桥梁工程拱桥设计详解

第三章拱桥的设计第三章拱桥的设计

拱桥的设计基本原则：适用、经济、安全和美观。第一节拱桥的总体布置拱桥的总体布置包括：桥位选择、确定桥梁的长度、跨径、孔数、桥面标高、主拱圈的矢跨比等。本节主要阐明拱桥设计中如何确定设计标高和矢跨比等问题。第一节拱桥的总体布置一、确定桥梁的设计标高和矢跨比（一）拱桥的标高主要有四个：桥面标高、拱顶底面标高、起拱线标高、基础底面标高。

E:\photos\桥梁工程插图\135.jpg1、拱桥桥面标高一方面由两岸线路的纵断面设计来控制，另一方面还要保证桥下净空能满足宣泄洪水和通航的要求。第一节拱桥的总体布置2、拱顶底面标高由桥面标高减去拱顶填料厚度，就得到拱顶上缘的标高，然后根据跨径大小、荷载等级、主拱圈材料规格等条件估算拱圈的厚度，由此推算出拱顶底面标高。

3、起拱线标高为尽量减小桥墩台基础底面的弯矩、节省墩台的圬工数量，一般宜选择低拱脚的设计方案。但拱脚位置要满足通航净空、排洪、流冰等条件的限制，并符合《桥规》的有关规定。

E:\photos\桥梁工程插图\136.jpg第一节拱桥的总体布置（二）

拱桥主拱圈矢跨比是设计拱桥的主要参数之一。它的大小不仅影响拱圈内力的大小，而且也影响到拱桥的构造型式和施工方法的选择。

矢跨比

矢跨比减小，拱的推力增大，推力大对拱圈自身的受力是有利的，但对墩台不利。同时，当拱圈受力后因其弹性压缩，或温度变化、混凝土收缩，或因墩台位移等原因，都会在无铰拱内产生附加内力，矢跨比愈小，附加内力愈大。矢跨比过大，则拱脚区过陡，施工不便。第一节拱桥的总体布置常用的矢跨比如下：砖、石、混凝土板拱桥及双曲拱桥，矢跨比一般为1/4~1/6，不宜超过1/8；箱形拱桥的矢跨比一般为1/6~1/8，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1/6~1/10，或者更小一些，但也不宜小于1/12。国外曾将称为“大胆度”，并用它作为比较和评价拱桥的规模、设计和施工的复杂与难易程度的指标。第一节拱桥的总体布置二、不等跨连续拱桥的处理方法E:\photos\桥梁工程插图\137.jpg

多孔连续拱桥最好选用等跨分孔方案。但是在受地形、地址、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，或在桥梁的美观有特殊要求时，可以考虑采用不等跨的分孔。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等推力。在采用柔性墩的多孔连续拱桥中，还需考虑由此造成的连拱作用，使计算和构造复杂，为减小这个不平衡推力，改善桥墩、基础的受力情况，节省材料和造价，可采用以下措施：第一节拱桥的总体布置1、采用不同的矢跨比大跨径采用较大的矢跨比，小跨径采用较小的矢跨比。2、采用不同的拱脚标高E:\photos\桥梁工程插图\138.jpg

大跨径的拱脚标高低，减小拱脚水平力对基底的力臂，这样可以使恒载水平力对基底的弯矩得到平衡。3、调整拱上建筑的恒载重量如果拱脚必须在相同或相近标高上时，也可用调整拱上建筑的重量来减小相邻孔间的不平衡推力。4、采用不同类型的拱跨结构小跨采用板拱结构，大跨采用分离式拱肋结构，必要时加大大跨经拱肋的矢高，做成中承式肋拱桥梁。第二节拱轴系数的选择和拱上建筑的布置一、拱轴系数的确定拱轴线的形状不仅直接影响着拱圈的内力分布及截面应力的大小，而且它与结构的耐久性、经济性和施工安全性等都有密切的关系。选择拱轴线的原则，就是尽可能降低由于荷载产生的弯矩数值。最理想的拱轴线是与拱上各种荷载作用下的压力线相吻合。

E:\photos\桥梁工程插图\ql194.jpg第二节拱轴系数的选择和拱上建筑的布置

一般来说，拱轴线的选择应满足以下四方面的要求：

1、尽量减小拱圈截面的弯矩；最大限度减小截面拉应力；

2、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临时性施工措施；

3、计算方法简便；

4、线型美观，便于施工。第二节拱轴系数的选择和拱上建筑的布置二、我国拱桥常用的拱轴线型

1、圆弧线圆弧线拱，线型最简单，施工最方便。但是在一般情况下，圆弧形拱轴线与恒载压力线偏离较大，使拱圈各截面受力不够均匀。因此圆弧线常用于15~20m以下的小跨径拱桥。对于大跨径的预制装配式钢筋混凝土拱桥，有时简化施工，也有采用圆弧线拱轴线的。第二节拱轴系数的选择和拱上建筑的布置2、悬链线实腹式拱桥的恒载压力线是一条悬链线。当不计拱圈在恒载弹性压缩产生的影响时，拱圈截面将只承受中心压力而无弯矩。对于空腹式拱桥，由于拱上建筑的形式发生变化，其相应的恒载压力线不再是悬链线，而是在腹孔墩处有转折的多段曲线。如仍采用相应的悬链线作拱轴线，恒载压力线与拱轴线将有偏离。但是，理论证明，这种偏离对拱圈的控制截面的内力是有利的。并且,已有现成完备的计算图表可供使用，所以，悬链线是目前我国大、中跨径拱桥采用最普遍的拱轴线型。第二节拱轴系数的选择和拱上建筑的布置3、抛物线由结构力学可知，在竖向均布荷载作用下，拱的合理拱轴线是二次抛物线。所以，对于恒载强度比较接近均布荷载的拱桥，例如矢跨比比较小的空腹式钢筋混凝土拱桥，往往可以采用二次抛物线作为拱轴线。近年来广泛采用的钢筋混凝土桁架拱和刚架拱等轻型拱上结构的拱桥，由于恒载分布均匀，因此用二次抛物线作为这类轻型拱桥的拱轴线也是适宜的。第二节拱轴系数的选择和拱上建筑的布置

在某些大跨径拱桥中，有时采用高次抛物线作为拱轴线。但计算工作量大，不宜为设计人员掌握，故目前仍很少采用。总之，拱上建筑的型式及其布置，对于合理选择拱轴线型是有密切联系的。在一般情况下：小跨径拱桥可采用实腹式圆弧拱或实腹式悬链线拱；大、中跨径拱桥可采用空腹式悬链线拱；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。拱桥细部构造第三节主拱的构造与尺寸拟定（一）普通型上承式拱桥根据主拱圈截面形式可分为：板拱，肋拱，双曲拱，箱形拱等。1、板拱板拱是指主拱（圈）采用整体实心矩形截面的拱。按照主拱所采用的材料，可分为石板拱、混凝土板拱和钢筋混凝土板拱等。这部分主要介绍钢筋混凝土板拱板拱的宽度拱圈的厚度对钢筋混凝土拱拱顶厚度拱脚厚度其中拱圈截面的变化规律截面变化规律等截面（常用）

变截面（构造复杂）其中

N自拱顶向拱脚逐渐增大，但M变化复杂与结构体系和截面惯性矩I有关，下图为结构体系和截面惯性矩对弯矩的影响。拱截面正应力无铰拱通常可用惯性矩从拱顶向拱脚逐渐增大的变化（见下图），计算公式可采用Ritter公式：上式中：I为任意截面的惯性矩；

Id为拱顶截面的惯性矩；

为任意截面的拱轴线倾角；

n拱厚变化系数，可用拱脚处的边界条件=1求得：钢筋混凝土板拱的构造Ij和j分别为拱脚截面的惯性矩和倾角纵向受力钢筋：最小配筋率0.2%~0.4%配筋箍筋应将上下缘主筋连系起来分布钢筋：应设在主筋内侧2、板肋耀拱肋拱：忽拱圈截姐面由板诱和肋组芦成的拱任桥。3、肋拱肋拱：用两挠条或多嘴条分离啊的平行不窄拱圈即拱肋吉作为主拱交圈的拱具有自大重轻，衰恒载内锹力小，慨可以充远分发挥责钢筋混吓凝土等麻材料的邪性能，逗在大中愚型拱桥负中得到感广泛应享用肋拱截面球形式矩形，千肋高h＝(1/秀40~当1/6见0)L，宽b=(0.停5~2.境0)h工字形过截面肋霞高h＝(1/2关5~1/陕35)L，宽b=(0断.4~鸣0.5岔)h管形肋拱箱形肋拱驰（后面介指绍）4、箱形超板拱箱形板礼拱：主拱圈阴由多室箱胁构成的拱浴，箱形拱喜通常采用常预制拼装施工。主要特点截面挖空率大中性轴居中抗弯和抗扭刚度大，整体性好制作要求高，吊装设备多多条闭合元箱肋组成舰的多室贩箱形截嚷面截面组成方式由多条U形肋组成的多室箱形截面多条工形肋组成的多室箱形截面单箱多室截面拱圈截面尺寸拟构定拱圈高翁度h拱圈高戚度L0净跨度取为0映.6~作0.8拱圈宽度一般取桥宽的1.0~0.6倍一般不小于跨径的1/20箱肋宽度与吊装能牢力有关，柏一般1.2蚀m~1吼.7m顶底板陷及腹板顶底板仿厚度一派般为15c哲m~2系2cm两外腹划板一般森为12cm午~15c横m内箱腹盲板一般