拱桥的分类构造设计计算及施工

第三章拱桥上部结构-11拱桥的分类、构造、设计计算及施工§3.1概述§3.2拱桥的分类§3.3常见拱桥的构造特点

§3.4单跨悬链线无铰板拱的设计§3.5拱桥受力特点与主拱设计计算要点§3.6拱桥施工

第三章拱桥上部结构-12§3.1概述3.1.1拱桥的起源3.1.2拱桥的基本特点3.1.3拱桥的组成第三章拱桥上部结构-133.1.1拱桥的起源世界上对拱结构的起源众说不一自然界溶洞天然拱崩落的堆石拱砌墙开洞，逐渐由“假拱”演变而成中国：墓葬结构及仅存实物，拱由梁与侧柱演变为三、五、七等折边拱，演变为圆拱。第三章拱桥上部结构-14跨度由小变大，由二三米而到达净跨37.02m，并保持了千余年的世界记录。中国现存最早，并保存良好的是隋代赵州安济桥（赵州桥）。桥为敞肩圆弧石拱，拱圈并列28道，净跨37.02m，矢高7.23m，上狭下宽总宽9m。主拱圈等厚1.03m，主拱圈上有护拱石。安济桥（赵州桥）第三章拱桥上部结构-16中国石拱因南北河道性质及陆上运输工具不同，构造不同。北方大多为平桥（或平坡桥），实腹厚墩厚拱。南方水网地区则为驼峰式薄墩薄拱。第三章拱桥上部结构-17南方江浙一带水网地区，以舟行为主。潮汐河流，软土地基，即使石拱桥亦尽量减轻重量建造为薄墩薄拱。桥孔自单孔多到85孔（江苏吴江垂虹桥，已塌，尚存残孔8孔）。第三章拱桥上部结构-18薄拱的拱厚最小者仅及拱跨的1／66.7，而一般拱厚则为1／20左右。现存枫桥（清代建）也是薄拱。薄墩之薄，相邻两拱圈拱石相接，特别是三孔连拱薄墩桥，中孔大、边孔小，两岸以踏步上桥。桥成驼峰形，造型美观。第三章拱桥上部结构-19中国的木拱桥肇始自宋。宋代张．择端的《清明上河图》，在画面高峰处有北来都城汴京（现河南开封）跨汴水的一座木拱桥，名为虹桥。为了漕运，水中无桥墩，桥采用了“贯木’架桥，即大木穿插叠架为木拱。虹桥桥跨约18．5m，拱矢约4．2m，桥面总宽9．6m。桥毁于金元之际，几百年来一直认为是绝唱。虹桥第三章拱拱桥桥上部结结构-1113.1.2拱桥的基基本特点点拱桥与梁梁桥的区区别：外形不不同、受受力性能能有差别别。圬工拱桥桥的优点点跨越能力力大能就地取取材第三章拱拱桥桥上部结结构-112能耐久，，养护、、维修费费用少外型美观观构造较简简单圬工拱桥桥的缺点点自重大，，水平推推力大，，对地基基要求高高有支架施施工时，，施工耗耗时第三章拱拱桥桥上部结结构-113连拱拱桥桥设置构构造复杂杂的单向向推力墩墩，增加加了造价价上承式拱拱桥对标标高要求求高，城城市少用用拱桥发展展石拱桥钢拱桥钢筋混凝凝土拱桥桥钢管混凝凝土拱桥桥3.1.3拱桥的组组成石拱桥的的主要组组成与名名称第三章拱拱桥桥上部结结构-115拱桥（ArchBridge）的组组成桥跨结构构（上部部结构））superstructure主拱圈mainarch拱上结构构spandralstructure下部结构构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下承式下承式拱桥桥的桥跨结结构由拱肋肋、悬吊结结构和横向向联结系三三部分组成成。车辆在两片片（三片））拱肋之间间行驶，需需要用吊杆杆将桥面系系悬挂在拱拱肋下。桥桥面系和这这些传力构构件称为悬吊结构。第三章拱拱桥上部部结构-128中承式：行车平面位位于肋拱矢矢高的中间间部位，桥桥面系一部部分用吊杆杆悬挂在拱拱肋下，一一部分用立立柱支撑在在拱肋上。。下承式或中中承式拱桥桥一般是在在桥梁建筑筑高度受到到限制时考考虑，其拱拱圈只能使使用肋拱形形式。中、下承式式主要用于于地势平坦坦、桥面标标高受限制制或基础较较差的拱桥桥之中。第三章拱拱桥上部部结构-1293.2.2按照结构体体系分类3.2.2.1简单体系的的拱桥拱圈的静力力图式第三章拱拱桥上部部结构-130三铰拱：静定，，无附加应应力，铰构构造复杂，，桥面在铰铰处需设置置伸缩缝，，桥面纵坡坡在伸缩缝缝处折角，，不利行车车与养护。。两铰拱：介于二二者之间无铰拱：三次超超静定，刚刚度大，构构造简单，，附加应应力大。广广泛用于石石拱桥和钢钢筋混凝土土拱桥之中中，尤其是是基础较好好、跨径较较大时。。3.2.2.2拱梁组合桥桥（1）无推力的的拱梁组合合桥柔性系杆刚刚性拱—系杆拱刚性系杆柔柔性拱—朗格尔拱刚性系杆刚刚性拱—洛泽拱用斜吊杆来来代替竖直直吊杆时称为尼尔森森拱。第三章拱拱桥上部部结构-132（2）有推力的的组合体系系拱桥刚性梁柔性性拱（倒朗朗格尔拱））刚性梁刚性性拱（倒洛洛泽拱）第三章拱拱桥上部部结构-1333.2.2.3刚架系杆拱拱系杆拱中拱拱肋与桥墩墩固结，不不设支座采用预应力力钢绞线作作为拉杆来来平衡拱的的推力，拉拉杆独立于于桥面系之之外，不参参与桥面系系受力，而而桥面系为为局部受力力构件。这种结构由由于拱和墩墩联接处为为刚结点，，属刚架结结构，又带带有系杆，，故称之为为刚架系杆拱拱第三章拱拱桥上部部结构-134刚架系杆拱拱示意图单跨下承式式多多跨下下承式带带悬臂中中承式3.2.3按照主拱的的截面形式式分类第三章拱拱桥上部部结构-136§3.3常见拱桥的的构造特点点3.3.1石板拱一、总体布布置石拱桥的主主拱圈以石石料建造。。跨径小于20m，拱上建筑筑常做成实实腹式跨径大于20m，拱上建筑筑一般为空空腹式实腹式拱桥桥构造图空腹式拱桥桥构造图第三章拱拱桥上部部结构-140二、主拱圈料石拱(粗料石)：不小小于30号石料、不不小于7.5号砂浆（（大中桥桥）不不小于5号砂浆（小小桥）块石拱：片石拱：7.5号砂浆（中中小桥）石拱圈：等等截面圆弧弧拱，等截截面或变截截面悬链线线拱第三章拱拱桥上部部结构-141粗料石砌筑筑拱时，拱拱石需要随随拱轴线和和截面形式式不同而分分别进行编号，以便于拱拱石的加工工。等截面圆弧弧线拱圈，截面相等等，单心圆圆弧线，拱拱石规格较较少，编号号较简单变截面拱圈圈，由于截面面发生变化化，使拱石石类型较多多，编号较较复杂，给给施工带来来很大的麻麻烦石板拱的主主拱圈以等等截面为主主第三章拱拱桥上部部结构-142等截面圆弧弧拱的拱石石编号第三章拱拱桥上部部结构-143变截面拱圈圈的拱石编编号第三章拱拱桥上部部结构-144石拱圈构造造上的要求求：受压面的砌砌缝应是辐辐射方向，，即与拱轴轴线相垂直直。一般可可做成通缝缝，不必错错缝拱圈厚度不不大时，可可采用单层层拱石砌筑筑，拱厚较较大时可采采用多层拱拱石砌筑要求垂直于于受压面的的顺桥向砌砌缝错开，，其错缝间间距不小于于0.10m第三章拱拱桥上部部结构-145拱圈横截面面内，拱石石的竖向砌砌缝应当错错开，其错错开宽度至至少0.10m，在纵向或或横向剪力力作用下，，可避免剪剪力单纯由由砌缝内的的砂浆承担担，增大砌砌体的抗剪剪强度和整整体性。砌缝的缝宽宽不应大于于0.02m。第三章拱拱桥上部部结构-146拱圈与墩台台、空腹式式拱上建筑筑的腹孔墩墩与拱圈相相连接处，，应采用特特制的五角石，以改善连连接处的受受力状况。。五角石不得得带有锐角角，以免施施工时易破破坏和被压压碎。为了简化施施工，也常常采用现浇混凝土土拱座及腹孔墩底梁梁来代替制作作复杂的五五角石。拱石的砌缝缝五五角石石及混凝土土拱座、底底梁第三章拱拱桥上部部结构-148用块石或片片石砌筑拱拱圈时，应应选择较大大的平整面面与拱轴线线相垂直，，并使石块块的大头向向上，小头头向下。石块间的砌砌缝必须相相互交错，，较大的缝缝隙应用小小石块嵌紧紧。砌缝用砂浆浆或小石子子混凝土灌灌满。第三章拱拱桥上部部结构-149三、拱上建建筑实腹式拱上上建筑：侧墙、拱腹腹填料、护护拱以及变变形缝、防防水层、泄泄水管和桥桥面等部分分跨径较小的的石板拱，，常采用实实腹式拱上上建筑。构造简单、、施工方便便，填料的的数量较多多、恒载较较重。第三章拱拱桥上部部结构-150空腹式拱上上建筑大、中跨桥桥的拱桥，，特别是当当矢高较大大时,实腹式拱上上建筑的填填料用最多多、重量大大，因而以以采用空腹腹式拱上建建筑为宜。。空腹式拱上上建筑除具具有实腹式式拱上建筑筑相同的构构造外，还还具有腹孔和腹孔孔墩。第三章拱拱桥上部部结构-151桥墩（台））上腹拱的的布置方式式第三章拱拱桥上部部结构-152腹拱墩构造造形式第三章拱拱桥上部部结构-153四、桥例成昆线一线线尺石板拱拱桥总体布布置图第三章拱拱桥上部部结构-1543.3.2钢筋混凝土土肋拱与箱箱拱一、肋拱的主拱拱肋由两条或多多条分离的的平行拱肋肋，以及在在拱肋上设设置的立柱柱和横梁支支承的行车车道部分组组成。为了保证肋肋拱桥的横横向整体稳稳定性，两两肋外缘距距离不小于于L/20，肋宽／横横系梁间距距不小于1/20（规范要求求）。第三章拱拱桥上部部结构-155中小跨径：：矩形｛｛高=（1/40~1/60）L，宽宽=0.5~2.0高}大跨径：工工字形{高=（1/25~1/35）L，宽=0.4~0.5高，腹板厚厚0.3~0.5米}比矩形的高高分离的拱肋肋间须设置置横系梁肋拱适合大大中跨径拱拱桥。第三章拱拱桥上部部结构-156肋拱桥桥型型图第三章拱拱桥上部部结构-157肋拱桥的拱拱肋截面形形式第三章拱拱桥上部部结构-158二、箱拱的的主拱圈箱拱或箱形形拱的主拱拱圈全宽采采用一个箱箱（通常为为单箱多室室），主拱拱圈为整体体薄壁箱形形结构。适用于大跨跨径，挖空空率可达50~70%。自重轻。。抗弯抗扭扭刚度大，，横向整体体性好，稳稳定性好。。吊装要求求高，一般般在跨径50m以上。第三章拱拱桥上部部结构-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横隔板间距距<5m，厚0.06~0.08m（顶板边为为0.06~0.08m）安装：开口口箱+现浇——重量轻闭口箱——抗扭刚度大大第三章拱拱桥上部部结构-160箱形拱闭合合箱的构造造箱拱预制施施工构造示示意图三、钢筋混凝土土肋拱、箱箱拱的拱上建筑梁（板）拱拱上建筑第三章拱拱桥上部部结构-163腹孔墩构造造型式四、桥例铁路丰沙线线永定河七七号桥总体体布置第三章拱拱桥上部部结构-165邕宁邕江大大桥总体布布置图邕江大桥拱拱肋截面图图第三章拱拱桥上部部结构-167重庆万县长长江大桥总总体布置图图第三章拱拱桥上部部结构-168重庆万县长长江大桥主主拱圈截面面构造图第三章拱拱桥上部部结构-1693.3.3钢筋混凝土土双曲拱、、桁桁架拱和和刚架拱一、双曲拱主拱圈：拱拱肋、拱波波、拱板、、横向联系系施工时化整整为零，集集零为整受受力。于1964年在江苏无无锡诞生，，东拱桥，，跨径9m，为三肋二二波砖结构构。文革期间发发展迅速，，约定44余座，最大大跨径150米第三章拱拱桥上部部结构-170河南前河大大桥：1-150m，f0/L0=1/10，7+2×0.6m，汽-15，拖-60，拱宽7.8m，变截面悬悬链线，高高2.2~2.7，1969年建成。湖南汀江大大桥：主桥桥长1250米，宽20米，最大跨跨径76米，引桥282米，规模最最大。目前已基本本不修建，，但加固与与加宽问题题突出。第三章拱拱桥上部部结构-171特点：拱肋、拱坡坡、拱板、、横向联系系组成截面合理，，省材料施工无支架架，吊装重重量轻人工用量大大整体性差第三章拱拱桥上部部结构-172二、桁架拱拱桁架拱又称拱形形桁架桥，具有有水平推力的桁桁架结构，下弦杆为拱形，，上弦杆一般与与桥道结构组合合成一整体而共共同工作。在跨跨中部分，因上上、下弦杆很靠靠近而做成实腹腹段。拱上建筑与主拱拱圈共同受力，，成片预制。第三章拱桥桥上部结构-173特点：兼具桁架和拱的的特点，结构受受力合理，材料料省；总重力，推力小小，对地基要求求低；整体性好——比双曲拱；施工方便；吊装困难，节点点易开裂第三章拱桥桥上部结构-174相当于挖空的拱拱片拱桁梁桥有拉杆，，无法用钢筋砼砼（特别是上、、下弦），用拱拱式则可以。桁架拱的形式：：①斜腹杆②②竖腹式③桁架肋④④圆拱片桁架拱桥的主要要组成桁架拱的主要形形式桁架拱桥的节点点构造示例第三章拱桥桥上部结构-178江界河桁架拱桥桥第三章拱桥桥上部结构-179三、刚架拱桥八十年代新开发发的拱桥桥型，，造型更简洁，，吊装重量轻，，跨越能力更大大，跨径从25m起。江西太白桥：已已建成的最大刚刚架拱，跨径130m。广东清远北江大大桥：最长的刚刚架拱，全长1058m。（3×45+8××70+4×45m）第三章拱桥桥上部结构-180刚架拱在我省也也修建了许多，，主要为跨径60米以下的桥。其矢跨比一般为为1/8和/10。特点：兼具刚架架与拱的优点，，吊装能力小。。桥面：①微弯弯板②填平平层刚架拱桥的主要要组成第三章拱桥桥上部结构-182江西德兴铜矿太太白桥第三章拱桥桥上部结构-1833.3.4拱梁组合钢桥拱梁组合体系桥桥梁：利用行车车系的纵梁作为为拉杆，拱与梁梁在拱脚处刚结结，支承于墩台台支座之上。一方面使拱梁共共同承受荷载，，从整体上节约约材料，另一方方面对墩台与基基础的要求降低低，从外部受力力上类似于简支支梁。第三章拱桥桥上部结构-184拱梁组合体系根根据拱肋与系梁梁相对抗弯刚度度的大小分为柔性系杆刚性拱拱刚性系杆柔性拱拱刚性系杆刚性拱拱第三章拱桥桥上部结构-185铁路成昆线迎水水河桥总体布置置迎水河桥上部结结构

拼装示意意图第三章拱桥桥上部结构-187九江长江大桥总总体布置图第三章拱桥桥上部结构-1883.3.5钢管混凝土刚架架系杆拱一、概述钢管砼基本原理理：借助内填砼增强强钢管壁的稳定定性；借助钢管对核心心砼的套箍作用用提高砼强度。。钢管砼拱桥广泛泛应用的原因：：拱为压弯构件，，钢管砼以受压压为主；拱桥施工问题。。第三章拱桥桥上部结构-189结构特点：钢管本身就是耐耐侧压的模板钢管本身就是钢钢筋钢管本身又是劲劲性承重骨架与钢结构相比，，省钢材50%，与普通钢筋砼砼相比，面积省省一半（用钢量量相同时）第三章拱桥桥上部结构-190钢管混凝土拱肋肋的截面形式第三章拱桥桥上部结构-191第三章拱桥桥上部结构-192二、下承式刚架系杆杆拱主要用在建筑高高度受限制和地地基条件较差的的情况下。由于系杆的存在在，基本上平衡衡了拱桥的恒载载产生的水平推推力，降低了对对下部结构和基基础的要求。第三章拱桥桥上部结构-193虽然拱脚与桥墩墩为固结，但由由于墩的抗推刚刚度较小，所以以拱脚存在着转转角。根据拱的受力特特性，拱脚变位位对拱受力的影影响以水平位移移最大，转角次次之，水平位移移又以相对向外外不利，它主要要靠拉杆来约束束，所以近似分析时时，可以考虑按固定拱计算,但应计入拱的水平位移产产生的内力。