中国叠梁拱桥研究模板

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。叠梁拱桥研究摘要:在分析汴京虹桥的基础上,将叠梁拱桥扩充到钢筋混凝土结构和钢管结构,并结合实例进一步对单孔叠梁拱桥的构造、设计、计算和施工作了研究。关键词:虹桥;叠梁拱桥;钢筋混凝土叠梁拱;钢管叠梁拱叠梁拱桥创始于公元1032~1033年,是中国特有的木拱结构,在国外古今桥梁史上是完全没有的。叠梁拱创造了用大木纵横相贯、交错搭置的结构形式,创造了以较短的木材构筑较大跨径的构造技术。北宋时的《清明上河图》中的汴京(现河南省开封市)虹桥,写实勾画了以大木穿插叠架成木拱的虹桥结构技术。随着北宋南迁,在渐闽山区中有数十座古木拱桥,结构与虹桥类似且有所改进。为了达到古为今用的目的,探讨了木结构、钢筋混凝土结构和钢管结构叠梁拱的构造、设计、计算和施工方法。1叠梁拱桥的构造1.1虹桥的构造特点汴京桥为大木纵横叠架而成的拱结构,故名叠梁拱,亦有贯木拱之称。虹桥木拱骨外侧的一组为4根系统,由2根长拱骨和2根短拱骨组成;再里面的一组为3根系统,是3根等长的拱骨。中间拱骨按同一系统俩俩并列在一起。每个系统的拱骨单独设置是一个不稳定的结构,为把2个系统的各根拱骨连成整体,在2个系统拱骨的交汇点设置横贯全桥宽度的横梁,全桥共5道横梁。横梁使同一节点的所有拱骨都形成有机联系,有增强结构稳定和横向分配活载的作用。弓形梁斜向搁置在横梁上,而且底面紧贴着拱骨,使其与主拱一起共同作用。弓形梁顶面为圆弧曲面,其上直接铺设桥面板。由上述分析可知,虹桥是一座拱形木桁架结构,如图1的拱骨架立面所示,以横梁(腹杆)为中心,2根斜拱骨为上弦杆,底面拱骨为下弦杆,组成一个”桁架节间”。4根系统和3根系统的拱骨分别在各个节间中交替成为上弦杆和下弦杆,虹杆由5个这样的节间组成。由拱骨与横梁构成的拱形桁架是叠梁拱桥的承重结构。在拱平面,斜向固定在横梁上的弓形梁与横梁组成曲面桁架(见图1拱骨架平面),呈”X”形所弓形梁起到剪刀撑的作用,保证了叠梁拱的横向稳定。虹桥木拱结构兼具拱的桁架的性能,结构整体受力,能较好地发挥材料的作用。1.2叠梁拱构造及其分类单孔叠梁拱桥由主拱结构、桥面部分和桥台三部分组成。主拱是叠梁拱桥的主要承重结构,它由纵向拱骨、横梁和弓形梁3种构件组成的若干并列着的纵向拱骨和搁置在拱骨中部的横梁构成,斜置在横梁上的弓形梁紧贴在拱骨之上,其中横梁和弓形梁起到横向联系和保持横向稳定的作用。整个结构都是经过构件的纵横搭置、相互承托而逐节伸展。跨度大小主要由构件长度和节间数量而定。按主拱结构所用的材料划分,当前有木结构叠梁拱桥和钢筋混凝土叠梁拱桥之分。按主拱骨架纵向构成分类,3根横梁式为叠梁拱的基本类型(图2(1)),这种主拱骨架只能适应很小的跨径。随着跨径增大的要求,采用4根、5根、6根横梁式,甚至更多横梁的类型。图2示出了5种主拱骨架的纵向构成,其中(3)为虹桥的叠梁拱形式,(2)为甘肃渭源卧桥的悬孔木拱形式,(5)为渐、闽山区保存完好的木拱桥的主拱骨架。主拱骨架的横向构成,按照桥面宽度横桥向能够密排若干拱骨,在横梁上拱骨排列的基本原则是:(1)力求对称排列;(2)横梁上、下的拱骨根数接近;(3)既要考虑主拱骨架的横向稳定,又要有利于布置斜向的弓形梁。由此,拱骨在横梁上的排列方法大致有2种类型:一是上下均匀排列,即一上一下布置;二是采用2个系统的骨架,每个系统都按2根一组排列,即俩俩成组。前者不利弓形梁的斜向搁置,因此要另外增设剪刀撑来保持主拱骨的横向稳定,这是渐闽木拱的编排方法。后者有利于弓形梁的布置,不需另设剪刀撑,是虹桥的做法。对于钢筋混凝土叠梁拱桥,由于俩俩排列的拱骨能够合并成一根构件,即加大宽度,因此钢筋混凝土叠梁拱的拱骨也属一上一下的排列,而不影响弓形梁的布置(见力3(4))。钢管叠梁拱的编排方法完全能够参照木结构叠梁拱。图3列举了主拱骨架横向构成的实例,(1)和(2)为12根纵向拱骨的横向构成;(3)为虹桥模型的一个横断面,上排为4根系统,下排为3根系统,上下均由16根纵向拱木组成;(4)为钢筋混凝土叠梁拱的一个横断面。2.3节点构造节点构造是叠梁拱桥的成功关键。不同时代的木结构叠梁拱有着不同的节点构造,不同材料的叠梁拱其结点构造更有不同的处理方法。从《清明上河图》上观察虹桥的节点构造,木拱骨纵向之间采用平接,再用绳子将上、下拱骨分别与横梁捆扎在一起,见图4所示。有关资料还表明,节点处使用了类似”铁马”的铁件把上、下拱骨与横梁连成整体。宋室南迁后将虹桥结构技术带到南方,在木料易得的浙闽山区还现存着不少木结构叠梁拱。由实桥考察得知,浙闽叠梁木拱的节点构造是拱骨端头与横梁的榫接处理。钢筋混凝土叠梁经过在横梁预埋钢筋,在安装预制拱骨后,再现浇混凝土节点;或者在横梁和拱骨上预埋钢板,经过焊接来达到节点连接。钢管叠梁拱的节点构造是经过专用夹具和L形专用钢销进行连接(见图5),这种节点构造安装方便,也易于拆卸和周转使用。2.4桥跨结构与桥台的连接拱骨与桥台的连接,一般在台帽上预留槽沟,槽深10cm左右,槽底做成斜面,混凝土拱骨插入台帽后,拱骨四周再以砂浆填塞。上海普庆桥的台帽是条石砌筑的,斜面角度难以控制,故木拱骨与台帽接触为直角面,拱脚处拱骨之间用木楔塞紧。当跨度较大时,由于桥台位移等原因,会造成支承面局部接触,引起反力偏心而改变结构内力。在此情况下,拱骨与台帽的连接宜做成较完善的铰。弓形梁与桥台连接分2种情况:主拱上有拱上建筑时,弓形梁直接搁置在拱脚的拱骨上,并支撑着台帽;主拱上无拱上建筑时,弓形梁搁置在桥台顶面,并顶住桥台横梁(见图1立面),以利于在弓形梁顶面直接安装桥面板。3叠梁拱桥的设计按照叠梁拱的构造特点,其拱轴线采用抛物线较为合理,但采用圆弧拱轴线时,因全拱曲率相同,施工简便,因此对于中小跨径的叠梁拱桥,其立面习惯按圆弧曲线布置。在跨径和拟定杆件直径确定的条件下,总体布置取决于圆弧半径和构件对应的圆心角。在此基础上,便可确定各类构件的长度。下面以5根横梁式的叠梁拱为例,说明叠梁拱桥总体布置的特点。为了使拱骨杆件标准化,将5个尖顶中心和2个拱脚点同设在半径为R的圆弧上(7点同圆法),且相邻2顶点对应的圆心角均为θ,如图6所示,叠梁拱计算跨径为Lp,长、短拱骨轴线长度分别为L和L1,圆杆直径均为d,尖顶中心与底杆轴线距离为h。根据上述布置可得几何关系为:H=L/2tanθ/2=d(1+1/cosθ)L=2RsinθLp=2Rsin3θ经推导可得三角方程:(1+cosθ)2(1+2cos2θ)/sin2θ-Lp/4d=0-------(1)式中计算跨度LP一般是确定值,d为拟定值,则可用试算法求得短杆长度L1对应的圆心角θ。从而可求得半径R,长短杆件长度L和L1:R=LP/2sin3θ-------(2)L=2Rsinθ--------(3)L1=l/2cosθ/2-------(4)由于叠梁拱结构各杆件的几何关系非常严密,上述布置方法一旦LP和d确定后,结构就定型,便有确定的矢高。在拱脚标高和拱顶标高同时都有严格限制时,宜选用2个拱脚点和中间3道横梁中心这5点同在1个圆弧上进行设计。5点同圆布置方法与上述7点同圆法相比,3根系统和4根系统的拱骨长度为L′,斜拱骨长度为L2′;四根系统的长拱骨长度L3′,短拱骨长度L1′。拱骨长度可采用下列实用方法求得。(1)确定圆心角θ。′以确定的跨度LP′和初拟的d代入式(1),求出θ的初定值。利用2种布置方法论的跨度关系式:LP=LP′+2dsin3θ/cosθ-----------(5)和式(1)便可求得足够精度的θ值。(2)计算拱骨长度。按照式(5)以θ的确定值便可求得LP的修正值。再由R=LP/2sinθ可求得:′=2Rsinθ--------(6)2′=△=4叠梁拱桥的计算4.1基本假定及计算图式根据地叠梁拱的结构特点与受力特性,采取下列基本假定:(1)拱骨插入台帽只一小段,故假定拱脚与桥台为铰结,拱脚的弓形梁搁置在桥台顶面而只有竖向约束;(2)将横梁处理为独立的一类杆件,横梁杆件与各杆端点视为全铰,而横梁与杆中连接为半铰;(3)以全桥宽作为计算单元,按同一系统的拱骨之和为一杆件;(4)结构计算图式取各杆轴线,杆件长度取节点中心间的距离。电算分析叠梁拱时,可采用平面杆系的有限单元法计算。以虹桥模型桥为例,根据以上假定,虹桥即为外部3次超静定结构,其一次落架的计算图式如图8所示。浙、闽木拱的计算图式为外部1次超静定结构,如图9所示。计算恒载内力时,栏杆和桥面第重量视为均布荷载,横梁自重作为集中外力。计算活载内力时,车辆荷载和人群荷载可经过程序自动加载。当用手算分析叠梁拱时,为简化计算,不计弓形梁的受力作用,可按外部一次超静定结构计算。以虹桥为例,其简化的计算图式如图10所示。4.2赘余力的计算以水平推力H为赘余力,在单位荷载P=1作用下的水平推力为:H=-δHP/δHH式中:δHP为基本结构在外荷载P=1作用下支点的水平变位;δHH为基本结构在赘余力H=1作用下支点的水平变位。δδ在计算δHP与δHH时,除拱脚的短斜杆和横梁杆只考虑轴向力外,其余杆件均考虑轴向力和弯矩,因此:式中:NH、NP分别为 H＝1、P＝1作用于基本结构时,叠梁拱杆件的轴力;MH、MP分别为H＝1、P＝1作用于基本结构时,除拱脚短斜杆和横梁杆的其它杆件的截面弯矩;A、I为杆件截面积和惯性矩;LO为拱脚短斜杆和横梁杆菌的长度;L为除拱脚短斜杆和横梁杆以外的其它杆件的长度。结构内力计算恒载内力计算。作为手算分析叠梁拱,为简化计算,将全桥恒载视为均布荷载,作用在不计弓形梁的结构上,利用推力影响线算出水平推力,然后采用静力平衡条件直接求出杆件的恒载内力。活载内力计算。各杆件的活载内力可用设计荷载直接在其影响线上布载而求得。以图11的拱骨杆件3-4和横梁杆析4-5为例,说明叠梁拱杆件轴力和杆端弯矩、剪力影响线的求解方法。①拱骨杆3-4。P＝1作用于结点4以右时,对结点5取矩得:N34＝P＝1作用于结点4以左脚时,对结点5取矩得:②杆端3的弯矩、剪力。③横梁杆4-5。P＝1作用于结点4以右时,对结A点取矩得:叠梁拱桥的施工汴京虹桥的施工方法,历史上没有详细记载,但根据叠梁拱易于预制安装,完成拼装节段后便自成稳定结构的特点,其施工方法可大致分为简易支架法、缆绳吊装法和无支架合拢方法等。简易支架法在3根系统的横梁位置临时搭设2排木排架,直接支撑3根系统的斜拱骨,这便形成了纵向稳定的八字撑架结构。在此基础上,逐根穿插4根系统的拱骨,拆除临时木排架,结构独立成拱。弓形梁和桥面系统施工在主拱骨架上完成。5．2缆绳吊装法先将外侧3盆腔系统中的2根斜撑拱骨与一根横梁组拼成平面排架,再用立在2个台帽上的扒杆吊起排架的上端,接着安装3根系统的水平拱骨,形成八字撑架结构。4根系统拱骨、弓形梁和桥面系统的安装完全与简易支架法相同。浙、闽木拱桥施工也从3根系统的斜撑拱骨开始,先将3根系统的所有斜撑拱骨与上、下梁装配成排架,下端支撑在台帽上,上端用缆风绳拦住,使斜撑排架倾向河中至设计位置。在前倾的排架顶部逐根安装3根系统的水平拱骨,水平拱骨两端做成燕尾榫,卡在排架上端横梁的燕尾槽中,其节点尚能承受少量弯矩。在3根系统形成的基础上,继续安装5根系统、剪刀撑、拱上建筑和桥面。5．3无支架合拢如图12(1)所示,分别在两岸台帽上将6根拱骨和3根横梁组拼成稳定的初始结构,节点予以连接固定,并以拉索拦住上端的横梁节点。在初始结构形成的基础上,再安装一个拼装节段(见图12(2)),这样在一定范围内,可不断增加悬臂跨径。拉索缓缓放松,使悬臂拱架结构徐徐下落直至主拱架合拢。初始结构和拼装节段既是主拱骨架的一部分,又起到拱架先合拢的作用。在合拢的拱架上逐根安装3根系统和4根系统的拱骨,直至主拱杆件安装完毕。缆绳吊装法和无支架合拢方法适用于桥下通船或河谷较深不能在河中搭设施工支架的场合。小结叠梁拱的主要结构特点简便。构造简便,所有构件均为简单的梁,类型少,制作加工容易。短构件构成较大路径。不但能以较短的构件装配成较大路径的结构,而且还能用同一规格的构件在一定范围内构成不同路径、承受不同荷重的结构。预制装配。各种构件都能定点预制、现场装配,还便于拆卸、周转使用。有利于悬臂拼装施工。以初始结构为基础,逐一安装拼装节段进行悬臂拼装,有利于无支架施工。这对简化施工、减少相应施工设施具有重要意义。叠梁拱是没有实腹段的拱形桁架结构,是桁架拱的一种特殊形式。在桥纵向,拱骨与横梁构成拱形桁架,是叠梁拱桥的承重结构。由于爱横梁高