高10100 0C C时，求温度变化引起的拱脚附时，求温度变化引起的拱脚附加内力？加内力？四、拱在横向水平力及偏心荷载作用下的计算 横向水平力包括：风荷载、地震力横向水平力包括：风荷载、地震力 、活载离心、活载离心力等，拱在这些横向力作用下产生平面外的弯曲和力等，拱在这些横向力作用下产生平面外的弯曲和扭转，偏心垂直荷载也引起拱的扭曲。在大跨径拱扭转，偏心垂直荷载也引起拱的扭曲。在大跨径拱桥中，这些因素对内力的影响可能很大，必须考虑桥中，这些因素对内力的影响可能很大，必须考虑计算。计算。1.1.横向水平力引起的内力横向水平力引起的内力（1 1）在桥梁对称、荷载对称条件下，水平力作用）在桥梁对称、荷载对称条件下，水平力作用的赘余力只有弯矩的赘余力只有弯矩 ，求出后，即可计算任意截面，求出后，即可计算任意截面的弯矩、扭矩及横向剪力；的弯矩、扭矩及横向剪力；（2 2）拱脚截面弯矩的简化计算：无铰拱简化为两）拱脚截面弯矩的简化计算：无铰拱简化为两端固定的水平梁和下端固定的悬臂梁，分别计算端固定的水平梁和下端固定的悬臂梁，分别计算固端弯矩，然后合成总弯矩固端弯矩，然后合成总弯矩：2、偏心荷载引起的内力 偏心竖向荷载的作用可以简化为一个中心荷载和一个扭矩作用。扭矩将使拱挠出平面，如果荷载对称于拱顶横轴，则只有赘余弯矩，求法与上述相同。3、斜弯曲时拱圈中的应力、斜弯曲时拱圈中的应力（1）斜弯曲和压缩引起的法向应力：（2）剪力和扭矩共同作用时的剪应力：以上 可以合成主应力。（三）拱在横向水平力及偏心荷载作用下的计算4 4、肋拱在横向水平力作用下的计算、肋拱在横向水平力作用下的计算 用横系梁联结的肋拱在水平荷载作用用横系梁联结的肋拱在水平荷载作用下的计算是解高次超静定的问题，一般利用下的计算是解高次超静定的问题，一般利用空间杆系程序计算。空间杆系程序计算。五、拱上建筑的计算普通拱桥计算一般分解为主拱计算和拱上建筑计算，普通拱桥计算一般分解为主拱计算和拱上建筑计算，即即不考虑联合作用不考虑联合作用。理论计算和试验表明：理论计算和试验表明：不考虑联合作用对主拱圈受不考虑联合作用对主拱圈受力有利，而对拱上建筑受力不利力有利，而对拱上建筑受力不利。联合作用计算必须与施工顺序相适应联合作用计算必须与施工顺序相适应。若拱圈合拢。若拱圈合拢即拆架，则拱上建筑所有恒载及混凝土收缩影响的即拆架，则拱上建筑所有恒载及混凝土收缩影响的大部分由拱单独承受，只有后加的那部分恒载、活大部分由拱单独承受，只有后加的那部分恒载、活载及温度影响才由拱和拱上建筑共同承受。对于无载及温度影响才由拱和拱上建筑共同承受。对于无支架施工，情况更复杂一些。支架施工，情况更复杂一些。1 1、拱上建筑与拱分开各自单独计算、拱上建筑与拱分开各自单独计算 当拱上建筑刚度较小时，可近似认为主拱当拱上建筑刚度较小时，可近似认为主拱为主要承重结构，拱上建筑只承受局部荷载。为主要承重结构，拱上建筑只承受局部荷载。拱式拱上建筑可按拱式拱上建筑可按多跨连拱多跨连拱计算；计算；连续梁式拱上建筑按连续梁式拱上建筑按多跨刚架多跨刚架计算；计算；简支梁式拱上建筑按简支梁式拱上建筑按简支梁简支梁计算，拱上立计算，拱上立柱帽梁按框架计算；柱帽梁按框架计算；2 2、拱上建筑与主拱联合作用计算、拱上建筑与主拱联合作用计算（1 1）拱式拱上建筑与主拱联合作用的简化计算）拱式拱上建筑与主拱联合作用的简化计算活载