桥梁工程_ppt

1、第四章 圬工和钢筋混凝土拱桥 第一节 概 述一、拱桥的基本特点及其适用范围 拱桥的优点： 1)跨越能力较大。 2)就地取材，节省钢材和水泥； 3)耐久性好，养护、维修费用少； 4)外型美观； 5)构造较简单； 6)抗风稳定性强；(结构整体性好)。 缺点： 1)自重较大，水平推力大，增加下部结构的工程量； 2)传统支架施工, 工序多, 费用高, 困难多, 工期长。 3) 连续多孔的大、中桥梁中，为防止一孔破坏而影响全桥的安全；需采用措施或设置单向推力墩，增加了造价； 4)建筑高度较高。 适用性：拱桥，特别圬工拱桥广泛应用于公路桥梁。二、拱桥的主要组成桥跨结构主拱圈：主要承重结构拱上建筑桥面系：传

2、力构件传递压力的构件或填充物行车道、人行道及两边的栏杆或侧墙等下部结构桥墩、桥台基础等支承桥跨结构；传递桥跨荷载至地基；与两岸跨堤联结。铰：设置于拱脚处三、拱桥分类 1、建桥材料(主拱圈的材料)分类：圬工拱桥、钢拱桥等； 2、拱上建筑的形式分类：实腹式拱桥、空腹式拱桥； 3、主拱圈的拱轴线的型式分类：圆弧拱桥、链线拱桥等； 4、按结构受力图式分类 4、按结构受力图式分类 按主拱圈与行车系结构之间相互作用状态分类，有简单体系拱桥及组合体系拱桥两大类。 (1)简单体系拱桥： 行车系结构不参与主拱受力，主拱是主要承重结构。按不同的静力图式，主拱圈可分三铰拱、两铰拱或无铰拱。 1)三铰拱：静定结构；(

3、拱圈内无附加力)。 缺点：构造复杂，整体刚度小。适用：地基条件很差或寒冷地区可修建三铰拱拱桥。 用作空腹式拱上建筑的腹拱。 2)无铰拱：三次超静定结构。(拱内有较大的附加内力)。 特点：整体刚度大，构造简单。 适用性： 使用最广泛，一般地基良好的条件时下修建。钢筋混凝土无铰拱是大跨径桥梁的主要桥型之一。 组合式体系拱桥：行车系结构与主拱圈构成整体，以共同承受荷载。无推力刚性系杆刚性拱柔性系杆刚性拱刚性系杆柔性拱柔性系杆刚性拱有推力有刚性梁的柔性拱桁架拱拱片桥第二节 拱桥设计和构造一、拱桥的总体布置 拱桥的总体设计应按照适用、经济、安全和美观的原则，桥址桥位桥梁的长度、跨径、孔数、桥面标高、主拱

4、圈的矢跨比等 1、确定桥梁的设计标高和矢跨比 (1)拱桥的标高有：桥面标高、拱顶底面标高、起拱线标高、基础底面标高。 拱桥桥面的标高：由两岸线跨的纵断面设计来控制；要保证桥下净空满足宣泄洪水或通航的要求。拱桥的主要标高 拱顶上缘标高： 拱顶底面标高： 起拱线标高： 基础底面标高决定于基础、地基的稳定性。 拱圈的宽度： 取决于桥面净空的宽度。 中、小跨径拱桥：拱圈宽度等于桥面净空宽度减去栏杆宽。 大跨径桥或跨径较小、桥面特宽的城市桥梁：拱圈宽度小于桥宽。 公跨拱桥主拱圈宽度一般均大于跨径的1/20。桥规规定当主拱圈宽跨比1/20时，则应验算拱的横向稳定性。 拱圈的厚度：根据跨径大小、荷载等级、主

5、拱圈材料规格等条件决定。 (1)石拱桥 中、小跨径石拱桥主拱圈高度可按下式进行估算：式中：l0主拱圈净跨径(cm)； d 主拱圈高度(cm)；m 系致，取4.56。k 荷载系数。 大跨径的石拱桥，也可由其它经验公式进行估算。 (2)箱形拱、双曲拱、桁架拱和刚架拱桥 确定箱形拱、拱肋中距2.0m的双曲拱、拱片中距3.0m的桁架拱和刚架拱时，由经验公式计算主拱圈肋的高度。 估算的经验公式为： 式中： H主拱圈(肋)的高度(cm)；、系数，根据主拱圈的构造型式不同取值；k荷载系数，对于各级汽车荷载(汽车超20级外)。 矢跨比(f/l)：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。推

6、力大，拱圈内轴向力也大，对拱圈受力有利，对墩台基础不利。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。矢跨比过大，拱脚区段过陡，施工困难，不美观。 应经过综合比较后进行选定。 对于砖、石、混凝土板拱桥及双曲拱桥，矢跨比一般为1/41/6，宜超过1/8，箱形拱桥的矢跨比一般为1/61/8，圬工拱桥的矢跨比一般不宜小于1/10，钢筋混凝土桁架拱、刚架拱桥的矢跨比一般为1/61/10，不宜小于1/12。 “大胆度”：l2/f ： 2、不等跨连续拱桥的处理方法 多孔连续拱桥：等跨分孔的方案。 在受地形、地质、通航等条件受限制，可用不等跨的分孔。 不等跨分孔的拱桥 不等跨拱桥，相邻孔的

7、推力不等： 改善措施： 不同的矢跨比 在相邻两孔中，大跨径用较大的矢跨比(拱陡)，小跨径用较小的矢跨比 (拱坦些)，使两相邻孔在恒载作用下的不平衡推力差尽量减小。 采用不同的拱脚标高 大跨径孔的矢跨比大，拱脚降低，减小了拱脚水平推力对基底的力臂。大、小跨的恒载水平推力对基底的弯矩得到平衡。但拱脚不在同一水平，使桥梁外形欠美观，构造也复杂。 调整拱上建筑的恒载重量 如要满足美观要求等，可用调整拱上建筑的重量来减小相邻孔间的不平衡推力。于是大跨径可用轻质的拱上填料或空腹式拱上建筑，小跨径用重质的拱上填料或实腹式拱上建筑，以改变恒载重量来调整拱桥的恒载水平推力。 三种措施中，从桥梁外观考虑，以第三种

8、为好，在设计中，可将几种措施同时采用。如仍不能达到完全平衡推力的目的，则需设计成体型不对称的或加大桥墩和基础尺寸来解决。 3、拱轴线的选择 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。 拱桥设计的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

9、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。 目前常用拱轴线型有： (1)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1520m以下的小跨径拱桥。 (2)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。 (3)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

10、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。 总之， 小跨径拱桥可采用实腹式圆形拱或实腹式悬链线拱； 大、中跨径拱桥可采用空腹式悬铁线拱； 轻型拱桥或矢跨比较小的大跨径钢筋混凝土拱桥可以采用抛物线拱。 二、简单体系拱桥的构造 1、主拱圈的构造 主拱圈截面沿拱轴线有等截面或变截面两种。 等截面拱：沿桥跨方向横截面尺寸相同。由于构

11、造简单，施工方便，因此它是目前采用最普通的形式。 变截面拱：主拱横截面，从拱顶到拱脚是逐渐变化的。 无铰拱是采用由拱顶向换脚逐渐增大的形式；三铰拱或两铰拱截面在四分之一跨径或跨中处较大，又称镰刀形的截面。 (1)板拱桥 矩形实体截面是圬工拱桥主拱圈的基本形式。 特点：构造简单、施工方便，使用广泛。 适用性：在地基条件较好的中、小跨径圬工拱桥。 (2)肋拱桥 特点：截面抵抗矩较大，节省材料，截面形状有矩形、T形、工形。 建筑材料：混凝土、钢筋混凝土或钢材等或若盛产石料则用石料修建拱肋。 适用：多用于较大跨径的拱桥。(3)双曲拱桥 双曲拱桥主拱圈的组成：由拱肋、拱波、拱板和横向联系等组成。双曲拱桥

12、主拱圈主要形式 主拱圈有多肋多波形式；拱肋也有多种形式。 特点：截面抵抗矩较大，节省材料。施工方便，广泛应用。 缺点：施工工序多，组合截面整体性较差，易开裂等。 适用：只宜在中、小跨径桥梁中采用。 横向联系： 作用：集中荷载作用下，保持各拱肋在横向均匀变形，避免拱波顶出现的纵向裂缝。尤当宽桥时作用明显。 常用型式：横系梁和横隔板，通常布置在拱顶、腹孔墩下面、分段吊装的拱肋接头处等，间距一般为 35m。在拱顶部分)加密。对于跨径较小的宽桥，拱顶部分的横向联系更应加强。 (4)箱形拱 箱形拱，挖空率5070%，形成薄壁箱形。特点：与板拱相比：减少圬工体积，节省材料， 减轻重量，节省上、下部结构的造

13、价。 与双曲拱桥相比：相同截面积下，截面抗正负弯矩能力较大，且抗扭刚度大，故截面经济、横向整体性强、稳定性好。 施工上：无支架施工，吊装构件刚度大、稳定性好，操作安全。 缺点：箱形拱的制作要求高，需要较大的吊装能力。 适用性：不适应地方群众性建桥。跨径在50m以上的大跨径拱桥才用箱形拱。 单室箱采用矩形或工字箱形等。 特点：构造简单，施工较方便，但一般只宜于现浇的窄桥或作为肋拱桥的箱形拱肋。 大跨径箱形拱或肋拱桥，主拱圈一般采用多室箱。 2、拱上建筑的构造 按拱上建筑的构造方式有实腹式和空腹式两种。 (1)实腹式拱上建筑 特点：构造简单，施工方便，但填料数量较多，恒载较重，一般小跨径拱桥才用实

14、腹式。 构成：由侧墙、拱填料、护拱以及变形缝、防水层、泄水管和桥面铺装组成。 拱腹填料：施工有填充和砌筑两种方式。 材料：就地取材，如砾石、碎石、粗砂或卵石、粘土等。要求透水性较好，成本较低，侧墙推力小，或在地质条件较差的地区，用轻质材料(如炉渣、石灰、粘土等混合料)。 在多孔拱桥中，还设了护拱。 (2)空腹式拱上建筑 大、中跨径的拱桥，常用空腹式拱上建筑，从而减小恒载，使桥梁轻巧美观。空腹式拱上建筑主要有腹孔和腹孔墩。 1)腹孔 腹孔的型式和跨径的选择，考虑减轻拱上建筑的重量；避免荷载过分集中；拱桥外形协调和美观。 腹孔的型式分为两类：拱型腹孔和梁板式腹孔， 腹孔通常对称地布置。 拱型腹孔：

15、圬工拱桥，节省钢材。 拱型腹孔：在每半跨内的l/4 l/3，跨径2.55.5m，小于l/8 l/15。等跨。拱圈可用石砌、混凝土预制或现浇的圆弧形板拱，矢跨比为1/21/6；双曲拱的矢跨比1/41/8，微弯板的矢跨比1/101/12。 腹拱圈的厚度与它的构造型式和跨径大小等有关。 紧靠桥墩(台)的第一个腹拱，一般是将腹拱的拱脚直接支承在墩(台)上，或跨越桥墩，使桥墩两侧的腹拱圈相连。 钢筋混凝土梁或板式结构的腹孔型：大跨径钢筋混凝土拱或无支架施工的拱桥中。 腹孔布置与拱形腹拱基本一致，梁(板)及立柱等可按钢筋混凝土梁(板)桥及钢筋混凝土结构计算配筋。 特殊情况下(如腹孔跨径很大)还可采用预应力

16、混凝土的梁或板作腹孔。 全空腹式拱上建筑： 采用连续布设奇数腹拱的全空腹式拱上建筑的型式作用。 作用：避免骤变温差加剧主拱顶下缘开裂；减轻结构重量；减小拱轴系数；以利于拱桥施工。但增大了桥梁标高，对城市或平原的拱桥不适用的。 2)腹孔墩 腹孔墩可分为横墙式和立柱式两种。 横墙式：石砌、混凝土预制块砌筑或现浇混凝土而成。横墙挖孔是为节省圬工、减轻重量或便于检修人员通行。 特点：自重大，但省钢材，多用砖、石拱桥中。 立柱式：由立柱和盖梁组成钢筋混凝土排架结构，立柱下设底梁。立柱及盖梁常用矩形截面。 在河流有漂流物或流冰时，不宜采用立柱式腹孔墩。 腹孔墩的侧面一般做成竖直的，以利施工。 对于拱上结构

17、与主拱联结成整体的钢筋混凝土空腹式拱桥，在活载或温度变化等因素作用下易使节点附近产生裂缝；为 了使拱上结构不参与主拱受力，使实际结构与按裸拱的计算图式吻合，可将腹孔墩的上、下端设铰。 同时在靠近拱顶处的12根高度较小的矮立柱 上、下端设铰。 3、细部构造伸缩缝与变形缝 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。 为使结构的计算图式与实际受力情况相近，避免拱上建筑不规则地开裂，以保证结构的安全使用和耐久性，除在设计计算上应考虑外，还需在构造上采取必要的措施。 实腹式拱桥的伸缩缝设在两拱脚的上方，并贯通全桥宽和侧墙全高。伸缩缝一般直线形。 拱式拱上结构的空腹式拱桥

18、，将紧靠桥墩(台)的第一个腹拱圈做成三铰拱，并在靠墩台的拱铰上方的侧墙上，设置伸缩缝，在其余两铰上方的侧墙，设变形缝。 在大跨径拱桥中，必要时还需将靠近拱顶的腹拱圈或其它腹拱也做成两铰拱或三铰拱。拱铰上面面的侧墙也需相应设置变形缝。 对于梁板式拱上结构，宜在主拱圈两端的拱脚上设置腹孔墩或采取其它措施与桥墩(台)设缝分开，梁或板与腹孔墩的支承连接宜采用铰接，以适应主拱圈的变形。 伸缩缝的宽度为0.020.03m。施工时用预制板嵌入砌体或埋入现浇混凝土中。 变形缝则不留缝宽，用干砌或油毛毡隔开即可。 拱桥中铰的设置 设铰有三种情况： 主拱圈按两铰拱或三铰拱设计时， 空腹式拱上建筑的腹拱圈是两铰或三

19、铰拱，或较矮的腹孔墩上、下端与顶梁、底梁连接处需设铰时； 施工中为消减主拱圈的附加内力，以及调整主拱圈内力，拱脚(顶)需设临时铰。 前两种永久性铰：长期使用，构造复杂，造价高。临时铰：施工结束或基础变形趋于稳定时封固，构造较简单。 拱铰的常用型式有弧形铰、平铰或其它型式的假铰。 弧形铰：用石料、混凝土、钢筋混凝土等材料均可做成弧形铰。铰的宽度应等于构件的全宽。弧形铰，主要用来作为主拱圈的拱铰。钢筋混凝土弧形铰石弧形铰 石拱桥的拱铰，多用现浇混凝土铰代替石铰。当跨径较大，用钢筋混凝土拱铰，其钢筋布置按计算及构造要求确定。 平铰：空腹式拱上建筑的腹拱圈，常采用。 特点：构造简单，平面相连，直接抵承

20、。平铰 不完全铰：一般在预制吊装的钢筋混凝土腹拱圈中，设置不完全铰(或称假铰)。它构造简单，使用较广泛。 柱铰：在钢筋混凝土空腹式拱桥腹孔墩上、下端设置，这种铰一般为构造简单的不完全铰。 铅垫板铰或钢铰：在跨径特大或在特殊情况时用。目前在拱桥中很少采用。铅垫板铰 4、其它类型拱桥的构造 桥型：小型农桥及大型公路桥、城市桥； 材料：钢筋混凝土结构或主体结构用预应力混凝土预制小构件，拼装成大型块件。 (1)桁架拱桥 1)特点 结构受力合理，整体性强，节省材料，自重较轻等特点。 混凝土用量较轻型双曲拱桥还要节省30，仅与钢筋混凝土T形梁相当。 钢材用量与轻型双曲拱桥接近，比梁式桥则节省较多。 适用性

21、：桁架拱桥对软土地基有较好的适应性。 2)主要构造 上部结构一般由桁架拱片、横向联结系和桥面三部分组成。 桁架拱片是桁架拱桥的主要承重结构。 桁架片由上弦杆、腹杆、下弦杆和拱顶实腹段组成。 腹杆包括斜杆和竖杆。根据腹杆的不同布置情况，可分为竖杆式、三角形、斜压杆和斜拉杆等四种型式。斜压杆竖杆式三角形斜拉杆 竖杆式：外形美观，施工较方便，但整体刚度较小，竖杆与上、下弦杆连接的节点处易开裂，故适用于荷载小、跨径较小的桥梁。 三角形腹：腹杆根数少，用料省，整体刚度较大。但节间长度过长，配筋量过大。 竖杆式三角形 斜压杆：斜杆的长度随矢高和节间长度的增大而显著增长，尤其第一个节间内的斜杆更易失稳。 斜

22、拉杆：斜杆受拉而竖杆受压，为了避免拉杆及节点处开裂，减小截面尺寸，采用预应力混凝土斜拉杆，是常采用的型式。 斜压杆斜拉杆 横向联系：由拉杆、横系梁、横隔板和剪刀撑等组成。 (2)刚架拱桥 是有推力的高次超静定结构。 特点：构件少，自重轻，整体性好，刚度大，施工简便，经济指标较先进，造型美观等优点，因此得到了广泛应用。 上部结构由刚架拱片、横向联结系和桥面系等部分组成。 有推力的高次超静定结构刚架拱桥结构构造 刚架拱片是刚架拱桥的主要承重结构。 构造：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。 布置：当l30m时，只设主拱腿的最简单型式； 当l=3050m时，设置

23、主拱腿和一个次拱腿； 当l50m，设置主拱腿和多条斜腿。 斜腿可直接支承在桥墩(台)上，也可支承在主拱腿上。第五章 其它形式的桥梁第一节 混凝土斜拉桥 一、基本作用和特点 用多根斜索拉住桥面，跨越较大的河谷障碍的桥叫斜拉桥。 预应力混凝土斜拉桥是组合体系桥型，由斜索(斜缆)、塔柱和主梁三部分组成。 斜索：高强度钢索，从塔柱上伸出并悬吊起主梁，对混凝土主梁起着弹性支承的作用。 主梁：大跨度主梁，相当于多跨弹性支承连续预应力梁。 塔柱：主梁荷载由斜索、塔柱等传递给地基。 特点：节省材料；经济合理，利于制作与安装；充分利用高强材料；结构轻巧，适用性强；建筑高度小；抗风稳定性强；悬臂法施工和架设； 缺

24、点： 高次超静定结构，设计变量多，计算复杂； 索与梁或塔的连接构近比较复杂； 施工中高空作业较多，且技术要求严格。 二、结构体系 悬浮体系，支承体系，塔梁固结体系和刚构体系。它们的基本特点是： 1、悬浮体系，也称飘浮体系，是弹性支承的单跨梁。主梁的变形和内力的变化较平缓，全跨满载时塔柱处没有负弯矩的尖锋，而弯矩值不到其他三种体系的一半。 缺点是横向随意“摆动”，故必须施加一定的横向约束，改善动力性能。 采用悬臂法施工，靠近塔柱处的梁段应设置临时支点。 塔墩支点处产生负弯矩尖峰，须加强该段的主梁截面。主梁设置活动支座，支承体系在横桥方向亦须在桥台和塔墩处设置侧向水平约束来改善体系的抗震性能。 支

25、承体系用悬臂施工。 2、支承体系，弹性支承的三跨连续梁。 3、塔梁固结体系，相当于梁顶面用斜索加强的一根连续梁。主梁在墩顶处的转角位移会导致塔柱倾斜，使柱顶产生较大水平位移，这样就显著增大了主梁的跨中挠度和边跨的负弯矩，这是体系的弱点。 该体系设置很大吨位的支座。 但刚结点和墩脚处的温度附加弯矩很大。为消减温度内力，在主梁跨中设置可以容许水平移动的剪力铰，或者设置挂梁。 4、刚构体系： 弹性支承的刚构。 优点：刚度大，梁、塔、墩固结处能抵抗大负弯矩。 总之，悬浮体系：受力较匀称，主梁可作成等截面，抗风、抗震性能也较好，是采用较多的结构体系。 支承体系：不比悬浮体系有多大的优越性。 塔梁固结体系

26、：塔柱内力最小，温度内力也最小，仅主梁边跨负弯矩较大，整体刚度较小，也是可以考虑采用的结构体系，但支座吨位大。 刚构体系：温度内力巨大，一般都做带挂梁型式，它适用于对抵抗地震和风振无特殊要求的场合。 三、构造布置 1、斜索 斜索是斜拉桥的主要承重构件，宜用抗拉强度高、疲劳强度好和弹性模量较大的钢材做成。斜索的造价约占全桥造价的2530。目前一般采用平行高强钢丝束、平行钢绞线、低合金钢筋等。 斜索本身的构造分为刚性索与柔性索。 斜索的立面布置形状有： (1)辐射式斜索倾角大，钢索用量省。 缺点：塔柱受力不利，塔顶因斜索集中而使锚固困难。斜索倾角不一，锚具垫座的制作与安装复杂。 (2)竖琴式斜索倾角相同，连接构造容易，塔柱受力较有利。外形简洁美观。 缺点是：倾角小，工