混凝土拱桥设计》概述.ppt

,桥梁工程II,第一篇 混凝土拱桥,第二章 上承式拱桥,本课程的目的： 1、掌握常用的圬工及钢筋混凝土拱式桥和斜拉桥的结构体系、构造原理、计算理论和主要施工方法； 2、了解现代大跨度混凝土拱桥和斜拉桥的构造、计算和施工特点。,第一篇 混凝土拱桥,2005年发布,第一篇 混凝土拱桥,修建公路 以人为本,第一篇 混凝土拱桥,2005年发布,第一章 概 述,第一节 拱桥的发展与现状 Development & Present Situation of Arch Bridges 1、拱桥的特点 Characteristics of Arch Bridges 2、拱桥的发展历史概述 Arch Bridge History 3、增大拱桥跨度的途径及现状 Adding Span Ways 4、理论跨度 Theoretical Maximum Span 5、施工技术 Construction Methods 6、拱桥缺点 Shortcomings of Arch Bridges 7、桥梁的耐久性问题 Bridge Durability,第一篇 混凝土拱桥,1、拱的受力特点 Characteristics of Arch Bridges,拱桥,拱脚处有水平推力，与梁桥比使拱内弯矩分布大为改变(减小)。,第一篇 混凝土拱桥,2、拱桥的发展历史概述 History of Arch Bridge,（1）国外罗马时代修建小于25米的圆弧拱桥； （2）我国东汉时期始建拱桥，世界最著名的605年李春修建的赵洲桥，技术比国外早1200多年。 （3）1950年修建的延河大桥是堆泥模砌筑的石拱桥；60年代发明双曲拱桥； （4）80年代以来，修建了许多世界上独一无二的桥梁，我国建桥技术是很先进的。,第一篇 混凝土拱桥,第一篇 混凝土拱桥,（1）石拱桥，增加拱圈厚度和提高石料标号等；120米和146米是最大跨度。 （2）混凝土拱桥，加筋、减小自重应力和改进材料。目前300米以上砼拱桥全世界5座，我国3座；200米以上全世界34座，我国6座。 （3）钢管砼拱桥，最近10余年我国共建成钢管砼拱桥100余座，200米以上跨径的19座（包括在建），见表；建造钢管砼劲性骨架拱桥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。,3、增大拱桥跨度的途径及现状 Ways of Adding Span & Situation,第一篇 混凝土拱桥,3、增大拱桥跨度的途径及现状 Ways of Adding Span & Situation,第一篇 混凝土拱桥,3、增大拱桥跨度的途径及现状 Ways of Adding Span & Situation,长江干流（宜宾以下）跨江大桥一览表 （截止2004年底）,第一篇 混凝土拱桥,3、增大拱桥跨度的途径及现状 Ways of Adding Span & Situation,长江干流（宜宾以下）跨江大桥一览表（续）,第一篇 混凝土拱桥,3、增大拱桥跨度的途径及现状 Ways of Adding Span & Situation,第一篇 混凝土拱桥,4、理论跨度 Theoretical Maximum Span,根据现在建桥材料及技术测算: (1)砼拱桥极限跨度在500米左右，经济跨度100 300米 (2)钢拱桥在1200米左右;经济跨度 100500 (3)混凝土斜拉桥700米，经济跨度 200500 (4)钢斜拉桥1300米，经济跨度 200600 (5)结合梁斜拉桥1000米，经济跨度 200600,第一篇 混凝土拱桥,4、理论跨度 Theoretical Maximum Span,5、施工技术 Construction Methods,（1）拱架法 （2）移动托架悬浇法 （3）预制节段吊装悬拼法 （4）转体施工法 （5）劲性骨架法 （6）大跨拱桥施工的缆索吊装悬拼法。,第一篇 混凝土拱桥,5、施工技术,（1）转体施工法,第一篇 混凝土拱桥,（2）拱架法,第一篇 混凝土拱桥,5、施工技术,（3）大跨拱桥施工的缆索吊装悬拼法。,第一篇 混凝土拱桥,5、施工技术,（4）劲性骨架法,第一篇 混凝土拱桥,5、施工技术,（5）预制节段吊装悬拼法,第一篇 混凝土拱桥,5、施工技术,5、施工技术 Construction Methods,（1）拱架法 （2）移动托架悬浇法 （3）预制节段吊装悬拼法 （4）转体施工法 （5）劲性骨架法 （6）大跨拱桥施工的缆索吊装悬拼法。,第一篇 混凝土拱桥,6、主要缺点：Shortcomings of Arch Bridges （1）有推力的结构，自重较大，水平推力大，增加了下部结构的工程量，对地基要求高； （2）圬工拱桥一般都采用有支架施工，施工较复杂，工期长，费用高； （3）由于水平推力较大，在连续多孔拱桥中，为防止一孔破坏而影响其它孔的安全，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： 1）从结构体系、构造形式上采取措施； 2）用轻质材料减轻自重； 3）设法提高地基的承载能力； 4）提高预制构件所占的比重,大块件制造与运输方法。,第一篇 混凝土拱桥,7、桥梁的使用寿命问题 Bridge Durability Problems,（1）结构原始缺陷 Primary Internal Cracks （2）材料老化与腐蚀 Material Ageing & Corrosions （3）应力疲劳损伤 Stress Fatigue Damages （4）超载损伤 Overload Damages （5）环境变化的影响 Environment Influences 截止99年底全国有危桥4451座，共长160.5公里；桥、旧桥正在大量出现。 最近调查表明，我国很多桥梁寿命较短，如彩虹桥，宜宾小南门桥，桁式组合拱桥，横铺桥面板的桥等,第一篇 混凝土拱桥,1.0.4 设计原则：安全、适用、经济、美观和有利环保 （公路的可持续发展基础是在公路的设计、建设和运营过程中考虑环境的保护，实施恰当的土地开发计划来满足社会的需要。） 1.0.6 公路桥涵结构的设计基准期为100年。,“规定时间”即设计基准期，是结构可靠度分析的一个时间坐标，可参考结构使用寿命的要求适当选定，但不能将设计基准期简单地理解为结构的使用寿命，两者是有联系的，然而又不完全等同。当结构的使用年限超过设计基准期时，表明它的失效概率可能会增大，不能保证其目标可靠指标，但不等于结构丧失所要求的功能甚至报废。根据我国公路桥梁的使用现状和以往的设计经验，我国公路桥梁结构的设计基准期统一取为100年，属于适中时域。,“预定功能”： （1）结构应能承受在正常施工和正常使用期间可能出现的各种荷载、外加变形、约束变形等的作用。 （2）结构在正常使用条件下具有良好的工作性能，如：不发生影响正常使用的过大变形或局部损坏。 （3）结构在正常使用和正常维护的条件下，在规定的时间内，具有足够的耐久性，如：不发生由于保护层碳化或裂缝宽度开展过大，导致钢筋的锈蚀。 （4）在偶然荷载（如地震、强风）作用下或偶然事件（如爆炸）发生时和发生后，结构仍能保持整体稳定性，不发生倒塌。,混凝土结构耐久性设计原则 1 采用高耐久性混凝土，提高混凝土自身的抗破损能力 2 加强桥面排水和防水层设计，改善桥梁的环境作用条件 3 改进桥梁结构设计，加强构造,表1.0.7 结构混凝土耐久性的基本要求,提高混凝土结构耐久性的措施 1 加大钢筋的混凝土保护层厚度 2 加强构造钢筋 1) 提高水平防收缩钢筋配筋率 2) 提高箍筋间距限制 3) 加强桥面铺装及防水设计,第二节 拱桥的结构体系及总体布置 Types & Global Arrangement of Arch Bridges,第一篇 混凝土拱桥,一、拱桥的基本组成 Basic Component of Arch Bridges,第一篇 混凝土拱桥,拱桥细部构造,第一篇 混凝土拱桥,二、拱桥的主要类型 Main Types of Arch Bridges,第一篇 混凝土拱桥,1、按力学体系分类 （1）简单体系拱桥： 主要承重结构是裸拱，桥面系结构不参与主拱受力。,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,第一篇 混凝土拱桥,两铰拱：一次超静定结构,第一篇 混凝土拱桥,1、按力学体系分类 （1）简单体系拱桥： 主要承重结构是裸拱，桥面系结构不参与主拱受力。,无铰拱： 三次超静定结构 拱的内力分布较均匀 用材较三铰拱省 构造简单，施工方便，整体刚度大，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 钢筋混凝土无铰拱是大跨径桥梁的主要型式之一,第一篇 混凝土拱桥,1、按力学体系分类 （1）简单体系拱桥： 主要承重结构是裸拱，桥面系结构不参与主拱受力。,第一篇 混凝土拱桥,多箱浇注成板拱与桥台形成无铰拱,1、按力学体系分类 （2） 组合体系拱桥： 主要承重结构是主拱，与行车系结构按不同方式参与受力。 无推力拱（系杆拱） ： 柔性系杆刚性拱 刚性系杆柔性拱 刚性系杆刚性拱,第一篇 混凝土拱桥,1、按力学体系分类 （2） 组合体系拱桥： 主要承重结构是主拱，与行车系结构按不同方式参与受力。 有推力拱： 桁架拱桥,第一篇 混凝土拱桥,1、按力学体系分类 （3） 拱片桥： 行车道系与拱肋刚性连接在一起，共同承受荷载。 仅能用于上承式桥梁。 拱片桥可做成三铰、两铰、无铰拱桥，其推力由墩台承受。,第一篇 混凝土拱桥,三铰拱实例,第一篇 混凝土拱桥,两铰拱实例,第一篇 混凝土拱桥,2、按照主拱截面形式分类 板拱桥，肋拱桥，双曲拱桥，箱形拱桥,第一篇 混凝土拱桥,（1）板拱桥 Plate Bridges,主拱横截面是整块的实体矩形截面，多用于石拱桥。也可以用圬工、钢筋混凝土、钢材建造。,第一篇 混凝土拱桥,（2）肋拱桥 Rib Arch Bridges,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。,拱肋截面： 小跨径采用矩形 较大跨径工字型 跨径大、桥面宽时，可采用箱形。,第一篇 混凝土拱桥,（3）双曲拱桥： Double Direction Arch Bridges 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。,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。,第一篇 混凝土拱桥,（4）箱形拱桥：Box Arch Bridges 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。,第一篇 混凝土拱桥,三、拱桥的总体布置 Global Arrangement of Arch Bridges,总体布置需要考虑的主要问题： 总体布置所需设计资料 确定结构体系及结构形式 确定桥梁长度和孔数 确定矢跨比、拱圈宽度与高度 确定墩台尺寸、基础形式与埋置深度,第一篇 混凝土拱桥,（1）总体布置所需设计资料 河床断面线 两岸道路标高 桥址地质资料 通航要求 水文资料 桥面宽度及荷载等级,第一篇 混凝土拱桥,（2）确定拱桥的主要设计标高,桥面标高由通航行泄洪、桥下通行要求等综合确定 拱顶底面标高桥面标高拱顶填料厚度拱圈厚度 起拱线标高尽量减小基底弯矩，节省墩台圬工体积。 基础底面标高根据冲刷深度、地基承载力等因素综合确定。,第一篇 混凝土拱桥,（3）矢跨比确定,f/L是拱桥的一个重要参数，其值与拱圈内力有密切关系； f/L大，则拱圈较陡，拱桥推力减小，对基础有利； f/L小，拱圈较坦，拱桥推力增大，拱圈内力增大，对基础不利； f/L取值范围：1/41/8，最小不小于1/12, 此时拱桥已退化成梁桥。,第一篇 混凝土拱桥,（4）拱桥不等跨分孔的问题,采用不同的矢跨比：大跨用大的矢跨比，小跨用小的矢跨比，使拱圈恒载推力尽量平衡 采用不同的拱脚标高：小跨拱脚较高，大跨起拱线降低，使基底弯矩尽量抵消 调整拱上建筑的质量：小跨用较重的填料，大跨采用较轻的填料或采用空腹式。 采用不同的类型的拱跨结构：大跨采用空腹式或肋拱或中承式拱桥，小跨采用实腹式或上承式结构。 设置单向推力墩,第一篇 混凝土拱桥,（5）确定拱桥基础形式、尺寸及埋置深度,基础形式：重力式扩大基础和桩基础。桥台必须考虑恒载推力的平衡，桥墩考虑承受活载推力。 基础尺寸：必须保证桥梁全部恒载和活载十分安全地传递到地基。 基础埋置深度：根据基底所有的荷载引起的应力和地基承载力大小确定。,第一篇 混凝土拱桥,第一篇 混凝土拱桥,四、拱桥实例介绍,四、拱桥实例介绍,我国公路桥中70%为拱桥。我国多山，石料资源丰富，拱桥取材以石料为主。,1）圬工拱桥1（石拱桥以及拱圈不配钢筋的混凝土拱桥，跨越能力较小）,第一篇 混凝土拱桥,1990湖南凤凰县的乌巢河桥 （ L=120m）,四、拱桥实例介绍,我国公路桥中70%为拱桥。我国多山，石料资源丰富，拱桥取材以石料为主。,1）圬工拱桥2（石拱桥以及拱圈不配钢筋的混凝土拱桥，跨越能力较小）,第一篇 混凝土拱桥,我国公路桥中70%为拱桥。我国多山，石料资源丰富，拱桥取材以石料为主。,1）圬工拱桥3（石拱桥以及拱圈不配钢筋的混凝土拱桥，跨越能力较小）,第一篇 混凝土拱桥,四、拱桥实例介绍,2）双曲拱桥1（中国首创的一种拱桥型式）,第一篇 混凝土拱桥,2）双曲拱桥2,第一篇 混凝土拱桥,2）双曲拱桥3,第一篇 混凝土拱桥,3）肋拱桥1,1990 四川宜宾小南门桥 (=240m) 主桥系中承式钢筋混凝土肋拱桥，矢度1/5，是当时国内跨径最大的钢筋混凝土拱桥。该桥采用劲性钢骨架施工法，缆索吊装。,第一篇 混凝土拱桥,3）肋拱桥 2,1988广东广州流溪桥 （L=90m） 钢筋混凝土箱肋中承式拱，拱矢度1/4.5，全桥采用喷塑装修工艺，建筑宏伟壮丽，已成为公园的重要景观。,第一篇 混凝土拱桥,3）肋拱桥 3,1983 台湾台北关渡桥 （L=165m） 中承式5孔连续系杆拱桥，中间孔跨度为165m，两侧孔跨度为143m及44m，拱圈为抛物线。,第一篇 混凝土拱桥,3）肋拱桥 4,1990江苏丹阳云阳桥（L=70m） 跨越京杭大运河，无粘结预应力系杆拱，3根拱肋，矢度1/5，拱轴系数m=1.0，单箱高1.5m，行车道刚性纵梁和无粘结预应力柔性系杆分开。预制安装法施工.,第一篇 混凝土拱桥,3）肋拱桥 5,第一篇 混凝土拱桥,3）肋拱桥 6,1992 广东开平三埠桥 （L=60m） 单拱肋预应力混凝土系杆拱，单拱肋置于车行道中央分隔带上。,第一篇 混凝土拱桥,3）肋拱桥 7,1994台湾台北碧潭桥（L=160m） 桥面由预制预应力混凝土单箱组成，并配以Y型悬臂拱圈，形成主跨为160m及2x100m无推力拱桥。引桥跨度分别为85m及57m，全桥以简洁明快的弧形曲线构成，与远山近水相协调。,第一篇 混凝土拱桥,3）肋拱桥 8,第一篇 混凝土拱桥,4）箱 拱桥1,1979四川省宜宾市金沙江大桥 （L=150m） 中国采用缆索吊装施工、跨径最大的钢筋混凝土箱形拱。主拱圈箱高2.0m，箱宽7.60m，矢跨比1/7，全拱圈横向分5个箱室；纵向分5段预制，缆索吊装就位后再组合成整体箱。,第一篇 混凝土拱桥,4）箱 拱桥 2,1989四 川涪陵乌江大桥 （L=200m） 桥高84m，矢跨比1/4，主拱圈采用3室箱。 涪陵乌江大桥采用转体法施工，先在两岸上、下游组成3m宽的边箱，待转体合拢后吊装中箱顶、底板，最后组成3室箱。,第一篇 混凝土拱桥,4）箱 拱桥3,第一篇 混凝土拱桥,4）箱 拱桥4,1997四川万县长江大桥 L=420m) 劲性骨架钢筋混凝土箱形拱桥,第一篇 混凝土拱桥,5）刚架拱桥,1989江苏无锡100米下甸桥 变截面，四分点附近截面高度最大，分别向拱脚、跨中减小。取消斜撑，拱上建筑采用23m预应力混凝土简支梁以过渡。,第一篇 混凝土拱桥,5）刚架拱桥,1993江西德兴130米太白桥 采用转体施工。,第一篇 混凝土拱桥,6）桁架拱桥,1971浙江余杭50米里仁桥 钢筋混凝土斜拉杆式桁架拱桥。拱圈矢跨比为1/8。全桥布置4片拱片，在上弦杆覆盖微弯板混凝土桥面。预制拱片卧置叠浇，分段用浮吊起吊、翻身和吊装，在三分点处设临时支托，浇筑湿接头混凝土。,第一篇 混凝土拱桥,6）桁架拱桥,1976浙江宁海75米越溪桥 主孔为净跨75m的预应力混凝土桁架拱，拱矢度1/9；边孔为净孔40m的双曲拱，,第一篇 混凝土拱桥,7）桁式组合拱桥,1990四川自贡160米牛佛沱桥 桁式组合拱为三室箱形截面，桁架片按节段分件预制，采用人字扒杆悬拼安装。,第一篇 混凝土拱桥,7）桁式组合拱桥中国首创的一种桥型，它除保持