混凝土拱桥概述发展结构体系（87页）

1、第三篇 混凝土拱桥本篇教学目的：1、掌握常用的圬工及钢筋混凝土拱式桥的结构体系、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的构造、计算和施工特点。修建公路以人为本第一章 概 述 第一节 拱桥的发展与现状 1、拱桥的特点 2、拱桥的发展历史概述 3、增大拱桥跨度的途径及现状 4、理论跨度 5、施工技术 6、拱桥缺点 7、桥梁的耐久性问题 1、拱的受力特点 拱桥 拱桥在竖向荷载作用下,支承处不仅产生竖向反力,在拱脚处还有水平推力，与梁桥比拱内弯矩分布大为改变(减小很多)，使整个拱主要承受压力。 2、拱桥的发展历史概述 （1）国外罗马时代修建跨径小于25米的圆弧拱桥； （2）我国

2、东汉时期始建拱桥，世界最著名的公元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。 （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：

3、卢浦大桥550米跨度，多项技术首创。3、增大拱桥跨度的途径及现状 4、理论跨度 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100300米 (2)钢拱桥在1200米左右；经济跨度 100500米 (3)混凝土斜拉桥700米，经济跨度 200500米 (4)钢斜拉桥1300米，经济跨度 200600米 (5)结合梁斜拉桥1000米，经济跨度 200600米5、施工技术 （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。 （1）转体施工法（2）拱架法（3）大跨拱桥施工的缆索吊装悬拼法。 （4）劲

4、性骨架法（5）预制节段吊装悬拼法 6、拱桥主要缺点： （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。 7、桥梁的耐久性问题 （1）结构原始缺陷 （2）材料

5、老化与腐蚀 （3）应力疲劳损伤 （4）超载损伤 （5）环境变化的影响 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，横铺桥面板的桥等危桥正在大量出现。 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第二节 拱桥的结构体系及总体布置 一、拱桥的基本组成 二、拱桥的主要类型 三、拱桥的总体布置 四、拱桥实例介绍一、拱桥的基本组成上承式拱桥的基本组成1-主拱圈2-拱顶3-拱脚4-拱轴线5-拱腹6-拱背7-起拱线11-拱上建筑

6、L0 - 净跨径L -计算跨径f0 - 净矢高f -计算矢高f/L - 矢跨比拱桥细部构造二、拱桥的主要类型 拱桥建桥材料圬工拱桥，钢筋混凝土拱桥，钢拱桥拱轴线型式圆弧线拱桥，抛物线拱桥，悬链线拱桥桥面位置上承式拱桥，中承式拱桥，下承式拱桥力学体系简单体系拱桥：三铰拱，两铰拱，无铰拱组合体系拱桥：无推力拱桥，有推力拱桥主拱圈截面形式拱上建筑形式实腹式拱桥，空腹式拱桥板拱桥，肋拱桥，双曲拱桥，箱形拱桥 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两铰拱：一次超静定结构无铰拱：三次超静定结

7、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多箱浇注成板拱与桥台形成无铰拱 （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） ：拱的推力由系杆承受，墩台不承受水平推力。 无推力拱主要有：柔性系杆刚性拱、刚性系杆柔性拱、刚性系杆刚性拱。有推力拱：桁架拱桥 (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。 2、按主拱

8、的截面型式分类 （1）板拱桥：主拱的横截面是整块的实体矩形截面，称为板拱桥。 （2）肋拱桥：横向由几条肋组成的拱桥，称为肋拱桥。 （3）双曲拱桥：主拱圈的横截面是由几个横向小拱组成，使主拱圈在纵向及横向均呈曲线形，称为双曲拱桥。 （4）箱形拱桥：将实体的板拱截面挖空成空心箱形截面，称为箱形拱或空心板拱。 （1）板拱桥 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。 板拱的宽度一般采用桥面宽度。 人行道宽度布置在钢筋混凝土悬臂上有两种做法： 1）设置单独的人行道悬臂构件；2）采用横贯全桥的钢筋混凝土横挑梁，在挑梁上再安设钢筋混凝土人行道板。 窄拱圈：拱圈的宽度

9、小于桥面宽度的拱圈。 当拱圈中恒载应力在总应力中所占比例很大时，采用窄拱圈对上部结构和下部结构都比较经济，因此在大跨度拱桥中常采用窄拱圈的型式。 为确保拱圈的横向稳定性，拱圈宽度一般不宜小于跨径的1/20，否则应验算拱圈的横向稳定性。 （2）肋拱桥 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；较大跨径采用工字型；跨径大、桥面宽时，可采用箱形。 （3）双曲拱桥： 主拱圈横截面由一个或数个小拱组成 ， 其主

10、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。 （4）箱形拱桥： 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。三、拱桥的总体布置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设计标高、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

11、级（1）总体布置所需设计资料 （2）确定结构体系及结构形式 按照拱桥的分类结合桥位处的地形、地质情况， 1、选择拱桥的结构体系：简单体系拱桥：三铰拱，两铰拱，无铰拱；组合体系拱桥：无推力拱桥，有推力拱桥。 2、选择拱桥的结构形式：确定实腹式拱桥或空腹式拱桥进行设计；主拱圈截面设计：板拱桥，肋拱桥，双曲拱桥，箱形拱桥；拱轴线型选择：圆弧线拱桥，抛物线拱桥，悬链线拱桥；桥面位置设计：上承式拱桥，中承式拱桥，下承式拱桥。 （3）确定桥梁长度和孔数 1、通过前面的方案设计和水力计算，结合技术经济比较，可以确定两岸桥台台口之间的总长度，在平、纵、横三个方向综合考虑桥梁与路堤的衔接，可以确定桥台的位置和长

12、度，从而确定桥梁全长。 2、桥梁全长一经确定，必然面临单孔或多孔的方案设计问题。 如果桥位处的地形、地质情况允许，施工技术支持，通过技术经济比较，最好选择大跨径或特大跨径单孔跨越。 如果采用多孔拱桥的设计方案，如何进行分孔？ 1）跨越通航河流 在确定孔数与跨径时，一般分为通航孔和非通航孔两部分。分孔时，除应保证净跨径满足设计洪水通过的需要外，还应确定一孔或两孔作为通航孔。通航孔跨径和通航标高的大小应满足航道等级规定的要求，并与航道部门协商。通航孔的位置多半布置在常水位时河床最深处或航行最方便的地方。 2）为避开深水区或不良的地质地段 可将跨径加大；在水下基础结构复杂、施工困难的地方，为减少基础

13、工程，也可考虑采用较大跨径。 3）对跨越高山峡谷、水流湍急的河道或宽阔的水库 建造多孔小跨不如建造大跨径经济合理，在条件允许的情况下，通过技术经济比较，可采用单孔大跨径拱桥。 4）分孔时还应考虑施工的方便和可能 通常，全桥宜采用等跨或分组等跨的分孔方案，并尽量采用标准跨径。，以便施工和修复，又能改善下部结构的受力和节约投资。 5）分孔时必须注意整座桥梁的美观。（4）确定拱桥的主要设计标高拱桥的控制设计标高主要有四个：桥面标高、拱顶底面标高、起拱线标高、基础底面标高桥面标高由通航、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。

14、基础底面标高根据冲刷深度、地基承载力等因素综 合确定。 1、拱桥的桥面标高 代表建桥的高度，特别在平原区，在相同纵坡情况下，桥越高，两端的引桥或匝道工程数量显著增加；桥矮，不但有遭遇洪水冲毁的危险，而且会影响桥下正常通航。故桥面标高必须综合考虑有关因素正确合理决定。 1）山区河流上的拱桥 桥面最小高度一般由两岸路线的纵断面设计控制。 2）跨越平原区河流的拱桥 桥面最小高度一般由桥下净空控制。 3）对于有淤积的河床 桥下净空应适当加高。 4）对于通航河流 通航孔除应满足以上要求外，还应满足不同航道等级所规定的桥下净空界限的要求。 2 拱顶底面标高 桥面标高减去拱顶处的建筑高度，就得到拱顶底面标高

15、。 3 起拱线标高 为减小墩台基础底面弯矩，节省墩台的圬工数量，一般宜选择低拱脚的设计方案。 1）对于有铰拱 拱脚需高出设计洪水位以上0.25米. 2)对于有铰或无铰拱 拱脚均应高出最高流冰面0.25米。 另外,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。 4 基础底面标高 主要根据冲刷深度、地基承载力等因素确定。 （5）矢跨比 当拱顶、拱脚标高确定后，根据跨径就可以确定拱桥的矢跨比。 矢跨比是拱桥的一个特征数据，它不但影响主拱圈的内力，还影响拱桥施工方法的选择，同时，对拱桥的外形能否与周围景物相协调，也有很大关系。 矢跨比的作用： 1、f/L是拱桥的一个重要参数，其值与

16、拱圈内力有密切关系，拱的恒载水平推力与垂直反力的比值，随矢跨比的减小而增大； 2、f/L大，则拱圈较陡，拱桥水平推力减小，对基础有利； 3、f/L小，拱圈较坦，拱桥水平推力增大，拱圈内力增大，对基础不利；水平推力增大，相应的在主拱圈内产生的轴向力也大,对主拱圈本身的受力是有利的，对墩台基础不利。 4、f/L小，则弹性压缩、混凝土收缩和温度等附加内力均较大，对主拱圈不利。 5、f/L小，能增加桥下净空，降低桥面纵坡，对拱圈的砌筑和混凝土的浇筑比较方便。 在设计时应按根据桥位处的地形、地质、桥梁美观和受力等因素，综合比较选定矢跨比。 f/L取值范围：1/41/8，最小不小于1/12, 箱型拱的矢跨

17、比一般为1/61/10。一般将矢跨比大于或等于1/5的拱称为陡拱，矢跨比小于1/5的称为坦拱。 （6）如何处理拱桥不等跨分孔的问题 多孔拱桥最好选用等跨分孔的方案。 在受地形、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时，可以考虑不等跨分孔办法处理。 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。为了减小不平衡推力，改善桥墩基础受力状况，可采用的措施有： 1、采用不同的矢跨比：利用在跨径一定时矢跨比与推力大小成反比的关系。大跨用大的矢跨比（陡），小跨用小的矢跨比（坦），使拱圈恒载作用下的不平衡推力尽量平衡； 2、采用不同的拱脚标高：由于采用了不同

18、的矢跨比，致使相邻两孔的拱脚标高不在同一水平线上。小跨拱脚较高，大跨起拱线降低，减小了拱脚水平推力对基底的力臂，这样可使大跨与小跨的恒载水平推力对基底所产生的弯矩尽量平衡； 3、调整拱上建筑的重量：小跨用较重的填料或实腹式拱上建筑，大跨采用较轻的填料或采用空腹式拱上建筑； 4、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，减轻大跨径拱的恒载重量以减轻恒载水平推力。有时为了进一步减轻大跨径拱的恒载水平推力，可加大大跨径拱肋的矢高，而做成中承式肋拱桥。 5、设置单向推力墩（7）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

19、恒载水平推力的平衡（抗滑体），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。四、拱桥实例介绍 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）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。 世界上跨径最大的石拱桥。桥宽8m，双肋石拱桥，腹拱为9孔13m，南岸引桥3孔13m，北岸引桥1孔15m。主拱圈由两条分离式矩形石肋和8条钢筋混凝土横系梁组成。拱轴线为悬链线（m=1.543） ，拱圈矢跨比1/5，拱肋为等高变宽度设计。1990湖南凤凰县的乌巢河桥

20、（ L=120m） 圬工拱桥2 圬工拱桥3 主拱圈为等截面悬链线。拱圈矢跨比为1/5，拱圈厚1.7m，拱上建筑对称布置5个空腹拱，两边设岸孔37m，拱圈厚1.1m。下部结构为重力式石砌墩台。该桥施工在主孔范围内设3个临时墩，上立钢支架、拱架等，其上砌筑主拱圈。1965广西南宁都安红渡桥（L=100m )2）双曲拱桥1（中国首创的一种拱桥型式）结构纤细轻盈，适宜于软土地基上建造。1969江苏无锡卫东桥 双曲拱桥2 构思独特，充分发挥双曲拱桥构造特点，组合拼装成三叉形的双曲拱桥。1969江苏无锡民主桥 双曲拱桥3 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，

21、拱圈矢跨比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。 肋拱桥 21988广东广州流溪桥 （L=90m） 钢筋混凝土箱肋中承式拱，拱圈矢跨比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。 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。 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，拱圈矢跨比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

22、工。 肋拱桥 5 肋拱桥 61992 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。 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。 肋拱桥 8 箱拱桥1 1997四川万县长江大桥 L=420m)劲性骨架钢筋混凝土箱形拱桥5）刚架拱桥11989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。 刚架拱桥21993江西德兴130米太白桥 采用转体施工。6）桁架拱桥11971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。 桁架拱桥2