拱桥的构造及设计

1、第二章 拱桥的构造及设计授课时间：2006年11月8日授课地点：试验楼试验三教学内容：1、主拱的构造与尺寸拟定2、拱上建筑构造3、其它细部构造4、拱桥的设计重点：拱桥的设计思考题及习题：第一节 上承式拱桥的构造与设计一、 主拱的构造与尺寸拟定（一）普通型上承式拱桥根据主拱（圈）截面型式不同可分为板拱、板肋拱、肋拱、双曲拱和箱形拱等。1板拱石板拱、混凝土板拱和钢筋混凝土板拱。1）石板拱石料主要有料石、块石和砖石。拱石进行编号，以便加工，目前大多采用等截面拱桥。石质均匀，不易风化和无裂纹。石料强度等级不得低于C30拱圈砌筑应满足下列构造要求a错缝受压面的砌缝应与拱轴线垂直。b限制砌缝宽度因砂浆强度

2、比拱石低得多，缝太宽必将影响砌体强度和整体性。c设五角石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。小跨径等截面石板拱的拱圈厚度可按下式估算： 式中 拱圈厚度（mm） 拱圈净跨径（mm） 系数，一般4.56.0，取值随矢跨比的减小而增大； 荷载系数，与汽车荷载等级有关。2）混凝土板拱a素混凝土板拱b钢筋混凝土板拱2肋拱肋拱桥是由两条或多条分离的拱肋、横系梁、立柱和由横梁支承的行车道部分组成。拱肋是主要承重结构，可由混凝土、钢筋混凝土、钢管混凝土、劲性骨架混凝土做成。拱肋的数目、间距、截面型式：桥梁宽度、肋型、材料性能、荷载等级、施工条件、拱上结构等方面综合考虑决定。为

3、了简化构造，吊装能力满足的情况下，宜采用少肋型式。3箱形拱主拱圈截面由多室箱构成的拱称为箱形拱。箱形拱的主要特点是：（1）截面挖空率大，减轻重量；（2）中性轴居中，抵抗正负弯矩能力相等，适应主拱圈各截面正负弯矩变化需要；（3）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；（4）单条箱肋刚度较大，稳定性较好，能单箱肋成拱，便于无支架吊装；（5）制作要求较高，吊装设备较多，主要用于大跨径拱桥。 箱形拱的拱圈，可以由一个闭合箱（单室箱）或由几个闭合箱（多室箱）组成，每一个闭合箱又由箱壁（侧板）、顶板（盖板）、底板及横隔板组成拟定截面尺寸：拱圈的高度、宽度、箱肋的宽度以及顶底板及腹板

4、尺寸。初拟拱圈的高度：跨径的1/551/75或： 式中 拱圈高度（m）； 净跨径（m）； 箱形拱为0.60.7，箱肋拱为0.81.0；4双曲拱桥双曲拱桥主拱圈通常由拱肋、拱波、拱板和横向联系等几部分组成， “化整为零”的方法按先后顺序进行施工， “集零为整”的组合式整体结构承重。（二）整体型上承式拱桥1桁架拱桥 又称拱形桁架桥，桁架拱由钢筋混凝土或预应力混凝土桁架拱片、横向联系和桥面系组成。（1）是一种具有水平推力的拱形桁架结构，外形轻巧美观，在结构上兼有桁架和拱的特点，（2）各部件截面尺寸较小，重力较轻，节省材料，对墩台的垂直压力和水平推力也相应减小（3）结构的整体性能好，装配化程度高，施工

5、程序少。（1）桁架拱片上弦杆和实腹段上缘构成桁架拱片的上边缘，与桥面纵向平行，上弦杆的轴线平行于桁架拱片的上边缘。下弦杆的轴线可采用圆弧线、二次抛物线或悬链线。腹杆包括斜杆和竖杆：分为竖杆式、斜拉杆、斜压杆、三角形四种（2）横向联系横系梁、横隔板和剪力撑横系梁设在上、下弦杆的结点处和实腹段（间距35m）；横隔板设在实腹段与桁架部分的交界处和跨中，板的高度一般都直抵桥面；剪力撑设置在附近的上、下结点之间及跨径端部。（3）桥面横向微弯板、纵向微弯板和预应力混凝土空心板（4）桁架拱与墩（台）的连接中小跨径：下弦杆与墩台连接：在墩台帽上预留深100mm左右（或与肋高相同）的槽孔，将下弦杆的端头插入，然

6、后四周用砂浆填塞。跨径较大：宜采用较完善的铰接。2、刚架拱桥刚架拱桥是在桁架拱、斜腿刚架等基础上发展起来的另一种新桥型，属于有推力的高次超静定结构，广泛应用。刚架拱桥的上部由刚架拱片、横向联系和桥面系等部分组成刚架拱片：刚架拱桥的主要承重结构，一般由跨中实腹段的主梁、空腹段的次梁、主拱腿（主斜撑）、次拱腿（斜撑）等构成。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。预制安装：主梁和次梁、斜撑等分别预制，用现浇混凝土接头连接。横向联系：在刚架拱片的跨中，主、次节点，次梁端部等处设置横系梁。二、拱上建筑构造拱上建筑是，按照拱上建筑不同，可将拱桥分为实腹式和空腹式两种。（一） 实腹

7、式拱上建筑一般用于小跨径的拱桥。拱腹填料、侧墙、护拱、变形缝、防水层、泄水管以及桥面系组成拱腹填料分为填充式和砌筑式两种（二）空腹式拱上建筑大、中跨径的拱桥，以空腹式拱上建筑为宜。具有腹孔和腹孔墩。1腹孔分为拱式拱上建筑和梁式拱上建筑两种。（1）拱式拱上建筑（2）梁式拱上建筑梁式腹孔结构有简支、连续和框架式等多种型式。2腹孔墩（1）横墙式（2）排架式钢筋混凝土空腹式拱桥，拱上结构变形，在腹孔墩中产生附加弯矩，从而导致节点附近产生裂缝。为了使拱上结构不参与主拱受力，可以将腹孔墩的上下端设铰，为了简化构造和方便施工，一般高立柱仍可采用固结形式线刚度小），而只将靠近拱顶处的12根高度较小的矮立柱上、

8、下端设铰（线刚度大）。三、其它细部构造（一） 拱上填料、桥面及人行道拱上建筑中的填料：扩大汽车荷载作用的面积，减小汽车荷载对拱圈的冲击。实腹拱，空腹拱（除无拱上填料的轻型拱桥），填充后，还需设置拱顶填料，然后桥面铺装主拱圈及腹拱圈的拱顶处，填料厚度（包括路面厚度）均不宜小于300mm，根据公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2004）（以下简称桥规（JTGD60-2004）的规定，当拱上填料厚度（包括桥面铺装厚度）等于或大于500mm时，设计计算中不计汽车荷载的冲击力。（二）伸缩缝与变形缝拱上建筑与主拱圈的共同作用：拱上建筑能够提高主拱圈的承载能力但另一方面，它对主拱圈的变形又起约束作用，在主

9、拱圈和拱上建筑内均产生附加内力在相对变形（位移或转角）较大的位置设置伸缩缝，而在相对变形较小处设置变形缝。（三）排水与防水层桥梁设置纵坡和桥面设置横坡外，沿桥面两侧缘石边缘设置泄水管渗入到拱腹内的雨水，应由防水层汇集于预埋在拱腹内的泄水管排出，（四）拱桥中铰的设置拱桥中需要设置铰的情况有四种：（1）按两铰拱或三铰拱设计的主拱圈；（2）按构造要求需要采用两铰拱或三铰拱的腹拱圈；（3）需设置铰的矮小腹孔墩，；（4）在施工过程中，设置临时铰。常用的拱铰型式有：弧形铰、铅垫铰、平铰、不完全铰和钢铰。1弧形铰2铅垫铰(厚度520mm的铅垫板，外部包以锌、钢薄片做成)3平铰平铰接缝间可用低标号的砂浆填塞，

10、也可用垫衬油毛毡或者直接干砌接头。4钢铰更多的用于施工需要的临时铰。5不完全铰它允许在颈缩部分开裂，以释放结构的能量，一般用在腹拱圈上。 四、拱桥的设计（一）拱桥的总体布置拱桥总体布置应包括：拟定结构体系及结构型式；拟定桥梁的长度、跨径、孔数、拱的主要几何尺寸、桥梁的高度、墩台及其基础型式和埋置深度、桥上及桥头引道的纵坡等。1确定桥梁长度及分孔2确定桥梁的设计标高和矢跨比（1）拱桥的标高主要有四个，即桥面标高、拱顶底面标高、起拱线标高和基础底面标高（2）主拱圈矢跨比是拱桥的主要设计参数之一。它不但影响主拱圈内力，还影响拱桥的构造型式和施工方法的选择，应从上下部结构受力、通航、泄洪等综合因素考虑

11、确定矢跨比。拱桥的水平推力与垂直反力之比值，随矢跨比的减小而增大。当矢跨比减小时，拱的推力增大，反之则推力减小。（二）不等跨连续拱桥的处理方法1采用不同的矢跨比2采用不同的拱脚标高3调整拱上建筑的恒载重量4采用不同类型的拱跨结构（三）拱轴线的选择和拱上建筑的布置选择拱轴线的原则：就是要尽可能降低由于荷载产生的拱圈内弯矩数值。理想的拱轴线：在各种荷载作用下拱圈截面只受轴向压力，而无弯矩作用，这就能充分利用圬工材料的抗压性能。选择拱轴线的要求：要求尽量减小拱圈截面的弯矩，使主拱圈在计入弹性压缩、温升温降、混凝土收缩徐变等影响后，各主要截面的应力较为均匀，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，尚应满足各施工阶段