圬工和钢筋混凝土拱桥.doc

第三篇 圬工和钢筋混凝土拱桥
第3篇第1 章 拱桥概述
1.1 拱桥的基本特点
拱桥与梁桥的区别
拱桥的基本特点
n 跨越能力大
n 就地取材，节约钢材水泥
n 耐久性能好，维护费用低
n 外形美观、构造简单
同时：
n 自重大，采用无铰拱时，对地基条件要求较高
n 圬工拱桥随着跨径和桥高的增加，总造价增加较多
n 连续多跨拱桥推力平衡、建筑高度较高
1.2 拱桥的基本组成
拱桥
Arch Bridge
上部结构 Superstructure
下部结构
Substructure
附属设施
Accessory
主拱圈
Superstructure
拱上建筑
Superstructure
桥墩 Pier
桥台 Abutment
基础 Foundation

1.3 拱桥的主要类型
n 按主拱圈所使用建筑材料分：
圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢拱桥、钢-混凝土组合拱桥
n 按拱上建筑形式分：
n 按主拱圈所使用建筑材料分：
圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢拱桥、钢-混凝土组合拱桥
n 按拱上建筑形式分：
实腹式拱桥、空腹式拱桥
n 按主拱圈线形分：
圆弧线、悬链线、抛物线
n 按主拱圈所使用建筑材料分：
圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢拱桥、钢-混凝土组合拱桥
n 按拱上建筑形式分：
实腹式拱桥、空腹式拱桥
n 按主拱圈线形分：
圆弧线、悬链线、抛物线
n 按桥面的位置分：
上承式拱桥、中承式拱桥、下承式拱桥
1.3.1 按照结构受力图示分类：
l 简单体系拱桥
l 组合体系拱桥
l 拱片桥
简单体系拱桥
n 三铰拱
n 两铰拱
n 无铰拱
组合体系拱桥
由拱肋、系杆、吊杆（或立柱）、行车道梁（板）及桥面系等组成
1.3.2 按照主拱圈截面形式分类：
l 板拱桥
l 板肋拱桥
l 肋拱桥
l 双曲拱桥
l 箱形拱桥

第3篇第2章 拱桥的构造
2.1 主拱圈的构造
2.1.1 板拱
n 材料: 天然石材（30号） ，砂浆Mu5.0~7.5 号
n 形式：等截面圆弧拱、等截面或变截面悬链线拱。
n 细部构造 ：编号和砌筑方法
2.1.2 肋拱
n 肋拱桥的组成:
n 拱肋布置：
n 拱肋形式：
拱肋形式：
矩形截面： 肋高 h = (1/40~1/60)l ；肋宽 b=(0.5~2.0)h
工字形截面：肋高 h = (1/25~1/35)l ；肋宽 b=(0.4~0.5)h
腹板厚 b’=30~50 cm
钢管混凝土肋拱：肋高 h = (1/45~1/65)l
箱形截面： 肋高 h = (1/40~1/55)l

2.1.3 箱形拱
特点：
n 截面抗弯、抗扭刚度大，拱圈整体性好；
n 单条箱肋稳定性好，能单箱肋成拱， 便于无支架施工；
n 箱形截面能适应主拱圈各截面抵抗正负弯矩的需要；
n 自重相对较轻；
n 制作要求较高，吊装设备较多， 主要适用于大跨径拱桥。
箱形拱的组成方式：
n 由多条U形肋组成多室箱形截面；
n 由多条工字形肋组成多室箱形截面；
n 由多条闭合单箱肋肋组成多室箱形截面；
n 单箱多室截面。
2.1.3 箱形拱
箱形拱的高度和宽度
n 高 h = (1/55~1/75)l 或h = l 0 /100+(0.6~0.8)m
n 宽 b=(0.5~1.0)x桥宽
2.1.4 双曲拱桥
双曲拱桥的组成
主拱圈截面型式
2.2 拱上建筑的构造
分为实腹式和空腹式两类
2.2.1 实腹式拱上建筑构造
组成：拱腹填料、侧墙、护拱、变形缝、防水层、泄水管及桥面系等
2.2.2 空腹式拱上建筑构造
空腹式拱除了具有实腹式拱上建筑相同的构造外，还具有腹孔和腹孔敦。
n 腹孔
腹孔构造
A. 拱式拱上建筑
腹孔的布置
l 主拱圈受力的要求：避免荷载过分集中于腹孔墩
l 拱桥外形美观的要求：
腹孔的形式：
l 圆弧线板式结构： 矢跨比 r=1/2~1/5
l 微弯板或扁壳结构：矢跨比 r=1/10~1/12
腹拱截面：
l 石板拱 30cm
l 混凝土 15cm
l 微弯板 14cm（预制6cm+现浇8cm）
腹孔的变形缝
B. 梁式拱上建筑
腹孔墩
横墙（立墙）式和立柱式
2.3 拱桥的其它细部构造
n 拱上填料、桥面及人行道
n 伸缩缝与变形缝
n 排水与防水层
n 拱桥中铰的设置
拱桥中铰的设置
n 按两铰拱或三铰拱设计的主拱圈
n 腹拱圈因构造需要而设置
n 腹空墩上下因构造需要而设置
n 施工中为消除部分附加内力而设置的临时铰
铰的种类
n 弧形铰
n 铅垫铰
n 平铰
n 不完全铰
n 钢铰
2.4 其它类型拱桥的构造
2.4.1. 桁架拱桥
特点
l 整体工作，拱上结构与主拱圈构成桁架，共同受力；
l 材料省身，重量轻，对软土地基有较好的适用性。
主要构造
上部结构由桁架拱片、横向联结系和桥面三部分组成

本章回顾
2.1 主拱圈的构造
板拱、肋拱、箱拱、双曲拱桥
2.2 拱上建筑构造
实腹式拱上建筑
空腹式拱上建筑
2.3 其它细部构造
拱上填料、桥面及人行道
伸缩缝与变形缝
排水与防水层
拱桥中铰的设置
2.4 其它类型拱桥构造
桁架拱桥
刚架拱桥

第3篇第3章 拱桥的设计
3.1 拱桥的总体体布置
3.1.1. 拱桥的设计标高和矢跨比
n 设计标高
线路纵断面、通航要求——桥面标高——拱顶填料及拱圈结构高度——拱顶底面标高——通航、泄洪等要求及经济性——起拱线标高
n 矢跨比
Ø 矢跨比与结构受力
矢跨比 f / l 越小 ，Hg / Vg 越大
矢跨比 f / l 越小 ，附加内力 越大
Ø 矢跨比与施工方式
Ø 矢跨比与桥梁美观
不同类型拱桥的常用矢跨比
n 石、混凝土板拱及双曲拱桥 f / l = 1/4 ~ 1/6
n 箱形拱桥 f / l = 1/6 ~ 1/8
n 钢筋混凝土桁架拱桥 f / l = 1/6 ~ 1/10
n 钢筋混凝土刚架拱桥 f / l = 1/6 ~ 1/10
3.1.2. 不等跨连续拱的处理方法
为减小恒载下由于不等跨产生的不平衡推力，可以：
l 采用不同的矢跨比
l 采用不同的拱脚标高
l 调整拱上建筑的恒载重量
l 采用不同类型的拱跨结构
3.2 拱轴线的选择和拱上建筑的布置
3.2.1. 拱轴线选择的原则
l 尽量减少拱圈截面的弯矩， 最好截面上不出现拉应力
l 满足施工要求
l 线型美观
3.2.2. 常用拱轴线型
l 圆弧线
l 悬链线
l 抛物线

本章回顾

第3篇第4章 拱桥的计算
4.1悬链线拱的几何性质及弹性中心
4.1.1. 实腹式悬链线拱
l 实腹式悬链线拱的拱轴方程

l 实腹式悬链线拱的荷载分布
l 拱轴系数
l 拱轴线方程
l 实腹式悬链线拱轴系数的确定
l 拱轴系数与悬链线线形的关系

y1/4
f
l1=l/4
A
B
Hg
l1=l/4
Δy
4.1.2. 空腹式悬链线拱
五点重合法
三铰拱的情形

l 拱轴系数m的求解
1）假定初始的m0；
2）根据已知的矢跨比和拱轴系数，查得相应的半拱悬臂自重对1/4截面和拱脚截面的弯矩，进一步计算整个拱上建筑对1/4截面和拱脚截面的弯矩；
3）由下式计算新的拱轴系数m，并与m0比较。相差不大， 则可。

无铰拱的情形

4.1.2. 空腹式悬链线拱
l 任意截面的偏离弯矩

l 对于拱顶截面

l 对于拱脚截面

结论：空腹式无铰拱的拱轴线，采用悬链线比恒 载压力线更合理。

4.2 恒载作用下拱的内力计算
4.2.1. 不考虑弹性压缩的恒载内力
实腹式悬链线拱的恒载内力

空腹式悬链线无铰拱的恒载内力： 直接根据静力平衡条件写出：

由于拱轴线与恒载压力线有偏离，故还要叠加偏离产生的附加内力。中小跨径空腹式拱可偏安全地不考虑偏离弯矩的影响。
4.2.2. 考虑弹性压缩引起的内力
在恒载产生的压力作用下，拱沿轴线方向会产生弹性压缩。由此将在超静定结构上产生内力。水平赘余力为：

4.2.3.恒载作用下拱圈各截面的总内力
实腹式悬链线拱的内力：
轴向力：
弯矩：
剪力：
空腹式悬链线拱的恒载内力：
轴向力：
弯矩：
剪力：
4.2.4. 计算实例
如图所示无铰拱， 计算跨径l=80m，主拱圈及拱上建筑恒载见图，主拱圈截面面积A=5.0m2，截面惯性矩I=1.0m4，容重γ=25kN/m3 。试应用“五点重合法”，
n 确定拱桥拱轴系数m
n 计算拱脚处竖向力、水平推力以及恒载轴力
（考虑拱的弹性压缩）
n 计算弹性压缩引起的拱脚截面
和拱顶截面弯矩

① 确定拱桥拱轴系数m
n 取悬臂曲梁为基本结构
n 计算拱上建筑恒载对1/4截面和
拱脚截面的弯矩
n 假定初始拱轴系数m=2.514，查《拱桥》表，得半拱悬臂自重对1/4截面和拱脚截面的弯矩
n 计算所有半拱悬臂荷载对1/4截面和拱脚截面的弯矩
n 计算拱轴系数m
n 比较前后两个拱轴系数m， 相差大于半级，须计算拱轴系数m。重复上述计算过程，直至满足要求。
② 计算拱在不考虑弹性压缩时的拱脚反力
n 根据确定的拱轴系数m， 查表
计算得半拱悬臂自重对拱脚截面的竖向剪力
n 计算半拱悬臂恒载对拱脚截面总的竖向剪力
n 按下式计算拱脚截面水平推力
n 计算拱脚截面恒载轴力
③ 计算拱考虑弹性压缩引起的Vg、 Hg和 Ng
n 根据确定的拱轴系数m
计算弹性中心位置
n 查表计算弹性中心处的水平拉力S
n 计算Vg、 Hg和 Ng
4.3 活载作用下拱的内力计算
4.3.1. 不考虑弹性压缩影响的活载内力
① 计算赘余力影响线
n 基本结构：简支曲梁
n 典型方程为

② 绘制内力影响线
n 拱中水平推力影响线
n 拱脚竖向反力影响线
n 任意截面弯矩影响线
4.4 裸拱的内力计算
1. 计算的必要性
n 早期脱架施工
n 无支架施工
2. 裸拱的受力特征
n 实际拱轴系数比拱轴线 采用的要小，导致拱顶和拱铰一般都产生正弯矩。
本章小结
n 悬链线拱的几何性质及弹性中心
n 恒载作用下拱的内力计算
n 活载作用下拱的内力计算
n 裸拱的内力计算

第3篇第5章 拱桥的施工方法
n 有支架施工
n 无支架施工
5.1 有支架施工
5.1.1. 拱架
n 拱架的形式与构造
满布式拱架
n 拱盔
n 卸架设备
n 拱架下部支架
拱式拱架
5.1.2. 拱架的计算
拱架的计算荷载
n 拱架自重
n 拱圈重量，可视为活荷载
n 施工重量
n 横向风力
拱架预拱度的计算与设置
n 拱架的弹性与非弹性变形
n 拱圈在自重、温度变化和墩台位移等因素下的弹性下沉
5.2 缆索吊装施工
5.2.1.缆索吊装设备
n 主索
n 起重索
n 牵引索
n 结索
n 扣索
n 浪风索（缆风索）
n 塔架及索鞍
n 地锚
n 卷扬机
5.2.2.拱肋的预制
n 放样
n 支模
n 分节段浇筑
n 养护
5.2.3. 拱肋的吊装
为了保证吊装的稳定和安全，一般应：
n 扣索的设置： 各拱肋段(处最后的拱顶合拢段外)，均应设置一组扣索将拱肋悬挂住
n 风缆的设置： 至少保证2根基肋设置固定风缆
n 松索的时机：
小跨径的箱形拱，当截面高度(0.009-0.012跨径)和宽度(0.6-1.0肋高)满足一定条件，且横向稳定安全系数不小于4时，单根拱肋成拱后即可松索；
大中跨径的箱形拱，单肋横向稳定安全系数小于4时，先悬扣拱脚段或次拱脚段，然后用横夹木临时将相邻两肋联结，待拱顶单根拱肋合拢成拱后，即可松索；
当拱肋跨径超过80米，应采用双基肋合拢松索成拱方式
5.2.4. 拱肋吊装过程中的内力计算
n 吊点的位置确定：
避免倾翻，吊点必须在该段拱肋重心以上
从该段拱肋的合理受理确定吊点的位置
n 各施工阶段的内力计算：
边段拱肋悬挂时扣索的计算
边段拱肋悬挂时自重内力的计算
中段拱肋搁置于边段拱肋上时内力的计算
中段拱肋安装时的内力的计算
5.3 其它施工方法
5.3.1. 悬臂施工方法
n 塔架斜拉索法
n 斜吊式悬浇法
5.3.2. 转体施工方法
n 竖向转体施工方法
n 平面转体施工方法
n 转动机构
5.4 钢管混凝土拱桥
5.4.1.钢管混凝土的特点
n 钢和混凝土的理想结合
钢管中混凝土由于受到钢管的约束，抗压强度大体可提高一倍；另一方面由于混凝土对钢管屈曲的约束作用，钢管的屈曲抗力也得以提高，这种互补的效果，是钢管混凝土成为理想的受压构件。
5.4.1.钢管混凝土的特点
其他优点
n 钢管作为耐侧压的模板，可省去支模、拆模等工序
n 钢管本身是劲性骨架，节省施工用脚手架，减少施工用场地，加快施工进度。
5.4.2. 钢管混凝土拱桥的组成
上承式钢管混凝土拱桥
5.4.3. 钢管混凝土拱桥的施工
5.4.3.钢管混凝土拱桥的应注意的问题
n 钢管外露受外界日照影响明显
n 钢管内混凝土密实性问题
混凝土顶升灌注方法
微膨胀混凝土技术
5.4.4.内填外包型钢管混凝土拱桥
主要用于大跨度拱桥
n 形成钢管拱骨架
n 管内浇筑混凝土，形成钢管混凝土
n 在钢管混凝土骨架上，外挂模板浇筑外包混凝土
20