拱橋構(gòu)造與設(shè)計(jì)

1、第五章 拱橋構(gòu)造與設(shè)計(jì)5.1 概述桁架拱一、拱橋的發(fā)展概況雙曲拱拱橋國(guó)外：石拱，木拱十八世紀(jì)鑄鐵拱十九世紀(jì) 鋼拱鋼筋混凝土拱國(guó)內(nèi)：石拱，木拱鋼筋混凝土拱 剛架拱桁式組合拱 鋼管拱新型組合體系拱1964年70年代80年代80年代中二、拱橋的特點(diǎn)主要受力特點(diǎn)：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。·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??；外形美觀；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)地基要求也高；2）隨跨徑的增大和橋高的提高，增大了拱橋的施工難

2、度，提高了拱橋的總造價(jià)。拱橋施工工序多，需要的勞動(dòng)力多，施工工期長(zhǎng)。3）由于水平推力較大，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)；4）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。三 拱橋的組成及主要類型（一）、拱橋的主要組成一般上承式拱橋，橋跨結(jié)構(gòu)是由主拱圈、拱上建筑等組成。主拱圈是拱橋的主要承重結(jié)構(gòu)。拱上結(jié)構(gòu)或拱上建筑：在橋面與主拱圈之間需要有傳遞壓力的構(gòu)件或填充物，以使車輛能在平順的橋道上行駛。橋面系和這些傳力構(gòu)件或填充物統(tǒng)稱為拱上結(jié)構(gòu)或拱上建筑。拱

3、橋的下部結(jié)構(gòu)：由橋墩、橋臺(tái)及基礎(chǔ)等組成，用以支承橋跨結(jié)構(gòu)的荷載傳至地基。技術(shù)名稱：拱頂：拱圈最高點(diǎn)。拱腳（起拱面）：拱圈和墩臺(tái)連接處。拱軸線：拱圈各橫向截面（或換算截面）的形心連線。拱背：拱圈的上曲面。拱腹：拱圈的下曲面。起拱線：起拱面與拱腹相交的直線。凈跨徑：每孔橋跨兩個(gè)起拱線之間的水平距離；計(jì)算跨徑：相鄰兩拱腳截面形心點(diǎn)之間的的水平距離，也就是拱軸線兩端點(diǎn)之間的水平距離。凈矢高：拱頂截面下緣至起拱線連線的垂直距離；計(jì)算矢高：拱頂截面形心至相鄰兩拱腳截面形心之連線的垂直距離；矢跨比：拱圈或（拱肋）的凈矢高與凈跨徑之比，或計(jì)算矢高與計(jì)算跨徑之比。一般將矢跨比大于或等于1/5的拱稱為陡拱，矢跨比

4、小于1/5的拱稱為坦拱。（二）、拱橋分類： 1、建橋材料(主拱圈的材料)分類：圬工拱橋、鋼拱橋等； 2、拱上建筑的形式分類：實(shí)腹式拱橋、空腹式拱橋； 3、主拱圈的拱軸線的型式分類：圓弧拱橋、鏈線拱橋等； 4、按照橋面的位置可以分為：上承式拱橋、中承式拱橋和下承式拱橋 5、按照有無(wú)水平推力可分為：有推力拱橋和無(wú)推力拱橋 6、按照拱圈截面型式可分為：板拱橋、板肋拱橋、肋拱橋、雙曲拱橋、箱形拱橋、鋼管混凝土拱橋、勁性骨架混凝土拱橋。 板拱橋 主拱圈的橫截面是整塊的實(shí)體矩形截面。它構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便。但是在橫截面面積相同的條件下，實(shí)體矩形截面比其他形式截面的抵抗矩小。一般在地基條件較好的中、小跨徑（一

5、般不大于100m）圬工拱橋中采用板拱形式。 肋拱橋 在板拱橋的基礎(chǔ)上，將板拱劃分成兩條，形成分離的、高度較大的拱肋，肋與肋之間用橫系梁相連。一般適用于較大跨徑的拱橋。 雙曲拱橋 主拱圈的橫截面是由一個(gè)或數(shù)個(gè)橫向小拱組成，使主拱圈在縱向及橫向均呈曲線形。雙曲拱橋的截面抵抗矩較相同材料用量的板拱大得多，因此可以節(jié)省材料，結(jié)構(gòu)自重小，最大跨徑達(dá)150m。由于截面組成劃分細(xì)，具有裝配式橋梁的特點(diǎn)，但是整體性能較差，建成后出現(xiàn)裂縫較多，目前已較少使用。 箱形拱橋 將實(shí)體的板拱截面挖空成空心箱形截面。箱形拱的截面抵抗矩較相同截面的板拱的截面抵抗矩大得多，所以能節(jié)省材料。一般情況下，跨徑50m以上的拱橋采用

6、箱形截面才是合適的。 鋼管混凝土拱橋 鋼管混凝土是在薄壁圓形鋼管內(nèi)填充混凝土而形成的一種符合材料，它借助內(nèi)填混凝土增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性，同時(shí)又利用鋼管對(duì)核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使其具有更高的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力；同時(shí)，鋼管本身相當(dāng)于混凝土的外模板，它具有剛度大、承載能力強(qiáng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，易于吊裝或轉(zhuǎn)體的特點(diǎn)，可以先將空鋼管拱肋合攏，再將混凝土壓注入管內(nèi)，從而大大降低肋大跨徑拱橋施工的難度。 勁性骨架混凝土拱橋 勁性骨架作為受力筋，可以是型鋼，也可以是鋼管或鋼管混凝土，采用鋼管混凝土作勁性骨架的混凝土又可以成為內(nèi)填外包型鋼管混凝土。主要用于大跨度拱橋中。萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋

7、就是用鋼管混凝土作勁性骨架的拱橋，施工時(shí)先用空鋼管形成骨架，然后在鋼管內(nèi)灌裝混凝土，最后，在鋼管外面支模板，現(xiàn)澆外層混凝土。 7、按結(jié)構(gòu)受力圖式分類：簡(jiǎn)單體系拱橋，組合體系拱橋和拱片橋按結(jié)構(gòu)受力圖式分類 按主拱圈與行車系結(jié)構(gòu)之間相互作用狀態(tài)分類，有簡(jiǎn)單體系拱橋、組合體系拱橋及拱片拱三大類。(1)簡(jiǎn)單體系拱橋： 行車系結(jié)構(gòu)不參與主拱受力，主拱是主要承重結(jié)構(gòu)。按不同的靜力圖式，主拱圈可分三鉸拱、兩鉸拱或無(wú)鉸拱。1)三鉸拱：靜定結(jié)構(gòu)；(拱圈內(nèi)無(wú)附加力)。缺點(diǎn)：構(gòu)造復(fù)雜，整體剛度小，對(duì)行車不利。適用：地基條件很差或寒冷地區(qū)可修建三鉸拱拱橋。 用作空腹式拱上建筑的腹拱。2)無(wú)鉸拱：三次超靜定結(jié)構(gòu)。(拱內(nèi)

8、有較大的附加內(nèi)力)。 特點(diǎn)：整體剛度大，構(gòu)造簡(jiǎn)單。 適用性：使用最廣泛，一般地基良好的條件時(shí)下修建。鋼筋混凝土無(wú)鉸拱是大跨徑橋梁的主要橋型之一。3）兩鉸拱：一次超靜定結(jié)構(gòu)，介于三鉸拱和無(wú)鉸拱之間。（2）組合式體系拱橋：行車系結(jié)構(gòu)與主拱圈構(gòu)成整體，以共同承受荷載。拱式組合體系橋一般由拱肋、系桿、吊桿（或立柱）、行車道梁（板）及橋面系組成。無(wú)推力拱（使用較廣泛）：拱的推力由系桿承受，墩臺(tái)不受水平推力有推力拱：此種組合體系拱沒(méi)有系桿，由單獨(dú)的梁和拱共同受力，拱的水平推力仍由墩臺(tái)承受。（3）拱片拱：上邊緣與橋面縱向平行，下邊緣為拱形的有推力結(jié)構(gòu)，稱為拱片。在拱片結(jié)構(gòu)中，行車道系與拱肋剛性聯(lián)成一整體，共

9、同承受荷載，僅能用于上承式拱橋。拱片橋可以做成無(wú)鉸拱、兩鉸拱或三鉸結(jié)構(gòu)，它的推力均由墩臺(tái)承受。第二章 拱橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)第一節(jié) 拱橋的總體設(shè)計(jì)在通過(guò)必要的橋址方案比較，確定了橋位之后，再根據(jù)當(dāng)?shù)厮?、地質(zhì)等具體情況，合理地?cái)M定橋梁的長(zhǎng)度、跨徑、孔數(shù)、橋面標(biāo)高、主拱圈的矢跨比等，這些是拱橋總體設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。有關(guān)確定橋長(zhǎng)和橋梁分孔的一般原則，前面已經(jīng)做了介紹，這里只進(jìn)一步闡明在具體設(shè)計(jì)拱橋中如何確定設(shè)計(jì)標(biāo)高和矢跨比的問(wèn)題。一、確定拱橋的主要設(shè)計(jì)標(biāo)高拱橋的標(biāo)高主要有四個(gè)：橋面標(biāo)高、拱頂?shù)酌鏄?biāo)高、起拱線標(biāo)高和基礎(chǔ)底面標(biāo)高。1.橋面標(biāo)高由兩岸線路的縱斷面設(shè)計(jì)來(lái)控制；要保證橋下凈空能滿足宣泄洪水或通航的要求

10、。對(duì)于無(wú)鉸拱，可以將拱腳置于設(shè)計(jì)水位以下，但通常淹沒(méi)深度不得超過(guò)矢高的2/3。2.拱頂?shù)酌鏄?biāo)高當(dāng)橋面標(biāo)高確定后，由橋面標(biāo)高減去拱頂填料厚度，就可得到拱頂上緣的標(biāo)高，減去主拱圈的厚度，可以推出拱頂?shù)酌鏄?biāo)高。為了保證漂流物能正常通過(guò)，在任何情況下，拱頂?shù)酌鎽?yīng)高處計(jì)算水位（設(shè)計(jì)洪水位計(jì)入雍水、浪高等）1.0m。3.起拱線標(biāo)高擬定起拱線標(biāo)高，為了減小墩臺(tái)基礎(chǔ)底面的彎矩，節(jié)省墩臺(tái)的圬工數(shù)量，一般宜選擇低拱腳的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于有鉸拱橋，拱腳需要高出計(jì)算水位以上0.25m。為了防止冰害，有鉸或無(wú)鉸拱的拱腳均應(yīng)高出最高流冰面0.25m。當(dāng)洪水帶有大量漂流物，若拱上建筑采用立柱時(shí)，應(yīng)當(dāng)將起拱線標(biāo)高提高，使主拱圈不

11、要淹沒(méi)過(guò)多，以防漂浮物對(duì)立柱的撞擊或掛留。4.基礎(chǔ)底面標(biāo)高主要根據(jù)沖刷深度、地基承載能力等因素確定。二、確定拱橋的矢跨比恒載的水平推力Hg與垂直反力Vg之比值，隨矢跨比的減小而增大。推力大，拱圈內(nèi)軸向力也大，對(duì)拱圈受力有利，對(duì)墩臺(tái)基礎(chǔ)不利。無(wú)鉸拱：拱圈內(nèi)的附加內(nèi)力，拱愈坦(即矢跨比越小)，附加內(nèi)力越大。矢跨比過(guò)大，拱腳區(qū)段過(guò)陡，施工困難，不美觀。磚、石、混凝土板拱橋及雙曲拱橋：1/61/4，不宜小于1/8箱形拱橋：1/81/6鋼筋混凝土桁架拱、剛架拱橋：1/101/6，不宜小于1/12三、不等跨連續(xù)拱橋的處理方法連續(xù)拱橋最好選用等跨分孔方案，但受地形、地質(zhì)、通航等條件限制時(shí)，也可以采用不等跨的

12、方案。為了減小因結(jié)構(gòu)重力引起推力不平衡對(duì)橋墩和基礎(chǔ)的偏心作用，可以采用以下措施：（1）采用不同的矢跨比在相鄰兩孔中，大跨徑用較陡的拱（矢跨比較大），小跨徑用較坦的拱（矢跨比較?。?）采用不同的拱腳標(biāo)高大跨徑孔的矢跨比大，拱腳降低，減小了拱腳水平推力對(duì)基底的力臂。大、小跨的恒載水平推力對(duì)基底的彎矩得到平衡。但拱腳不在同一水平，使橋梁外形欠美觀，構(gòu)造也復(fù)雜。（3）調(diào)整拱上建筑的恒載重量 如要滿足美觀要求等，可用調(diào)整拱上建筑的重量來(lái)減小相鄰孔間的不平衡推力。于是大跨徑可用輕質(zhì)的拱上填料或空腹式拱上建筑，小跨徑用重質(zhì)的拱上填料或?qū)嵏故焦吧辖ㄖ?，以改變恒載重量來(lái)調(diào)整拱橋的恒載水平推力。三種措施中，從橋

13、梁外觀考慮，以第三種為好，在設(shè)計(jì)中，可將幾種措施同時(shí)采用。如仍不能達(dá)到完全平衡推力的目的，則需設(shè)計(jì)成體型不對(duì)稱的或加大橋墩和基礎(chǔ)尺寸來(lái)解決。第二節(jié) 拱軸線形的選擇和拱上建筑的布置拱軸線的形狀：直接影響著拱圈的承載能力；影響結(jié)構(gòu)耐久性、經(jīng)濟(jì)合理性和施工安全性等。合理拱軸線：與拱上各種荷載作用下的壓力線相吻合，這時(shí)拱圈截面只受軸向壓力，而無(wú)彎矩作用，從而能充分利用圬工材料的抗壓性能。一般說(shuō)來(lái)，以結(jié)構(gòu)重力壓力線作為設(shè)計(jì)拱軸線，可以認(rèn)為基本適宜的。一、拱軸線應(yīng)滿足四方面的要求：盡量減小拱圈截面的彎矩，使主拱圈在計(jì)入彈性壓縮、均勻溫降、混凝土收縮等影響下各主要截面的應(yīng)力相差不大、且最大限度減小截面拉應(yīng)力

14、，最好是不出現(xiàn)拉應(yīng)力；對(duì)于無(wú)支架施工的拱橋，應(yīng)滿足各施工階段的要求，并盡可能少用或不用臨時(shí)性施工措施；計(jì)算方法簡(jiǎn)便，易為生產(chǎn)人員掌握；線型美觀，便于施工。二、目前常用拱軸線型有： (1)圓弧線 線型最簡(jiǎn)單，施工最方便，容易掌握。但拱軸線與恒載壓力線偏離較大，使拱圈截面受力不均勻。 圓弧線常用于1520m以下的小跨徑拱橋。(2)懸鏈線實(shí)腹式拱橋恒載強(qiáng)度下的拱圈壓力線是一條懸鏈線。因此實(shí)腹式拱橋采用懸鏈線作拱軸線。 對(duì)于空腹式拱橋，恒載壓力線與拱軸線偏離。但這對(duì)拱圈控制載面的內(nèi)力是有利的。為了設(shè)計(jì)方便，空腹式拱橋也廣泛采用懸鏈線作為拱軸線。 懸鏈線是目前我國(guó)大、中跨徑拱橋采用最普遍的拱軸線型。(3

15、)拋物線 在豎向均布荷載作用下，拱的合理拱軸線是二次拋物線。對(duì)于恒載強(qiáng)度接近均布的拱橋，例如矢跨比較小的空腹式鋼筋混凝土拱橋的拱軸線可用二次拋物線。鋼筋混凝土桁架拱和剛架拱等輕型拱上結(jié)構(gòu)拱橋的拱軸線也用二次拋物線。大跨徑拱橋如果拱上建筑布置很特殊(腹拱跨徑特別大)，為了使拱軸線與恒載壓力線基本吻合，采用高次拋物線(如四次或六次拋物線)作為拱軸線的。但計(jì)算工作量過(guò)大，計(jì)算難度大，很少采用?？傊?，小跨徑拱橋可采用實(shí)腹式圓形拱或?qū)嵏故綉益溇€拱；大、中跨徑拱橋可采用空腹式懸鏈線拱；輕型拱橋或矢跨比較小的大跨徑鋼筋混凝土拱橋可以采用拋物線拱。第三節(jié) 拱軸線形的選擇和拱上建筑的布置一、拱圈寬度的確定取決于

16、橋面凈空的寬度中、小跨徑拱橋：拱圈寬度等于橋面凈空寬度減去欄桿寬。大跨徑橋或跨徑較小、橋面特寬的城市橋梁：拱圈寬度小于橋?qū)挕９绻皹蛑鞴叭挾纫话憔笥诳鐝降?/20。橋規(guī)規(guī)定當(dāng)主拱圈寬跨比1/20時(shí)，則應(yīng)驗(yàn)算拱的橫向穩(wěn)定性。二、主拱圈高度的擬定根據(jù)跨徑大小、荷載等級(jí)、主拱圈材料規(guī)格等條件決定(1)石拱橋中、小跨徑石拱橋主拱圈高度可按下式進(jìn)行估算：式中：L0主拱圈凈跨徑(cm)；d 主拱圈高度(cm)；m 系致，取4.56k 荷載系數(shù),一般為1.01.2大跨徑的石拱橋，也可由其它經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：式中：系數(shù)，一般為0.0160.02，跨徑越大，矢跨比越小，系數(shù)取大值；(2)箱形拱、雙曲拱、桁架拱和剛架拱橋確定箱形拱、拱肋中距2.0m