第二章拱桥构造

一、主拱圈构造

（一）板拱

1．相关规范要求

石砌拱桥的主拱圈通常都是做成实体的矩形截面，按照砌筑拱圈的石料规格不同，又可以分为料石板拱、块石板拱及片石板拱等各种类型。

用于拱圈砌筑的石料要求石质均匀，不易风化，无裂纹，标号不得低于30号；砌筑用的砂浆，对于大、中跨径拱桥强度等级不得小于M7.5，小跨径拱桥不得小于M5。第二章拱桥构造.2．构造特点

石板拱桥构造简单，施工方便，造价低，是盛产石料地区中、小桥梁的主要桥型。石拱圈可以采用等截面圆弧拱、等截面或变截面的悬链线拱以及其他拱轴形式的拱。用粗料石砌筑拱圈时，为便于拱石的加工，确保砌筑符合构造要求，根据拱轴线和截面形式的不同，需将拱石分别进行编号。等截面圆弧线拱圈，编号比较简单。变截面悬链线拱圈时，编号较复杂。等截面悬链线拱圈，拱石编号大为简化，同时还可以采用多心圆弧线代替悬链线放样。.拱石编号a）圆弧拱b）变截面悬链线拱c）等截面悬链线拱.根据拱圈的受力特点和需要，拱圈砌筑应满足下列构造要求：

（1）错缝：避免因存在通缝而降低砌体的抗剪强度和削弱整体性。拱石的错缝要求（2）限制砌缝宽度：拱石砌缝不能太宽，因砂浆强度比拱石低得多，缝太宽必将影响砌体强度和整体性。.（3）五角石：拱圈与墩台以及拱圈与空腹式拱上建筑的腹孔墩连接处，应采用特别的五角石（如下图a），以改善该处的受力状况。目前常用现浇混凝土拱座及腹孔墩底梁（如下图b）来代替制作复杂的五角石。拱圈与墩台及腹孔墩连接.（二）肋拱用两条或多条分离的平行窄拱圈--即拱肋作为主拱圈的拱称为肋拱（如下图）。在分离的肋拱之间，需设置足够数量和刚度的横系梁，以保证各拱肋的横向稳定性和整体性。肋拱桥.

拱肋是肋拱桥的主要承重结构，其肋数和间距以及拱肋的截面形式主要根据桥梁宽度、所用材料、施工方法与经济性等方面综合考虑决定。

拱肋的截面形式，根据跨度大小和载重等级，可以选用实体矩形、工字形、箱形、管形等，如图所示。肋拱拱肋截面形式.管形肋拱是指采用钢管混凝土结构作为拱肋的拱桥，一般有单管式、双管式（哑铃形）和四管式（梯形、矩形），如下图所示。钢管混凝土具有强度高、重量小、塑性好、耐疲劳和抗冲击等优点，已广泛使用在中、下承式拱桥中。目前，在上承式肋拱中也开始使用。钢管混凝土拱肋形式

.（三）双曲拱

双曲拱主拱圈的特点是先化整为零，再集零为整，以适应无支架施工和无大型起吊机具的情况。

施工时先将拱圈划分为拱肋、拱波、拱板及横向联系四部分，并预制拱肋、拱波和横向联系（梁板），即化整为零；然后吊装钢筋混凝土拱肋成拱，并与横向联系构件组成拱形框架，再在拱肋间安装拱波，随后浇筑拱板混凝土，形成主拱圈，即集零为整。.主拱圈的截面形式（双曲拱）a）、b）、c）多肋多波d）双肋单波如下图所示，拱肋断面分为倒T形、L形、工字形、槽形以及开口箱等。.（四）箱形拱箱形拱的主要特点是：

（１）截面挖空率大。挖空率可达全截面的50%～60%，因此与板拱相比，可节省大量圬工体积，减小重量；（２）箱形截面的中性轴大致居中，对于抵抗正负弯矩具有几乎相等的能力，能较好地满足主拱圈各截面承受正负弯矩的需要；.（３）由于是闭合空心截面，抗弯和抗扭刚度大，拱圈的整体性好，应力分布较均匀；（４）单条拱肋刚度较大，稳定性较好，能单箱肋成拱，便于无支架吊装；（５）预制构件的精度要求较高，吊装设备较多，适用于大跨径拱桥的修建。因此箱形截面是大跨径拱桥一种比较经、济合理的截面形式。.

箱形拱截面由底板、箱壁、顶板、横隔板等组成。无支架施工时，为了减小吊装重量，将主拱圈分为预制的箱肋和现浇混凝土两部分施工。其组合形式有以下几种：

1）U形肋多室箱组合截面将底板和箱壁预制成U形拱肋（内有横隔板），纵向分段吊装合龙后安装预制盖板，再现浇顶板及填缝混凝土，组成多室箱截面。目前已较少采用。

1．箱形拱截面的组合方式.U-形肋多室箱组合截面H—拱圈总高度B—预制拱箱宽度h-预制拱箱高度b-中间箱壁厚度b′-边上箱壁厚度t1-底板厚度e-盖板厚度c拱箱上现浇混凝土厚度d—相邻两箱下缘间净空阴影部分系现浇混凝土.2）工字形肋多室箱组合截面工字形组合箱（尺寸单位：cm）a）短翼缘工字形组合箱b）宽翼缘工字形组合箱这种截面是在工字形预制拱肋段（沿拱轴方向一定间距设置横隔板）吊装合龙后，相邻工字形肋翼缘板直接对接，并对连接钢板施焊后即形成拱圈截面。.3）闭合箱组合截面（如下图a）这种箱肋的特点是箱侧板、横隔板采用预制，然后在拱胎上安装箱底板侧模，组拼箱侧板和横隔板，再现浇箱底板及侧板与横隔板接头，形成开口箱肋段，最后立模现浇箱顶板形成待吊装的闭合箱肋段（图a）。为了加强块件之间的连接，在箱壁和横隔板四周预留环状剪力钢筋及连接钢筋（图b）。箱壁横隔板连接示意.4）单箱多室截面这种截面外形为一箱，箱内具有多个室，如下图所示。单箱多室截面主要用于不能采用预制吊装的特大型拱桥。单箱多室截面图.为了加强箱壁的局部稳定性，提高拱箱抗扭能力，拱箱内每隔一定距离设置一道横隔板。除在箱肋接头处、吊装扣点以及拱上腹孔墩（或立柱）处必须设置外，其余部分每隔3～5m设置一道。2.箱形拱的横向连接对于多室箱组合截面，为了加强拱箱的整体性，箱与箱之间要做横向连接。横向连接的做法一般有以下几种：.（1）在横隔板两侧的箱壁上、下预留孔洞，用短钢筋穿过，与横隔板上的预埋钢板焊接，并用现浇混凝土将箱室联成整体（下图a）。（2）在横隔板位置的顶板上预埋钢板，用短钢筋搭焊连接，并在底板上预留横向分布钢筋，待拱箱合龙后，将分布钢筋弯起交叉勾住，再现浇混凝土（右图b）。拱箱的横向连接a）开口箱的横向联系b）闭口箱的横向联系.无支架吊装箱肋，其纵向分段视跨径大小及吊装能力来确定。分段多，接头工作量大，而且也增加了箱肋稳定性控制和拱轴线调整的困难。在吊装能力许可时，分段宜少，但接头必须可靠并满足以下要求：3.箱肋的分段及接头形式（１）易于操作，便于就位；（２）有足够的刚度，保证接头点的固结；

（３）受力均匀，避免局部受压或偏心。.接头形式有下列几种：1）中间接头接头处的箱壁、顶板、底板同样局部加厚并预埋接头角钢，通过定位角钢临时连接和定位，待全拱合龙后，再在接头角钢上加盖钢板焊接，最后用混凝土填封接头。2）拱座接头一般在墩台帽上预留凹槽，并将拱箱端部接头处的箱壁、顶板及底板局部加厚以适应局部应力的需要。凹槽内预埋钢板，待拱箱定位合龙后与拱箱壁、顶板、底板内的预埋钢板焊接，然后用混凝土封填凹槽，其强度等级不得低于拱座混凝土的强度等级。.箱肋接头示意a）中接头b）端接头.大跨径箱形拱桥的主拱圈设计，在运营阶段一般为压应力控制，混凝土的拉应力较小或无拉应。对闭口箱肋，这部分受力筋对称通长布置在顶、底板上；对于开口箱，则布置在箱壁上缘和底板上（右图）。4.钢筋的布置拱箱的横向连接钢筋数量主要由箱肋段在吊运和悬挂过程中的受力情况计算确定。.二、拱上建筑的构造（一）实腹式拱上建筑拱上建筑分为实腹式和空腹式两大类。

实腹式拱上建筑由拱腹填料、侧墙、护拱、变形缝、防水层、泄水管以及桥面系组成（如图）。

实腹式拱桥（尺寸单位：ｃｍ）1201201201200400.

实腹式拱上建筑的构造简单、施工方便，填料数量较多，恒载较重，

一般适用于小跨径的板拱桥。

拱腹填料分为填充式和砌筑式两种。填充式拱腹填料通常采用透水性好、土侧压力小的砾石、碎石、粗砂或卵石类粘土等材料分层夯实。当地质条件较差，要求减小拱上建筑的重量时，可采用其他轻质材料（如炉渣与粘土的混合物，陶粒混凝土等）作填料。而砌筑式拱腹就是在散粒料不易取得时，采用干砌圬工或浇筑贫混凝土。.

侧墙设置在拱圈两侧，作用是围护拱腹填料，通常采用浆砌块石或片石，若有特殊的美观要求时，可用料石镶面。

护拱设于拱脚处，一般用现浇混凝土或砌筑块、片石修筑，以便加强拱脚段的拱圈，同时还便于多孔拱桥护拱处设置防水层和泄水管。.（二）空腹式拱上建筑

空腹式拱上建筑由多孔腹孔结构和桥面组成。由于腹孔结构分为拱式腹孔和梁式腹孔，因此空腹式拱上建筑又分为拱式和梁式两种（如下图）。空腹式拱桥a）拱式腹拱b）梁式腹拱.拱式拱上建筑构造简单，外形美观，但重量较大，一般多用于圬工拱桥（如下图a）。目前也有采用全空腹形式，即在全拱内用腹拱连续跨越，没有跨中实腹段，此时腹孔以奇数孔为宜，（如下图b）所示。1．拱式拱上建筑拱式拱上建筑a）带实腹段的空腹拱b）全空腹拱.

腹孔跨径的确定主要应考虑主拱的受力需要。腹孔跨径过大，腹孔墩处的集中力就大，对主拱受力不利。腹孔跨径过小，对减小拱上结构重量不利，构造也较复杂。

腹孔墩由底梁、墩身和墩帽组成。横墙式腹孔墩采用横墙墩身，施工简便，节省钢材，一般由圬工材料砌筑或现浇混凝土形成。

排架式腹孔墩采用立柱式墩身，以倒角的矩形断面钢筋混凝土盖梁作为墩帽，排架一般由2根或多根钢筋混凝土柱组成，立柱下设置贯通拱圈全宽的底梁。立柱、盖梁按计算要求配筋，底梁按构造要求配筋，并设置足够埋入填缝混凝土内的锚固钢筋。.腹孔墩

腹孔跨径的确定主要应考虑主拱的受力需要。腹孔跨径过大，腹孔墩处的集中力就大，对主拱受力不利。腹孔跨径过小，对减小拱上结构重量不利，构造也较复杂。.

腹孔与墩台连接的两种做法：一是直接支承在墩台上；一种是跨过墩顶，使桥墩两侧的腹孔相连，如图所示。腹拱与墩（台）的连接腹孔圈在拱上建筑需要设置伸缩缝或变形缝的地方应设铰（三铰或两铰），其余均为无铰拱。.大跨径混凝土拱桥一般都采用梁式腹孔拱上建筑。梁式腹孔结构又分为简支、连续或框架式三种，如图下图所示。2.梁式拱上建筑梁式拱上建筑.简支腹孔由底梁（座）、立柱、盖梁和纵向简支桥道板（梁）组成。这种形式的结构体系简单，基本上不存在拱与拱上结构的联合作用，受力明确，是大跨径拱桥拱上建筑主要采用的形式（如上页图a）。1）简支腹孔（纵铺桥道板梁）连续腹孔由立柱、纵梁、实腹段垫墙及桥道板组成（如上页图b）。这种形式主要用于肋拱桥，适合于建筑高度受限制的拱桥。2）连续腹孔（横铺桥道板梁）框架腹孔在横桥向根据需要设置多片，每片之间通过系梁形成整体（如上页图c）。3）框架腹孔.三、拱桥的其他细部构造（一）拱上填料、桥面及人行道拱上建筑中的填料，扩大车辆荷载分布面积的作用，减小车辆荷载对拱圈的冲击作用，但同时也增加了拱桥的恒载重量。

现行桥规规定，当拱上填料厚度（包括桥面铺装层厚度）等于或大于500mm时，设计计算中不计汽车荷载的冲击力。

拱桥行车道部分的桥面铺装、人行道及栏杆，其构造与梁桥相似。.（二）伸缩缝与变形缝为避免拱上建筑不规则开裂，影响桥梁的安全使用，需在构造上采取必要的措施，通过设置伸缩缝及变形缝来使拱上建筑与墩台分离，并使拱上建筑和主拱圈一起自由变形。

伸缩缝缝宽20～30mm，其缝内填料可用锯末沥青按1∶1的质量比制成预制板，在施工时嵌入，并在上缘设置既能活动又不透水的覆盖层。

变形缝不留缝宽，其缝可干砌或用油毛毡隔开或用强度等级低的砂浆砌筑。.小跨径实腹拱，伸缩缝设在两拱脚的上方，并在横桥向贯通（包括侧墙、行车道、人行道、栏杆等），伸缩缝多做成直线形。实腹式拱的伸缩缝.拱式空腹拱桥，一般将紧靠墩台的第一个腹拱圈做成三铰拱，并在紧靠墩台的拱铰上方设置伸缩缝，且贯通全桥宽，而其余两拱铰上方设置变形缝。拱式腹孔的伸缩缝与变形缝.

梁式腹孔，通常是在桥台和墩顶立柱处设置标准伸缩缝（板式毛勒伸缩缝），而在其余立柱处采用桥面连续的形式。梁式拱上建筑.（三）排水及防水为便于桥面排水，行车道应根据不同的路面材料设置1.5%～3.0%的横坡（单幅桥为双向坡，双幅桥为单向坡），人行道则设置与行车道反向的1%横坡。拱桥桥面的纵向排水和梁桥相同。排除桥面雨水的构造如图1-3-70所示。

1．桥面排水.图桥面雨水的排除.实腹式拱桥防水层应沿拱背护拱、侧墙铺设。如果是单孔桥，可以不设泄水管，积水沿防水层流至两个桥台后面的盲沟，然后沿盲沟排出路堤。如果是多孔拱桥，可以在1/4跨径处设泄水管。2．防水设施图1-3-71渗入水的排除.防水层在全桥范围内不宜断开，当通过伸缩缝或变形缝处应妥善处理，使其既能防水又可以适应变形。泄水管可以采用铸铁管、混凝土管、陶（瓦）管或塑料管。为了便于泄水，泄水管尽可能采用直管。.（四）拱铰

永久性铰：主拱圈按两铰拱或三铰拱设计时；空腹式拱上建筑，其腹拱圈按构造要求需要采用两铰或三铰拱，或高度较小的腹孔墩上、下端与顶梁、底梁连接处需设铰时；

临时性铰：施工过程中，为了消除或减少主拱圈的部分附加内力，以及对主拱圈内力作适当调整时设置的拱铰。拱铰的形式选择，常用的有以下几种：.1．弧形铰弧形铰一般用钢筋混凝土、混凝土、石料等做成

。铰的宽度应等于构件的全宽，沿拱轴线的长度取为拱厚的1.15～1.20倍。主要用于主拱圈的拱铰。图弧形铰.拱桥在采用转体方法施工时，为使桥体顺利转动，在拱脚需设置球面弧形铰。图混凝土球面铰这种铰虽是施工临时使用，但它是桥体转动的关键，要求制作精度高，光滑度好。要特别注意预留在球铰正中的轴，必须与球面保持垂直。.2.铅垫铰中小跨径的板拱或肋拱，可以采用铅垫铰。垫板宽度为拱圈厚度的1/4～1/3，在主拱圈的全部宽度上分段设置。铅垫铰也可用作临时铰。图铅垫铰.3．平铰对空腹式的腹拱圈，由于跨径较小，可以采用构造简单的平铰。

图平铰.4．不完全铰对于小跨径或轻型的拱圈以及空腹式拱桥的腹孔墩（柱）铰，目前常用不完全铰图a）。图b）、c）所示为墩柱的不完全铰。图不完全铰.5．钢铰钢铰通常做成理想铰

。钢铰除用于少数有铰钢拱桥的永久性铰结构外，更多的是用于施工需要的临时铰。图理想铰.四、拱桥实例介绍我国公路桥中70%为拱桥。我国多山，石料资源丰富，拱桥取材以石料为主。1）圬工拱桥（石拱桥以及拱圈不配钢筋的混凝土拱桥，跨越能力较小）主拱圈为等截面悬链线。拱矢度为1/5，拱圈厚1.7m，拱上建筑对称布置5个空腹拱，两边设岸孔37m，拱圈厚1.1m。下部结构为重力式石砌墩台。该桥施工在主孔范围内设3个临时墩，上立钢支架、拱架等，其上砌筑主拱圈。1965广西南宁都安红渡桥（L:100m)世界上跨径最大的石拱桥。桥宽8m，双肋石拱桥，腹拱为9孔13m，南岸引桥3孔13m，北岸引桥1孔15m。主拱圈由两条分离式矩形石肋和8条钢筋混凝土横系梁组成。拱轴线为悬链线（m=1.543），拱矢度1/5，拱肋为等高变宽度。1990湖南凤凰县的乌巢河桥（L=120m）.古代拱桥:拱轴曲线造型的千变万化，其中最具有代表意义的是建于公元595-605年的赵州桥（如图1所示，跨径L=37m）图1赵州桥.2）双曲拱桥（中国首创的一种拱桥型式）结构纤细轻盈，适宜于软土地基上建造。1969江苏无锡卫东桥

构思独特，充分发挥双曲拱桥构造特点，组合拼装成三叉形的双曲拱桥。1969江苏无锡民主桥上承式无铰空腹拱，是当时我国跨径最大的双曲拱桥。拱矢度1/10，拱轴线设计为悬链线。为提高横断面刚度、增强双曲拱在组合过程中裸肋的稳定性，断面设计成高低拱肋，全桥29道横隔板组成整体性好的拱肋格排，合拢后上面砌筑双层拱波。1968河南嵩县前河桥（L=150m）.3）肋拱桥

1988广东广州流溪桥（L=90m）钢筋混凝土箱肋中承式拱，拱矢度1/4.5，全桥采用喷塑装修工艺，建筑宏伟壮丽，已成为公园的重要景观。中承装配式铁路钢筋混凝土拱，矢高40m，两片拱肋中心距7.5m。拱轴线采用二次抛物线，拱肋为箱形截面，吊杆为预应力杆件。施工时先架设钢拱架，然后在拱架上由下而上分层施工，安装拱肋底板---腹板---顶板，使先安装的拱肋底板与钢拱架共同受力。在拱顶进行应力调整，改善了拱肋的受力状态。为保证结构的整体性，拱肋与桥面系相交处的一段拱肋在工地现浇。1966北京永定河七号桥（L=150m）1983台湾台北关渡桥（L=165m）中承式5孔连续系杆拱桥，中间孔跨度为165m，两侧孔跨度为143m及44m，拱圈为抛物线。

1990江苏丹阳云阳桥（L=70m）

跨越京杭大运河，无粘结预应力系杆拱，3根拱肋，矢度1/5，拱轴系数m=1.0，单箱高1.5m，行车道刚性纵梁和无粘结预应力柔性系杆分开。预制安装法施工.1992广东开平三埠桥（L=60m）单拱肋预应力混凝土系杆拱，单拱肋置于车行道中央分隔带上。

1994台湾台北碧潭桥（L=160m）

桥面由预制预应力混凝土单箱组成，并配以Y型悬臂拱圈，形成主跨为160m及2x100m无推力拱桥。引桥跨度分别为85m及57m，全桥以简洁明快的弧形曲线构成，与远山近水相协调。1990四川宜宾小南门桥(=240m)主桥系中承式钢筋混凝土肋拱桥，矢度1/5，是当时国内跨径最大的钢筋混凝土拱桥。该桥采用劲性钢骨架施工法，缆索吊装。.4）箱拱桥

1979四川省宜宾市金沙江大桥（L=150m）中国采用缆索吊装施工、跨径最大的钢筋混凝土箱形拱。主拱圈箱高2.0m，箱宽7.60m，矢跨比1/7，全拱圈横向分5个箱室；纵向分5段预制，缆索吊装就位后再组合成整体箱。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.5）刚架拱桥1989江苏无锡100米下甸桥

变截面，四分点附近截面高度最大，分别向拱脚、跨中减小。取消斜撑，拱上建筑采用23m预应力混凝土简支梁以过渡。1993江西德兴