大跨度桥梁设计之大跨度拱桥设计

第7章

大跨度拱桥大跨度桥梁设计本章的主要内容7.1拱桥的基本组成和受力特点7.2拱桥的结构体系7.3拱桥的总体构思与构造7.4拱桥的计算7.5拱桥的施工7.6工程实例§7.1拱桥的基本组成和受力特点7.1.1拱桥的基本组成上部结构：（1）主拱圈：主要承重构件（2）拱上建筑：桥面系和传力构件或填充物下部结构：桥墩、桥台、基础拱桥的主要组成部分l0-净跨径l-计算跨径f0-净矢高f-计算矢高f/l-矢跨比拱桥的主要技术名词净跨径（l0）每孔拱跨两个起拱线之间的平距计算跨径（l）相邻两拱脚截面形心之间的平距

（即拱轴线两端点之间的平距）净矢高（f0）拱顶截面下缘至起拱线连线之间的垂距计算矢高（f）拱顶截面形心至相邻两拱脚截面形心之连线的垂距矢跨比（D或

D0）又称矢度，计算矢高与计算跨径之比（D=f/l）或净矢高与净跨径之比（D0=f0/l0）§7.1拱桥的基本组成和受力特点7.1.1拱桥的基本组成坦拱:D＜1/5陡拱:D≥1/5§7.1拱桥的基本组成和受力特点7.1.1拱桥的基本组成拱桥分类建桥材料圬工拱桥，钢筋混凝土拱桥，钢拱桥拱轴线型式圆弧拱桥，抛物线拱桥，悬链线桥桥面位置上承式拱桥，中承式拱桥，下承式拱桥结构体系分简单体系拱桥：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§7.1拱桥的基本组成和受力特点7.1.1拱桥的基本组成根据行车道的位置，拱桥可以分成：上承式、下承式和中承式三种类型。拱桥的基本图示上承式拱桥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。1997四川万县长江大桥L=420m)劲性骨架钢筋混凝土箱形拱桥上承式拱桥巫山巫峡长江大桥丫髻沙大桥中承式拱桥上海卢浦大桥桥2003.6建成，主桥长长750m，为全钢结构构，其中主跨跨直径达550m，居世界同类类桥梁之首，，被誉为“世世界第一钢拱拱桥”。武汉江汉三桥桥桥长989.75米，主跨302.93米，为跨径为为280米的下承式钢钢管混凝土系系杆拱桥。浙江省嵊州大大桥主桥采用下承承式钢管混泥泥土单杆拱桥桥。两跨，跨跨径长136米。下承式拱桥§7.1拱桥的基本组组成和受力特特点7.1.2拱桥的受力特特点支座处存在水水平推力拱内产生生轴向压力弯矩减少偏心受压应应力较均匀。。300~800m范围内，可以以与斜拉桥竞竞争。§7.2拱桥的结构体体系7.2.1简单体系拱桥桥简单体系拱桥桥构造简单、、受力明确，，全部荷载由由拱肋承受。。按照拱圈的静静力体系分为为：三铰拱：静定，无附加加应力，铰构构造复杂，少少用。无铰拱：三次超静定，，刚度大，构构造简单，附附加应力大，，混凝土拱多多采用无铰拱拱。两铰拱：介于二者之间间，钢拱采用用较多。§7.2拱桥的结构体体系7.2.2组合体系拱桥桥荷载一部分由由纵梁承担，，一部分通过过吊杆传递给给主拱肋承担担。柔性系杆刚性性拱（系杆拱拱）刚性系杆柔性性拱（蓝格尔尔拱）刚性系杆刚性性拱（洛泽拱拱）用斜吊杆时称称为尼尔森拱拱无推力组合体体系拱桥§7.2拱桥的结构体体系7.2.2组合体系拱桥桥多跨无推力组组合体系拱桥桥§7.2拱桥的结构体体系7.2.2组合体系拱桥桥部分有推力组组合体系拱桥桥拱脚在中墩处处固结，拱、、梁通过立柱柱和拱顶实体体段连接共同同承受荷载。。应用交广泛。。在恒载作用下下，通过张拉拉系杆来平衡衡主拱的水平平力；成桥后，由于于拱脚固结，，水平位移被被约束，在活活载及其他荷荷载作用下，，拱脚产生水水平推力，形形成部分有推推力拱桥体系系。§7.2拱桥的结构体体系7.2.2组合体系拱桥桥有推力组合体体系拱桥梁和拱共同受受力，拱的推推力完全由墩墩台承担。梁分担一部分分荷载，拱脚脚推力小于简简单体系拱桥桥。§7.2拱桥的结构体体系7.2.2组合体系拱桥桥——拱肋与纵梁连连接方式中承式梁拱组组合体系中边跨纵梁在在拱肋连接处处断开；边跨梁与拱肋肋固结，中跨跨梁与拱肋连连接处断开；；拱梁完全刚性性连接，共同同承担荷载。。§7.2拱桥的结构体体系7.2.2组合体系拱桥桥——拱肋与纵梁连连接方式下承式梁拱组组合体系拱梁固结；拱梁铰接；梁以体外索的的形式锚固在在拱的两端，，桥面系通过过横梁与吊杆杆连接，将桥桥面荷载传递递给拱肋。§7.3拱桥的总体思思路与构造7.3.1拱桥的总体构构思1）上承式拱桥桥的总体构思思有推力拱桥；；拱圈是主要受受力构件；桥面系不参与与拱圈的整体体受力，而作作为局部受力力构件设计。。§7.3拱桥的总体思思路与构造7.3.1拱桥的总体构构思（1）桥长及分孔孔按照水文计算算、通航要求求以及技术经经济指标确定定，可采用单单跨拱桥或多多跨拱桥形式式；为避开深水水区或不良良地质地段段，可采用用不等跨布布置；一般采用单单跨拱桥来来跨越高山山峡谷、水水流急的河河道。1）上承式拱拱桥的总体体构思§7.3拱桥的总体体思路与构构造7.3.1拱桥的总体体构思（2）桥梁设计计高程桥面高程：：由总体路线线设计确定定。拱顶高程：：桥面高程-拱顶处的建建筑高度。。起拱线高程程：为减轻墩底底偏心弯矩矩，宜采用用较低的起起拱线高程程。有铰拱桥：：起拱线一一般高于设设计洪水位位0.25m；严寒地区区桥梁，起起拱线不应应低于流冰冰水位0.25m；无铰拱桥：：防止漂浮浮物撞击，，拱圈不宜宜淹没太多多；美观角度，，拱座一般般露出地面面一定高度度。基础底面高高程：根据冲刷深深度、地基基承载力等等计算确定定。1）上承式拱拱桥的总体体构思§7.3拱桥的总体体思路与构构造7.3.1拱桥的总体体构思（3）跨径布置置三跨拱桥，，理想的边边中跨比值值应使中墩墩在恒载作作用下的水水平推力平平衡。则边边中跨比为为：1）上承式拱拱桥的总体体构思§7.3拱桥的总体体思路与构构造7.3.1拱桥的总体体构思（4）拱轴线的的选择圆弧线：线线形简单，，施工方便便。主要用用于20m以下的拱桥桥。抛物线：可可采用二次次抛物线；；为使拱轴轴线与恒载载压力线吻吻合，可采采用高次抛抛物线。悬链线：最最常采用的的拱轴线。。1）上承式拱拱桥的总体体构思§7.3拱桥的总体体思路与构构造7.3.1拱桥的总体体构思（5）矢跨比矢跨比：拱拱肋的矢高高与跨径的的比值。矢矢跨比减小小，拱桥水水平推力增增加，反之之推力减小小。矢跨比影响响拱桥整体体刚度。矢矢跨比在1/4~1/6之间时，拱拱桥刚度较较大。1）上承式拱拱桥的总体体构思2）中、下承承式拱桥的的总体构思思2）中、下承承式拱桥的的总体构思思中、下承式式拱桥的桥桥跨结构一一般由拱肋肋、横向联联系和悬挂挂结构三部部分组成。。拱肋：主要要受力构件件，可采用用钢筋混凝凝土、钢管管混凝土或或钢箱结构构，常用矢矢跨比为1/7~1/4。横向联系：：设置在两两片拱肋之之间，增加加横向稳定定性。包括括一字型横横撑、对角角横撑、K形横撑等。。悬挂结构：：包括吊杆杆和桥面系系等。刚性性吊杆：混混凝土材料料；柔性吊吊杆：平行行钢丝或钢钢绞线。吊吊杆间距一一般4~8m。§7.3拱桥的总体体思路与构构造7.3.1拱桥的总体体构思（1）柔性系杆杆刚性拱3）梁拱组合合体系拱桥桥的总体构构思系杆的刚度度相对于拱拱肋的刚度度较小，系系杆只承受受拉力，拱拱肋按偏心心受压构件件考虑。跨径：20~90m；矢跨比：：1/5~1/4；拱肋高度度（1/50~1/30）L。§7.3拱桥的总体体思路与构构造7.3.1拱桥的总体体构思（2）刚性系杆杆柔性拱3）梁拱组合合体系拱桥桥的总体构构思拱肋的刚度度相对于系系杆的刚度度较小，刚刚性系杆承承受拉力和和弯矩，按按弯拉构件件考虑。跨径：100m；矢跨比：：1/5~1/7；拱肋高度度（1/120~1/100）L。§7.3拱桥的总体体思路与构构造7.3.1拱桥的总体体构思（3）刚性系杆杆刚性拱3）梁拱组合合体系拱桥桥的总体构构思拱肋和系杆杆均承担一一定的弯矩矩，体系整整体刚度大大。拱肋高度（（1/50~1/80）L。§7.3拱桥的总体体思路与构构造7.3.2主拱的构造造1）板拱主拱圈截面面采用矩形形实体截面面的拱桥称称板拱桥。。在中、小跨跨径的圬工工拱桥中采采用。在较薄的拱拱板上增设设纵向肋以以提高拱圈圈抗弯刚度度，即构成成板肋拱拱。板拱§7.3拱桥的总体体思路与构构造7.3.2主拱的构造造2）肋拱肋拱桥是将板拱划划分成多条条分离的、、截面高度度较大的拱拱肋，肋间间用横系梁梁联结。这种形式以以较小的截截面面积获获得较大的的截面抵抗抗矩，减轻轻了结构自自重，多用用于大、中跨径的拱桥。§7.3拱桥的总体体思路与构构造7.3.2主拱的构造造2）肋拱拱肋截面（1）矩形：构构造简单、、施工方便便（2）工字形：：适用：大、、中跨径（3）箱型：适用：跨径径大，桥面面宽（4）管形：适用：钢管管混凝土拱拱桥钢管混凝土土拱桥简介介钢管混凝土土拱肋立柱（或吊吊杆）横撑行车道系下部构造§7.3拱桥的总体体思路与构构造7.3.2主拱的构造造3）箱形拱箱形拱桥主主拱圈截面面挖空，以以较少的材材料可获得得较大的截截面抵抗矩矩，减轻自自重，节省省材料。箱形截面抗抗扭刚度很很大，整体体性和稳定定性都较好好，但施工工制作较复复杂。适用用于大跨径径拱桥。§7.3拱桥桥的的总总体体思思路路与与构构造造7.3.2主拱拱的的构构造造3）箱箱形形拱拱可为为单单室室箱箱或或多多室室箱箱，，每每一一闭闭合合箱箱又又由由箱箱壁壁、、顶顶板板、、底底板板及及横横隔隔板板组组成成多条条U形肋肋多条条工工字字形形肋肋多条条闭闭合合箱箱肋肋单箱箱多多室室截截面面§7.4拱桥桥的的计计算算拱桥桥计计算算的的主主要要内内容容拱桥桥的的计计算算拱轴轴线线的的选选择择与与确确定定成桥桥状状态态的的内内力力分分析析和和强强度度、、刚刚度度、、稳稳定定验验算算施工工阶阶段段的的内内力力分分析析和和验验算算恒载载内内力力温度度、、收收缩缩徐徐变变拱脚脚变变位位活载载内内力力内力力调调整整拱上上建建筑筑的的计计算算§7.4拱桥桥的的计计算算拱轴轴线线的的选选择择与与确确定定拱轴轴线线的的形形状状直直接接影影响响主主截截面面的的内内力力分分布布与与大大小小，，选选择择拱拱轴轴线线的的原原则则，，是是要要尽可可能能降降低低荷荷载载产产生生的的弯弯矩矩。最理理想想的的拱拱轴轴线线是是与与拱拱上上各各种种荷荷载载作作用用下下的的压压力力线线相相吻吻合合，，使拱拱圈圈截截面面只只受受压压力力，，而而无无弯弯矩矩及及剪剪力力的的作作用用，，截截面面应应力力均均匀匀，能能充充分分利利用用圬圬工工材材料料的的抗抗压压性性能能实际际上上由由于于活活载载、、主主拱拱圈圈弹弹性性压压缩缩以以及及温温度度、、收收缩缩等等因因素素的的作作用用，，得得不不到到理理想想的的拱拱轴轴线线。。一般般以以恒恒载载压压力力线线作作为为设设计计拱拱轴轴线线。。圆弧线线、抛抛物线线和悬悬链线线§7.4拱桥的的计算算强度验验算利用内内力包包络图图进行行主拱拱强度度验算算，拱拱脚、、拱顶顶、拱拱跨3l/8、l/4是主要要控制制截面面，根根据结结构设设计原原理和和桥规规进行行验算算。拱圈强强度验算:《公路圬圬工桥桥涵设设计规规范》（JTGD61-2005）无铰拱拱和双双铰拱拱的计计算可可不考考虑拱拱上建建筑与与主拱拱圈的的联合合作用用。计算由由车道道荷载载引起起的拱拱的正弯矩矩时，拱拱顶，，拱跨跨1/4应乘以以折减减系数数0.7，拱脚脚应乘乘以0.9，中间间各个个截面面的正正弯矩矩折减减系数数，可可用直直线插插人法法确定定。一般无无铰拱拱桥，，拱脚和拱顶是主要要控制制截面面；大大跨度度拱桥桥应验验算拱顶、拱跨3l/8、拱跨l/4和拱脚四个截截面；；对于于中、、小跨跨径拱拱桥，，拱跨l/4截面可可不验验算；特大大跨径径拱桥桥，除除以上上四个个截面面外，，需视视截面面配筋筋情况况，另另行选选择截截面进进行验验算。。Sd——作用效效应的的组合合设计计值Rd——构件承承载能能力设设计值值γ0——结构的的重要要性系系数，，按下下列要要求取取值ad——几何参参数设设计值值，当当无可可靠数数据时时，可可采用用几何何参数数标准准值ak§7.4拱桥的的计算算稳定验验算拱的稳稳定性性验算算分为为纵向向(面内)和横向向(面外)两方面面。大、中中跨径径拱桥桥是否否验算算纵、、横向向稳定定与施施工过过程有有关：：有支支架施施工，，其稳稳定与与落架架时间间有关关，拱拱上建建筑砌砌筑完完后落落架，，可不不验算算纵向向稳定定;当主拱拱圈宽宽度较较大（（如大大于跨跨度的的1/20），则则可不不验算算拱的的横向向稳定定性；；随拱桥桥所用用材料料性能能的改善善和施施工技技术的的提高高，拱拱桥跨跨径不不断增增大，，主拱拱的长长细比比越来来越大大，施施工和和成桥桥运营营状态态稳定定问题题非常常突出出。§7.4拱桥的的计算算纵向稳稳定对于长长细比比不大大，且且f/l在0.3以下的的拱，，其纵纵向稳稳定性性验算算一般般可以以表达达为强强度校校核的的形式式:§7.4拱桥的的计算算横向稳稳定拱的横横向稳稳定性性验算算，目目前尚尚无成成熟的的计算算办法法，工工程上上常用用与纵纵向稳稳定相相似的的公式式来验验算拱拱的横横向稳稳定性性：NL——拱横向向失稳稳时的的平均均临界界轴力力；Nj——按承载能力极极限状态组合合计算的平均均轴力；γm——横向稳定安全全系数，一般般取值为4~5。§7.4拱桥的计算横向稳定板拱或采用单单肋合龙时的的拱肋:临界荷载系数数K2值表f/l0.10.20.3K228.040.036.5理论与实践证证明：无铰拱的临界界荷载比有铰铰拱大得多。悬链线无铰铰拱的横向稳稳定，精确的的方法是作空空间有限元电电算分析，手手算时，可偏安全地采采用两铰拱的的计算公式，或者近似采采用圆弧无铰拱的的公式计算临界轴向向力。§7.4拱桥的计算有限元法在拱拱桥计算中的的应用有限元方法是是为能够求解解弹性力学的的偏微分方程程组（15个方程：3个平衡微分方方程，6个几何方程和和6个物理方程）而发展的一一种数值方法法，随着计算算机的发展而而得到迅速进进步；用有限元方法法计算三维空空间的桥梁结结构，可以实实现多种非线线性影响的计计算，例如，，几何非线性、、材料非线性性、动力问题题及稳定问题题等。★有限元程序专门程序：大型通用程序序SAPADINANASTRANANSYS桥梁博士,MIDAS§7.4拱桥的计算有限元法在拱拱桥计算中的的应用数据准备及计计算分析简介介：结构离散(单元划分)组织数据文件件：节点信息（节节点编号和节节点坐标）、、单元信息（（单元编号及及单元与节点点关系）、荷荷载信息（位位置、类型及及大小）、材材料信息、截截面特性信息息、边界条件件信息等；数数据检查，图图形显示。计算结果及分分析（后处理）：：判断各种工工况计算结果果及其总体计计算结果。§7.4拱桥的计算有限元法在拱拱桥计算中的的应用1、支架施工2、转体施工3、缆索吊装施施工4、顶推施工5、悬臂施工§7.5拱桥的施工§7.5拱桥的施工7.5.1支架施工支架施工分为为支架就地浇筑筑和支架拼装装主拱施工。支架就地浇筑筑是指在拱圈位位置采用钢材材或木材搭设设拱架，形成成拱胎，然后后在拱胎上浇浇筑，最后落落架完成拱圈圈施工。常用的拱架形形式§7.5拱桥的施工7.5.1支架施工支架拼装主拱拱：对中等跨度范范围的钢管混混凝土拱桥或或钢箱拱桥，，拱肋离地面面不高且节段段重量不大，，可搭设临时时墩进行拱肋肋拼装。§7.5拱桥的施工7.5.2转体施工转体施工法是指将桥梁结结构在非设计计轴线位置制制作（浇注或或拼接）成形形后，通过转转体就位的一一种施工方法法。竖转法平转法竖转与平转结结合法§7.5拱桥的施工7.5.2转体施工竖转法将拱圈从拱顶顶分成两个半半跨，在桥孔孔下搭设支架架平台进行两两个半跨的预预制和组拼，，利用旋转装装置将拱肋进进行竖向转体体至设计位置置，然后在拱拱顶合龙，最最后封闭拱脚脚转动铰，形形成拱结构。。贵州务川自治治县珍珠桥竖竖向转体施工工竖转法贵州务川自治治县珍珠桥竖竖向转体施工工§7.5拱桥的施工7.5.2转体施工平转法将拱肋分成两两个半跨，分分别利用两岸岸地形制作拱拱架，现浇或或拼装拱肋、、横向联系，，借助转盘装装置和推拉千千斤顶，慢速速将拱肋转体体180度，最后进行行拱肋合龙段段和拱上建筑筑的施工。平转法§7.5拱桥的施工7.5.2转体施工平竖结合转体体法将竖向转体和和平面转体结结合完成拱肋肋的施工。丫髻沙大桥丫髻沙大桥§7.5拱桥的施工7.5.3缆索吊装施工工缆索吊装施工工是指采用缆索索结构吊运安安装拱肋的一一种施工方法法，无支架施施工，适用于于高差较大的的垂直吊装和和架空纵向运运输的大跨度度拱桥的施工工，又称为斜斜拉扣挂法。。缆索吊装§7.5拱桥的施工7.5.4顶推施工顶推施工对环境影响小小，占地面积积小，工期短短，经济节约约，在施工平平台易于拼装装而保证施工工精度等优点点。§7.5拱桥的施工7.5.4顶推施工§7.5拱桥的施工7.5.5悬臂施工悬臂施工法分为悬