第五章 混凝土拱橋.ppt

第五章混凝土拱橋,本章主要內(nèi)容,拱橋的現(xiàn)狀和發(fā)展拱橋的結(jié)構(gòu)體系及總體布置鋼管混凝土拱橋拱橋的設(shè)計(jì)及計(jì)算拱橋施工,第一節(jié)拱橋的現(xiàn)狀和發(fā)展,1、拱橋的發(fā)展,古代拱橋:拱軸曲線造型的千變?nèi)f化，其中最具有代表意義的是建于公元595-605年的趙州橋（如圖1所示，跨徑L=37m）,當(dāng)代拱橋：結(jié)構(gòu)型式與施工方法的豐富多彩如，97年建成的重慶萬縣長江大橋（L=420m），廣州丫髻沙特大橋（L360m），1932建成的澳大利亞悉尼鋼拱橋（L503m）。,四川萬縣長江大橋鋼管混凝土勁性骨架箱型混凝土結(jié)構(gòu),廣州丫髻沙特大橋中承式鋼管混凝土拱橋,1932澳大利亞503m悉尼鋼拱橋,2、拱橋的受力特點(diǎn),承重結(jié)構(gòu)：主拱,拱橋的基本圖示,支承處不僅產(chǎn)生豎向反力，還產(chǎn)生水平推力，從而使拱主要受壓,3、主要優(yōu)缺點(diǎn)：,主要優(yōu)點(diǎn)跨越能力大；能充分做到就地取材；耐久性好，養(yǎng)護(hù)、維修費(fèi)用?。煌庑蚊烙^；構(gòu)造較簡(jiǎn)單，有利于廣泛采用。,主要缺點(diǎn)：1）是有推力的結(jié)構(gòu)，而且自重較大，因而水平推力也較大，增加了下部結(jié)構(gòu)的工程量，對(duì)地基要求高；）水平推力較大，在連續(xù)多孔的大、中橋中，為防止一孔破壞而影響全橋的安全，需要采取較復(fù)雜的措施，或設(shè)置單向推力墩，增加了造價(jià)；）上承式拱橋的建筑高度較高。,拱橋的缺點(diǎn)正在逐步得到改善和克服：200600m范圍內(nèi)，拱橋仍然是懸索橋和斜拉橋的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,第二節(jié)拱橋的結(jié)構(gòu)體系及總體布置,一、拱橋的基本組成根據(jù)行車道的位置，拱橋可以分成：上承式、下承式和中承式三種類型如下圖所示：,拱橋的基本圖示,一般上承式拱橋，橋跨結(jié)構(gòu)是由主拱圈、拱上建筑等組成。,上承式拱橋,1-主拱圈2-拱頂3-拱腳4-拱軸線5-拱腹6-拱背7-起拱線8-橋臺(tái)9-基礎(chǔ)10-錐坡11-拱上建筑,L0-凈跨徑L-計(jì)算跨徑f0-凈矢高f-計(jì)算矢高f/L-矢跨比,二、拱橋的主要類型及其特點(diǎn),拱橋按受力圖式的分類,三鉸拱：靜定結(jié)構(gòu)，在地基差的地區(qū)可采用。但構(gòu)造復(fù)雜，施工困難，整體剛度小，主拱圈一般不采用。,無鉸拱：三次超靜定結(jié)構(gòu)。拱的內(nèi)力分布較均勻，材料用量較三鉸拱??；構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，整體剛度大，實(shí)際中使用廣泛。但超靜定次數(shù)高，會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力，一般希望修建在地基良好處?？鐝皆龃?，附加力影響變小，故鋼筋混凝土無鉸拱仍是大跨徑橋梁的主要型式之一。,兩鉸拱：一次超靜定結(jié)構(gòu)，介于三鉸拱和無鉸拱之間。,（一）按照結(jié)構(gòu)體系分類,1、板拱橋：主拱圈采用矩形實(shí)體截面。構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便，使用廣泛。自重較大，不經(jīng)濟(jì)，通常在地基較好的中小跨徑圬工拱橋中采用。,2、肋拱橋：肋拱橋由兩條或兩條以上分離式拱肋組成承重結(jié)構(gòu)的拱橋，拱肋之間靠橫向聯(lián)系梁連接成整體而共同受力.這種橋橫截面面積較小，節(jié)省材料,自重輕,跨越能力大，多用于較大跨徑的拱橋?？梢杂蜜毓?、鋼筋混凝土、鋼材建造。,（二）按照主拱的截面型式分類,3、雙曲拱橋：主拱圈橫截面由一個(gè)或數(shù)個(gè)小拱組成，其主拱圈在縱向和橫向均呈曲線形。通常有拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系等幾部分。,公路雙曲拱橋采用最多的是多肋波的截面形式；對(duì)于跨徑和荷載較小的單車道橋可采用單波的形式。,雙曲拱橋施工工序多，組合截面的整體性差，易開裂，因此，只宜在中小跨徑橋梁中采用。,4、箱形拱橋：箱形拱橋拱圈橫截面由幾個(gè)箱室組成。截面挖空率大，可達(dá)全截面的50%-70%，較實(shí)體板拱橋可減少圬工用料與自重，適用于大跨度拱橋。截面抗扭剛度大，橫向整體性和穩(wěn)定性好，特別適用于無支架施工。,三拱鉸,當(dāng)拱橋主拱圈按兩鉸拱或三鉸拱設(shè)計(jì)，需設(shè)置永久性拱鉸。當(dāng)在施工過程中為消除或減小主拱圈的部分附加內(nèi)力時(shí)需設(shè)置臨時(shí)的拱鉸。拱鉸的類型主要有：弧形鉸、鉛墊鉸、平鉸、不完全鉸及鋼鉸等：,（1）弧形鉸,（2）鉛墊鉸,（3）平鉸,（4）不完全鉸,四、拱上建筑的構(gòu)造,溫度變化及混凝土收縮徐變等引起的變形，而主拱圈變形又使拱上建筑產(chǎn)生附加力。,對(duì)于普通型上承式拱橋，其主要承重結(jié)構(gòu)主拱圈是曲線，車輛無法通過，需要在橋面系與主拱之間設(shè)置傳遞荷載的構(gòu)件或填沖物，這些傳遞荷載的構(gòu)件或填沖物稱為拱上建筑。,拱上建筑是拱橋的一部分，依其結(jié)構(gòu)形式的不同而參與主拱共同受力的程度也不同；同時(shí)，拱上建筑在一定程度上能約束主拱圈由,拱上建筑類型分實(shí)腹式拱橋，空腹式拱橋兩大類,（一）、實(shí)腹式拱橋,實(shí)腹式拱上建筑構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，但填料數(shù)量較多，恒載較重，小跨徑拱橋中多采用空腹式。,大、中跨徑拱橋多采用空腹式?？崭故焦吧辖ㄖ啥嗫赘箍捉Y(jié)構(gòu)和橋面系主成：以利于減小恒載，并使橋梁顯得輕巧美觀。根據(jù)腹孔的結(jié)構(gòu)形式，空腹式拱上建筑又分為拱式和梁式兩種。,（二）、空腹式拱橋,（三）橋面系與立柱橋面系：板梁、肋梁、剛架式、連續(xù)梁或簡(jiǎn)支梁立柱（橫墻）：支承在主拱上。,（四）拱上結(jié)構(gòu)的伸縮縫、變形縫伸縮縫：避免拱上結(jié)構(gòu)受到墩臺(tái)的約束不能自由變形而在兩者間設(shè)置的貫通縫。變形縫：避免拱上結(jié)構(gòu)與主拱共同作用而設(shè)置的斷縫，一般無縫寬。,五、拱橋墩臺(tái),（一）橋墩型式1.重力式橋墩,2.柱式橋墩,3.單向推力墩（1）懸臂墩（2）斜撐墩（3）重力式墩,（二）橋臺(tái)型式1.重力式U形橋臺(tái),2.齒檻式橋臺(tái),3.空腹式橋臺(tái),4.組合式橋臺(tái),第三節(jié)拱橋的設(shè)計(jì)與計(jì)算,一、拱橋的總體布置,總體布置,確定橋梁長度及分孔,確定橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)高和矢跨比,正確處理不等分孔問題,拱橋的計(jì)算,拱軸線的選擇與確定,成橋狀態(tài)的內(nèi)力分析和強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定驗(yàn)算,施工階段的內(nèi)力分析和定驗(yàn)算,溫度、收縮徐變,拱腳變位,活載內(nèi)力,內(nèi)力調(diào)整,拱上建筑的計(jì)算,二、拱橋的計(jì)算,三、拱軸線形式,（1）圓弧線（2）拋物線（3）懸鏈線（4）其他：高次拋物線（四次、六次）,拱軸線的形狀直接影響主截面的內(nèi)力分布與大小，選擇拱軸線的原則，是要盡可能降低荷載產(chǎn)生的彎矩。最理想的拱軸線是與拱上各種荷載作用下的壓力線相吻合，使拱圈截面只受壓力，而無彎矩及剪力的作用，截面應(yīng)力均勻，能充分利用圬工材料的抗壓性能。實(shí)際上由于活載、主拱圈彈性壓縮以及溫度、收縮等因素的作用，實(shí)際上得不到理想的拱軸線。一般以恒載壓力線作為設(shè)計(jì)拱軸線。,四、實(shí)腹拱懸鏈線拱軸線,設(shè)拱軸線為恒載壓力線，則拱頂截面的內(nèi)力為：,彎矩Md=0剪力Qd=0恒載推力為Hg,對(duì)拱腳截面取矩，有:,（1）,半拱恒載對(duì)拱腳的彎矩。,對(duì)任意截面取矩，有：,(2）,y1以拱頂為原點(diǎn)，拱軸線上任意點(diǎn)的坐標(biāo)；,Mx任意截面以右的全部恒載對(duì)該截面的彎矩值。,對(duì)式（2）兩邊對(duì)x取兩次導(dǎo)數(shù)，可得：,（3）,由上式可知，為了計(jì)算拱軸線（壓力線）的一般方程，需首先知道恒載的分布規(guī)律，對(duì)于實(shí)腹式拱，其任意截面的恒載可以用下式表示：,拱頂處恒載強(qiáng)度；,拱上材料的容重。,由上式，取y1=f，可得拱腳處恒載強(qiáng)度gj為：,其中：,稱為拱軸系數(shù)。,這樣gx可變換為：,將上式代入式（3），并引參數(shù):,則：,可得：,令,則,上式為二階非齊次微分方程。解此方程，得到的拱軸線（壓力線）方程為：,上式為懸鏈線方程。,其中chk為雙曲余弦函數(shù)：,對(duì)于拱腳截面有：=1，y1=f，代入式可得：,通常m為已知，則可以用下式計(jì)算k值：,反雙曲余弦函數(shù)對(duì)數(shù)表示,當(dāng)m=1時(shí)gx=gj，可以證明，在均布荷載作用下的壓力線為二次拋物線，其方程變?yōu)椋?五、空腹拱拱軸線,“五點(diǎn)重合法”在1/4L處，=1/2,拱軸系數(shù)m與豎坐標(biāo)yr有以下關(guān)系：,因?yàn)?所以,（a）,計(jì)算步驟：（1）擬定拱圈與拱上結(jié)構(gòu)各部分尺寸；（2）計(jì)算主拱及拱上結(jié)構(gòu)各部分重量；（3）計(jì)算yr；所有作用力對(duì)拱腳力矩為零的條件，有：,按作用力對(duì)拱1/4L點(diǎn)力矩為零的條件，有：,（4）然后利用（a）式計(jì)算m值，如計(jì)算的m與擬定的m值不符，則修正m值重新計(jì)算，直到兩者誤差小于容許值。,六、拱內(nèi)力計(jì)算,恒載內(nèi)力,拱軸線與壓力線相符,不考慮彈性壓縮,彈性壓縮,拱軸線與壓力線不相符,拱軸線與壓力線不相符產(chǎn)生次內(nèi)力,不考慮彈性壓縮,彈性壓縮,溫度變化產(chǎn)生的附加內(nèi)力混凝土收縮、徐變產(chǎn)生的附加內(nèi)力拱腳變位產(chǎn)生的附加內(nèi)力水浮力引起的內(nèi)力計(jì)算,其它內(nèi)力,（七）、內(nèi)力調(diào)整,懸鏈線無鉸拱橋在最不利荷載組合時(shí)，常出現(xiàn)拱腳負(fù)彎矩或拱頂正彎矩過大的情況。為了減小拱腳、拱頂過大的彎矩，可以從設(shè)計(jì)施工方面采取一些措施調(diào)整拱圈內(nèi)力。,內(nèi)力調(diào)整,1、假載法,實(shí)腹式拱橋,假載法主要是通過調(diào)整拱軸系數(shù)m，從而改變拱軸線達(dá)到改變主拱圈受力性能。,空腹式拱的內(nèi)力調(diào)整,空腹式拱軸線的變化是通過改變l/4截面處的縱坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)的，,調(diào)整時(shí)注意,用假載法調(diào)整拱軸線不能同時(shí)改善拱頂、拱腳兩個(gè)控制截面的內(nèi)力。同時(shí)對(duì)其它截面內(nèi)力也產(chǎn)生影響，調(diào)整時(shí)應(yīng)全面考慮。,2、用臨時(shí)鉸調(diào)整內(nèi)力,拱圈施工時(shí)，在拱頂、拱腳用鉛墊板做成臨時(shí)鉸，拆除拱架后，由于臨時(shí)鉸的存在，拱圈成為靜定的三鉸拱，待拱上建筑完成后，再用高標(biāo)號(hào)水泥沙漿封固，成為無鉸拱。,由于拱在恒載作用下是靜定的三鉸拱，拱的恒載彈性壓縮以及封鉸前已發(fā)生的墩臺(tái)變位均不產(chǎn)生附加內(nèi)力，從而減小拱中彎矩。,3、改變拱軸線調(diào)整內(nèi)力,在空腹式拱中，由于懸鏈線與壓力線之間的偏離，可以不同程度的減小拱頂、拱腳的過大彎矩。根據(jù)這個(gè)道理，可在恒載壓力線的基礎(chǔ)上，根據(jù)橋的實(shí)際需要疊加一個(gè)正弦波的調(diào)整曲線作為拱軸線，采用逐次漸進(jìn)法調(diào)整，使恒載、彈性壓縮和混凝土收縮等固定因素作用下，拱頂、拱腳兩截面的總彎矩趨近于零。要達(dá)到以上目的，要求調(diào)整的拱軸線,并使拱軸線與壓力線具有相同的彈性中心。,（八）、利用有限元進(jìn)行拱橋計(jì)算,有限元程序,專門程序,大型通用程序,SuperSAPADINANASTRANASYS,1、概述,發(fā)展,2、單元?jiǎng)澐?（九）、拱上建筑的計(jì)算,拱上建筑與拱分開各自獨(dú)立計(jì)算,拱上建筑與主拱聯(lián)合作用計(jì)算,對(duì)主拱圈作用偏于,對(duì)拱上建筑偏于,必須考慮施工程序,一般采用程序計(jì)算,安全,不安全,（十）、主拱檢算,檢算,控制截面強(qiáng)度,剛度,穩(wěn)定,施工階段的主拱計(jì)算,穩(wěn)定性驗(yàn)算,拱是以受壓為主的構(gòu)件，無論是施工過程中，還是成