拱桥的分类、构造、设计计算及施工

第三章拱拱桥上部部结构-11拱桥的分类类、构造、、设计计算算及施工§3.1概述§3.2拱桥的分类类§3.3常见拱桥的的构造特点点§3.4单跨悬链线线无铰板拱拱的设计§3.5拱桥受力特特点与主拱拱设计计算算要点§3.6拱拱桥施施工第三章拱拱桥上部部结构-12§3.1概述3.1.1拱桥的起源源3.1.2拱桥的基本本特点3.1.3拱桥的组成成第三章拱拱桥上部部结构-133.1.1世界上对拱拱结构的起起源众说不不一自然界溶洞洞天然拱崩落的堆石石拱砌墙开洞，，逐渐由“假拱”演变而成中国：墓葬结结构及仅存实实物，拱由梁梁与侧柱演变变为三、五、、七等折边拱拱，演变为圆圆拱。第三章拱拱桥上部结构构-14跨度由小变大大，由二三米米而到达净跨跨37.02m，并保持了千千余年的世界界记录。中国现存最早早，并保存良良好的是隋代代赵州安济桥（赵州州桥）。桥为敞肩圆圆弧石拱，拱拱圈并列28道，净跨37.02m，矢高7.23m，上狭下宽总总宽9m。主拱圈等厚厚1.03m，主拱圈上有有护拱石。安济桥（赵州州桥）第三章拱拱桥上部结构构-16中国石拱因南南北河道性质质及陆上运输输工具不同，，构造不同。。北方大多为平平桥（或平坡坡桥），实腹腹厚墩厚拱。。南方水网地区区则为驼峰式式薄墩薄拱。。第三章拱拱桥上部结构构-17南方江浙一带带水网地区，，以舟行为主主。潮汐河流，软软土地基，即即使石拱桥亦亦尽量减轻重重量建造为薄薄墩薄拱。桥孔自单孔多多到85孔（江苏吴江江垂虹桥，已已塌，尚存残残孔8孔）。第三章拱拱桥上部结构构-18薄拱的拱厚最最小者仅及拱拱跨的1／66.7，而一般拱厚厚则为1／20左右。现存枫桥（清代建）也也是薄拱。薄墩之薄，相相邻两拱圈拱拱石相接，特特别是三孔连连拱薄墩桥，，中孔大、边边孔小，两岸岸以踏步上桥桥。桥成驼峰峰形，造型美美观。第三章拱拱桥上部结构构-19中国的木拱桥桥肇始自宋。。宋代张．择端端的《清明上河图》，在画面高峰峰处有北来都都城汴京（现现河南开封））跨汴水的一一座木拱桥，，名为虹桥。为了漕运，水水中无桥墩，，桥采用了“贯木’架桥，即大木木穿插叠架为为木拱。虹桥桥跨约18．5m，拱矢约4．2m，桥面总宽9．6m。桥毁于金元元之际，几百百年来一直认认为是绝唱。。虹桥第三章拱拱桥上部结构构-1113.1.2拱桥的基本特特点拱桥与梁桥的的区别：外形不同、、受力性能有有差别。圬工拱桥的优优点跨越能力大能就地取材第三章拱拱桥上部结构构-112能耐久，养护护、维修费用用少外型美观构造较简单圬工拱桥的缺缺点自重大，水平平推力大，对对地基要求高高有支架施工时时，施工耗时时第三章拱拱桥上部结构构-113连拱拱桥设置置构造复杂的的单向推力墩墩，增加了造造价上承式拱桥对对标高要求高高，城市少用用拱桥发展石拱桥钢拱桥钢筋混凝土拱拱桥钢管混凝土拱拱桥3.1.3拱桥的组成石拱桥的主要要组成与名称称第三章拱拱桥上部结构构-115拱桥（ArchBridge）的组成桥跨结构（上上部结构）superstructure主拱圈mainarch拱上结构spandralstructure下部结构substructure墩pier台abutment基础foundation第三章拱拱桥上部结构构-116拱轴线：archaxis起拱线：archspringingimpost跨径：桥梁上部结结构的重要技技术指标标准跨径：一般指净跨跨径净跨径：clearspan矢高：重要的技术术指标之一净矢高：clearriseofarch第三章拱拱桥上部结构构-117计算跨径：computedspan计算矢高：calculateriseofarch矢跨比：矢高与跨径径之比，设计计时一般取净净矢高f0与净跨径l0之比为矢跨比比（或称净矢矢跨比）坦拱：f0/L0（矢跨比）<1/5陡拱：f0/L0（矢跨比）≥≥1/5第三章拱拱桥上部结构构-118拱的计算跨径径与计算矢高高三铰拱内力计计算简图第三章拱拱桥上部结构构-120三铰拱与等跨跨简支梁内力力比较三铰拱的反力力（内力和反反力上标加o的为简支梁，，不加o的为三铰拱））第三章拱拱桥上部结构构-121令，，则内内力为：第三章拱拱桥上部结构构-122三铰拱的竖向向反力与简支支梁相同，但但在竖直荷载载作用下，三三铰拱会产生生水平反力，，而简支梁中中没有水平反力的存在。三铰拱在竖直直荷载作用下下的水平反力力引起拱内力力中出现了轴轴力，同时降降低了弯矩与与剪力。第三章拱拱桥上部结构构-123§3.2拱桥的分类3.2.1按主拱圈的建建筑材料分类类圬工拱桥钢筋混凝土拱拱桥钢拱桥钢管混凝土拱拱桥第三章拱拱桥上部结构构-1243.2.2按行车道位置置分类上承式车道（桥面系系）在拱肋之之上的称为上上承式上承式主要用用于峡谷和桥桥面标高较高高的桥梁传统的石拱桥桥因主拱圈为为板式结构，，只能采用上上承式上承、下承及及中承式拱桥桥第三章拱拱桥上部结构构-126上承式拱桥构构造较为简单单上部结构由主主拱圈、拱上上建筑组成拱上建筑：实实腹式或空腹腹式实腹拱桥：构构造简单、自自重大，适用用于中、小跨跨度；空腹拱桥：结结构合理、自自重较小、利利于泄洪，是是大、中跨拱拱桥常用的形形式第三章拱拱桥上部结构构-127下承式下承式拱桥的的桥跨结构由由拱肋、悬吊吊结构和横向向联结系三部部分组成。车辆在两片（（三片）拱肋肋之间行驶，，需要用吊杆杆将桥面系悬悬挂在拱肋下下。桥面系和和这些传力构构件称为悬吊结构。第三章拱拱桥上部结构构-128中承式：行车平面位于于肋拱矢高的的中间部位，，桥面系一部部分用吊杆悬悬挂在拱肋下下，一部分用用立柱支撑在在拱肋上。下承式或中承承式拱桥一般般是在桥梁建建筑高度受到到限制时考虑虑，其拱圈只只能使用肋拱拱形式。中、下承式主主要用于地势势平坦、桥面面标高受限制制或基础较差差的拱桥之中中。第三章拱拱桥上部结构构-1293.2.2按照结构体系系分类3.2.2.1简单体系的拱拱桥拱圈的静力图图式第三章拱拱桥上部结构构-130三铰拱：静定，无无附加应力，，铰构造复杂杂，桥面在铰铰处需设置伸伸缩缝，桥面面纵坡在伸缩缩缝处折角，，不利行车与与养护。两铰拱：介于二者者之间无铰拱：三次超静静定，刚度大大，构造简单单，附加应应力大。广泛泛用于石拱桥桥和钢筋混凝凝土拱桥之中中，尤其是基基础较好、跨跨径较大时。。3.2.2.2拱梁组合桥（1）无推力的拱拱梁组合桥柔性系杆刚性性拱—系杆拱刚性系杆柔性性拱—朗格尔拱刚性系杆刚性性拱—洛泽拱用斜吊杆来代代替竖直吊杆杆时称为尼尔森拱拱。第三章拱拱桥上部结构构-132（2）有推力的组组合体系拱桥桥刚性梁柔性拱拱（倒朗格尔尔拱）刚性梁刚性拱拱（倒洛泽拱拱）第三章章拱拱桥桥上部部结构构-1333.2.2.3刚架系系杆拱拱系杆拱拱中拱拱肋与与桥墩墩固结结，不不设支支座采用预预应力力钢绞绞线作作为拉拉杆来来平衡衡拱的的推力力，拉拉杆独独立于于桥面面系之之外，，不参参与桥桥面系系受力力，而而桥面面系为为局部部受力力构件件。这种结结构由由于拱拱和墩墩联接接处为为刚结结点，，属刚刚架结结构，，又带带有系系杆，，故称称之为为刚架系系杆拱拱第三章章拱拱桥桥上部部结构构-134刚架系系杆拱拱示意意图单跨下下承式式多多跨下下承式式带带悬悬臂中中承式式3.2.3按照主主拱的的截面面形式式分类类第三章章拱拱桥桥上部部结构构-136§3.3常见拱拱桥的的构造造特点点3.3.1石板拱拱一、总总体布布置石拱桥桥的主主拱圈圈以石石料建建造。。跨径小小于20m，拱上上建筑筑常做做成实实腹式式跨径大大于20m，拱上上建筑筑一般般为空空腹式式实腹式式拱桥桥构造造图空腹式式拱桥桥构造造图第三章章拱拱桥桥上部部结构构-140二、主拱圈圈料石拱拱(粗料石石)：不不小小于30号石料料、不不小于于7.5号砂浆浆（（大大中桥桥）不不小于于5号砂浆浆（小小桥））块石拱拱：片石拱拱：7.5号砂浆浆（中中小桥桥）石拱圈圈：等等截面面圆弧弧拱，，等截截面或或变截截面悬悬链线线拱第三章章拱拱桥桥上部部结构构-141粗料石石砌筑筑拱时时，拱拱石需需要随随拱轴轴线和和截面面形式式不同同而分分别进进行编号，以便便于拱拱石的的加工工。等截面面圆弧弧线拱拱圈，截面面相等等，单单心圆圆弧线线，拱拱石规规格较较少，，编号号较简简单变截面面拱圈圈，由于于截面面发生生变化化，使使拱石石类型型较多多，编编号较较复杂杂，给给施工工带来来很大大的麻麻烦石板拱拱的主主拱圈圈以等等截面面为主主第三章章拱拱桥桥上部部结构构-142等截面面圆弧弧拱的的拱石石编号号第三章章拱拱桥桥上部部结构构-143变截面面拱圈圈的拱拱石编编号第三章章拱拱桥桥上部部结构构-144石拱圈圈构造造上的的要求求：受压面面的砌砌缝应应是辐辐射方方向，，即与与拱轴轴线相相垂直直。一一般可可做成成通缝缝，不不必错错缝拱圈厚厚度不不大时时，可可采用用单层层拱石石砌筑筑，拱拱厚较较大时时可采采用多多层拱拱石砌砌筑要求垂垂直于于受压压面的的顺桥桥向砌砌缝错错开，，其错错缝间间距不不小于于0.10m第三章章拱拱桥桥上部部结构构-145拱圈横横截面面内，，拱石石的竖竖向砌砌缝应应当错错开，，其错错开宽宽度至至少0.10m，在纵纵向或或横向向剪力力作用用下，，可避避免剪剪力单单纯由由砌缝缝内的的砂浆浆承担担，增增大砌砌体的的抗剪剪强度度和整整体性性。砌缝的的缝宽宽不应应大于于0.02m。第三章章拱拱桥桥上部部结构构-146拱圈与与墩台台、空空腹式式拱上上建筑筑的腹腹孔墩墩与拱拱圈相相连接接处，，应采采用特特制的的五角石石，以改改善连连接处处的受受力状状况。。五角石石不得得带有有锐角角，以以免施施工时时易破破坏和和被压压碎。。为了简简化施施工，，也常常采用用现浇混混凝土土拱座座及腹孔墩墩底梁梁来代替替制作作复杂杂的五五角石石。拱石的的砌缝缝五五角石石及混混凝土土拱座座、底底梁第三章章拱拱桥桥上部部结构构-148用块石石或片片石砌砌筑拱拱圈时时，应应选择择较大大的平平整面面与拱拱轴线线相垂垂直，，并使使石块块的大大头向向上，，小头头向下下。石块间间的砌砌缝必必须相相互交交错，，较大大的缝缝隙应应用小小石块块嵌紧紧。砌缝用用砂浆浆或小小石子子混凝凝土灌灌满。。第三章章拱拱桥桥上部部结构构-149三、拱拱上建建筑实腹式式拱上上建筑筑：侧墙、、拱腹腹填料料、护护拱以以及变变形缝缝、防防水层层、泄泄水管管和桥桥面等等部分分跨径较较小的的石板板拱，，常采采用实实腹式式拱上上建筑筑。构造简简单、、施工工方便便，填填料的的数量量较多多、恒恒载较较重。。第三章章拱拱桥桥上部部结构构-150空腹式式拱上上建筑筑大、中中跨桥桥的拱拱桥，，特别别是当当矢高高较大大时,实腹式式拱上上建筑筑的填填料用用最多多、重重量大大，因因而以以采用用空腹腹式拱拱上建建筑为为宜。。空腹式式拱上上建筑筑除具具有实实腹式式拱上上建筑筑相同同的构构造外外，还还具有有腹孔和和腹孔孔墩。。第三章章拱拱桥桥上部部结构构-151桥墩（（台））上腹腹拱的的布置置方式式第三章章拱拱桥桥上部部结构构-152腹拱墩墩构造造形式式第三章章拱拱桥桥上部部结构构-153四、桥例成昆线线一线线尺石石板拱拱桥总总体布布置图图第三章章拱拱桥桥上部部结构构-1543.3.2钢筋混混凝土土肋拱拱与箱箱拱一、肋拱的的主拱拱肋由两条条或多多条分分离的的平行行拱肋肋，以以及在在拱肋肋上设设置的的立柱柱和横横梁支支承的的行车车道部部分组组成。。为了保保证肋肋拱桥桥的横横向整整体稳稳定性性，两两肋外外缘距距离不不小于于L/20，肋宽宽／横横系梁梁间距距不小小于1/20（规范范要求求）。。第三章章拱拱桥桥上部部结构构-155中小跨跨径：：矩矩形｛｛高=（1/40~1/60）L，宽宽=0.5~2.0高}大跨径径：工工字形形{高=（1/25~1/35）L，宽=0.4~0.5高，腹腹板厚厚0.3~0.5米}比矩形形的高高分离的的拱肋肋间须须设置置横系系梁肋拱适适合大大中跨跨径拱拱桥。。第三章章拱拱桥桥上部部结构构-156肋拱桥桥桥型型图第三章章拱拱桥桥上部部结构构-157肋拱桥桥的拱拱肋截截面形形式第三章章拱拱桥桥上部部结构构-158二、箱箱拱的的主拱拱圈箱拱或或箱形形拱的的主拱拱圈全全宽采采用一一个箱箱（通通常为为单箱箱多室室），，主拱拱圈为为整体体薄壁壁箱形形结构构。适用于于大跨跨径，，挖空空率可可达50~70%。自重重轻。。抗弯弯抗扭扭刚度度大，，横向向整体体性好好，稳稳定性性好。。吊装装要求求高，，一般般在跨跨径50m以上。。第三章拱拱桥桥上部结结构-159拱高：H=L/100+（0.6~0.7）米，箱宽：1.3m~1.6m壁厚：0.08~0.10m底厚：0.1~0.14m横隔板间间距<5m，厚0.06~0.08m（顶板边边为0.06~0.08m）安装：开开口箱+现浇——重量轻闭口箱——抗扭刚度度大第三章拱拱桥桥上部结结构-160箱形拱闭闭合箱的的构造箱拱预制制施工构构造示意意图三、钢筋混凝凝土肋拱拱、箱拱拱的拱上建筑筑梁（板））拱上建建筑第三章拱拱桥桥上部结结构-163腹孔墩构构造型式式四、桥例铁路丰沙沙线永定定河七号号桥总体体布置第三章拱拱桥桥上部结结构-165邕宁邕江江大桥总总体布置置图邕江大桥桥拱肋截截面图第三章拱拱桥桥上部结结构-167重庆万县县长江大大桥总体体布置图图第三章拱拱桥桥上部结结构-168重庆万县县长江大大桥主拱拱圈截面面构造图图第三章拱拱桥桥上部结结构-1693.3.3钢筋混凝凝土双曲曲拱、桁桁架架拱和刚刚架拱一、双曲拱主拱圈：：拱肋、、拱波、、拱板、、横向联联系施工时化化整为零零，集零零为整受受力。于1964年在江苏苏无锡诞诞生，东东拱桥，，跨径9m，为三肋肋二波砖砖结构。。文革期间间发展迅迅速，约约定44余座，最最大跨径径150米第三章拱拱桥桥上部结结构-170河南前河河大桥：：1-150m，f0/L0=1/10，7+2××0.6m，汽-15，拖-60，拱宽7.8m，变截面面悬链线线，高2.2~2.7，1969年建成。。湖南汀江江大桥：：主桥长长1250米，宽20米，最大大跨径76米，引桥桥282米，规模模最大。。目前已基基本不修修建，但但加固与与加宽问问题突出出。第三章拱拱桥桥上部结结构-171特点：拱肋、拱拱坡、拱拱板、横横向联系系组成截面合理理，省材材料施工无支支架，吊吊装重量量轻人工用量量大整体性差差第三章拱拱桥桥上部结结构-172二、桁架架拱桁架拱又又称拱形形桁架桥桥，具有有水平推推力的桁桁架结构构，下弦杆为为拱形，，上弦杆杆一般与与桥道结结构组合合成一整整体而共共同工作作。在跨跨中部分分，因上上、下弦弦杆很靠靠近而做做成实腹腹段。拱上建筑筑与主拱拱圈共同同受力，，成片预预制。第三章拱拱桥桥上部结结构-173特点：兼具桁架架和拱的的特点，，结构受受力合理理，材料料省；总重力，，推力小小，对地地基要求求低；整体性好好——比双曲拱拱；施工方便便；吊装困难难，节点点易开裂裂第三章拱拱桥桥上部结结构-174相当于挖挖空的拱拱片拱桁梁桥有有拉杆，，无法用用钢筋砼砼（特别别是上、、下弦）），用拱拱式则可可以。桁架拱的的形式：：①斜腹腹杆②②竖腹腹式③桁架架肋④④圆拱拱片桁架拱桥桥的主要要组成桁架拱的的主要形形式桁架拱桥桥的节点点构造示示例第三章拱拱桥桥上部结结构-178江界河桁桁架拱桥桥第三章拱拱桥桥上部结结构-179三、刚架拱桥桥八十年代代新开发发的拱桥桥桥型，，造型更更简洁，，吊装重重量轻，，跨越能能力更大大，跨径径从25m起。江西太白白桥：已已建成的的最大刚刚架拱，，跨径130m。广东清远远北江大大桥：最最长的刚刚架拱，，全长1058m。（3×45+8××70+4×45m）第三章拱拱桥桥上部结结构-180刚架拱在在我省也也修建了了许多，，主要为为跨径60米以下的的桥。其矢跨比比一般为为1/8和/10。特点：兼兼具刚架架与拱的的优点，，吊装能能力小。。桥面：①①微弯弯板②②填平平层刚架拱桥桥的主要要组成第三章拱拱桥桥上部结结构-182江西德兴兴铜矿太太白桥第三章拱拱桥桥上部结结构-1833.3.4拱梁组合合钢桥拱梁组合合体系桥桥梁：利利用行车车系的纵纵梁作为为拉杆，，拱与梁梁在拱脚脚处刚结结，支承承于墩台台支座之之上。一方面使使拱梁共共同承受受荷载，，从整体体上节约约材料，，另一方方面对墩墩台与基基础的要要求降低低，从外外部受力力上类似似于简支支梁。第三章拱拱桥桥上部结结构-184拱梁组合合体系根根据拱肋肋与系梁梁相对抗抗弯刚度度的大小小分为柔性系杆杆刚性拱拱刚性系杆杆柔性拱拱刚性系杆杆刚性拱拱第三章拱拱桥桥上部结结构-185铁路成昆昆线迎水水河桥总总体布置置迎水河桥桥上部结结构拼拼装示意意图第三章拱拱桥桥上部结结构-187九江长江江大桥总总体布置置图第三章拱拱桥桥上部结结构-1883.3.5钢管混凝凝土刚架架系杆拱拱一、概述述钢管砼基基本原理理：借助内填填砼增强强钢管壁壁的稳定定性；借助钢管管对核心心砼的套套箍作用用提高砼砼强度。。钢管砼拱拱桥广泛泛应用的的原因：：拱为压弯弯构件，，钢管砼砼以受压压为主；；拱桥施工工问题。。第三章拱拱桥桥上部结结构-189结构特点点：钢管本身身就是耐耐侧压的的模板钢管本身身就是钢钢筋钢管本身身又是劲劲性承重重骨架与钢结构构相比，，省钢材材50%，与普通通钢筋砼砼相比，，面积省省一半（（用钢量量相同时时）第三章拱拱桥桥上部结结构-190钢管混凝凝土拱肋肋的截面面形式第三章拱拱桥桥上部结结构-191第三章拱拱桥桥上部结结构-192二、下承式刚刚架系杆杆拱主要用在在建筑高高度受限限制和地地基条件件较差的的情况下下。由于系杆杆的存在在，基本本上平衡衡了拱桥桥的恒载载产生的的水平推推力，降降低了对对下部结结构和基基础的要要求。第三章拱拱桥桥上部结结构-193虽然拱脚脚与桥墩墩为固结结，但由由于墩的的抗推刚刚度较小小，所以以拱脚存存在着转转角。根据拱的的受力特特性，拱拱脚变位位对拱受受力的影影响以水水平位移移最大，，转角次次之，水水平位移移又以相相对向外外不利，，它主要要靠拉杆杆来约束束，所以近似似分析时时，可以以考虑按固定拱拱计算,但应计入入拱的水平平位移产产生的内内力。第三章拱拱桥桥