第三章拱桥上部结构拱桥受力特点组成与分类各类常见拱桥构造特点.pptx

第三章 拱桥上部结构-113.1 概述3.1.1 拱桥的起源3.1.2 拱桥的基本特点3.1.3 拱桥的组成第三章 拱桥上部结构-123.1.1 拱桥的起源n世界上对拱结构的起源众说不一自然界溶洞天然拱崩落的堆石拱砌墙开洞，逐渐由“假拱”演变而成中国：墓葬结构及仅存实物，拱由梁与侧柱演变为三、五、七等折边拱，演变为圆拱。第三章 拱桥上部结构-13跨度由小变大，由二三米而到达净跨37.02m，并保持了千余年的世界记录。中国现存最早，并保存良好的是隋代赵州安济桥（赵州桥）。桥为敞肩圆弧石拱，拱圈并列28道，净跨37.02m，矢高7.23m，上狭下宽总宽9m。主拱圈等厚1.03m，主拱圈上有护拱石。安济桥（赵州桥）第三章 拱桥上部结构-15n中国石拱因南北河道性质及陆上运输工具不同，构造不同。n北方大多为平桥（或平坡桥），实腹厚墩厚拱。n南方水网地区则为驼峰式薄墩薄拱。第三章 拱桥上部结构-16n南方江浙一带水网地区，以舟行为主。n潮汐河流，软土地基，即使石拱桥亦尽量减轻重量建造为薄墩薄拱。n桥孔自单孔多到85孔（江苏吴江垂虹桥，已塌，尚存残孔8孔）。第三章 拱桥上部结构-17n薄拱的拱厚最小者仅及拱跨的166.7，而一般拱厚则为120左右。现存枫桥（清代建）也是薄拱。n薄墩之薄，相邻两拱圈拱石相接，特别是三孔连拱薄墩桥，中孔大、边孔小，两岸以踏步上桥。桥成驼峰形，造型美观。第三章 拱桥上部结构-18n中国的木拱桥肇始自宋。宋代张择端的清明上河图，在画面高峰处有北来都城汴京（现河南开封）跨汴水的一座木拱桥，名为虹桥。为了漕运，水中无桥墩，桥采用了“贯木架桥，即大木穿插叠架为木拱。虹桥桥跨约185m，拱矢约42m，桥面总宽96m。桥毁于金元之际，几百年来一直认为是绝唱。虹桥第三章 拱桥上部结构-1103.1.2 拱桥的基本特点n拱桥与梁桥的区别：外形不同、受力性能有差别。n圬工拱桥的优点跨越能力大能就地取材第三章 拱桥上部结构-111能耐久，养护、维修费用少外型美观构造较简单n圬工拱桥的缺点自重大，水平推力大，对地基要求高有支架施工时，施工耗时第三章 拱桥上部结构-112连拱拱桥设置构造复杂的单向推力墩，增加了造价上承式拱桥对标高要求高，城市少用n拱桥发展v石拱桥v钢拱桥v钢筋混凝土拱桥v钢管混凝土拱桥3.1.3 拱桥的组成n石拱桥的主要组成与名称 第三章 拱桥上部结构-114拱桥（Arch Bridge）的组成v桥跨结构（上部结构）superstructure 主拱圈 main arch拱上结构 spandral structurev下部结构 substructure 墩 pier台 abutment基础 foundation第三章 拱桥上部结构-115拱轴线：arch axis 起拱线：arch springing impost 跨径：桥梁上部结构的重要技术指标标准跨径：一般指净跨径净跨径：clear span 矢高：重要的技术指标之一净矢高：clear rise of arch 第三章 拱桥上部结构-116计算跨径：computed span 计算矢高：calculate rise of arch矢跨比：矢高与跨径之比，设计时一般取净矢高f0与净跨径l0之比为矢跨比（或称净矢跨比）坦拱：f0/L0（矢跨比）1/5陡拱：f0/L0（矢跨比）1/5第三章 拱桥上部结构-117n拱的计算跨径与计算矢高 三铰拱内力计算简图第三章 拱桥上部结构-119三铰拱与等跨简支梁内力比较 n三铰拱的反力（内力和反力上标加o的为简支梁，不加o的为三铰拱）第三章 拱桥上部结构-120n令 ，则内力为：第三章 拱桥上部结构-121三铰拱的竖向反力与简支梁相同，但在竖直荷载作用下，三铰拱会产生水平反力，而简支梁中没有水平反力的存在。三铰拱在竖直荷载作用下的水平反力引起拱内力中出现了轴力，同时降低了弯矩与剪力。第三章 拱桥上部结构-1223.2 3.2 拱桥的分类拱桥的分类 3.2.1 按主拱圈的建筑材料分类圬工拱桥钢筋混凝土拱桥钢拱桥钢管混凝土拱桥 第三章 拱桥上部结构-1233.2.2 按行车道位置分类 n上承式车道（桥面系）在拱肋之上的称为上承式上承式主要用于峡谷和桥面标高较高的桥梁传统的石拱桥因主拱圈为板式结构，只能采用上承式上承、下承及中承式拱桥 第三章 拱桥上部结构-125上承式拱桥构造较为简单上部结构由主拱圈、拱上建筑组成拱上建筑：实腹式或空腹式实腹拱桥：构造简单、自重大，适用于中、小跨度；空腹拱桥：结构合理、自重较小、利于泄洪，是大、中跨拱桥常用的形式 第三章 拱桥上部结构-126n下承式下承式拱桥的桥跨结构由拱肋、悬吊结构和横向联结系三部分组成。车辆在两片（三片）拱肋之间行驶，需要用吊杆将桥面系悬挂在拱肋下。桥面系和这些传力构件称为悬吊结构。第三章 拱桥上部结构-127n中承式：行车平面位于肋拱矢高的中间部位，桥面系一部分用吊杆悬挂在拱肋下，一部分用立柱支撑在拱肋上。n下承式或中承式拱桥一般是在桥梁建筑高度受到限制时考虑，其拱圈只能使用肋拱形式。n中、下承式主要用于地势平坦、桥面标高受限制或基础较差的拱桥之中。第三章 拱桥上部结构-1283.2.2 3.2.2 按照结构体系分类按照结构体系分类 n3.2.2.1 简单体系的拱桥 n拱圈的静力图式 第三章 拱桥上部结构-129n三铰拱：静定，无附加应力，铰构造复杂，桥面在铰处需设置伸缩缝，桥面纵坡在伸缩缝处折角，不利行车与养护。n 两铰拱：介于二者之间n 无铰拱：三次超静定，刚度大，构造简单，附加应力大。广泛用于石拱桥和钢筋混凝土拱桥之中，尤其是基础较好、跨径较大时。n3.2.2.2 拱梁组合桥（1）无推力的拱梁组合桥柔性系杆刚性拱系杆拱刚性系杆柔性拱朗格尔拱刚性系杆刚性拱洛泽拱v用斜吊杆来代替竖直吊杆时 称为尼尔森拱。第三章 拱桥上部结构-131（2）有推力的组合体系拱桥 刚性梁柔性拱（倒朗格尔拱）刚性梁刚性拱（倒洛泽拱）第三章 拱桥上部结构-132n3.2.2.3 刚架系杆拱 系杆拱中拱肋与桥墩固结，不设支座采用预应力钢绞线作为拉杆来平衡拱的推力，拉杆独立于桥面系之外，不参与桥面系受力，而桥面系为局部受力构件。这种结构由于拱和墩联接处为刚结点，属刚架结构，又带有系杆，故称之为刚架系杆拱 第三章 拱桥上部结构-133刚架系杆拱示意图 n单跨下承式 多跨下承式 带悬臂中承式3.2.3 按照主拱的截面形式分类 第三章 拱桥上部结构-1353.3 常见拱桥的构造特点 3.3.1 石板拱一、总体布置 石拱桥的主拱圈以石料建造。跨径小于20m，拱上建筑常做成实腹式跨径大于20m，拱上建筑一般为空腹式 实腹式拱桥构造图 空腹式拱桥构造图 第三章 拱桥上部结构-139二、主拱圈 料石拱(粗料石)：不小于30号石料、不小于7.5号砂浆 （大中桥）不小于5号砂浆（小桥）块石拱：片石拱：7.5号砂浆（中小桥）石拱圈：等截面圆弧拱，等截面或变截面悬链线拱 第三章 拱桥上部结构-140粗料石砌筑拱时，拱石需要随拱轴线和截面形式不同而分别进行编号，以便于拱石的加工。等截面圆弧线拱圈，截面相等，单心圆弧线，拱石规格较少，编号较简单变截面拱圈，由于截面发生变化，使拱石类型较多，编号较复杂，给施工带来很大的麻烦石板拱的主拱圈以等截面为主 第三章 拱桥上部结构-141等截面圆弧拱的拱石编号 第三章 拱桥上部结构-142变截面拱圈的拱石编号 第三章 拱桥上部结构-143n石拱圈构造上的要求：受压面的砌缝应是辐射方向，即与拱轴线相垂直。一般可做成通缝，不必错缝 拱圈厚度不大时，可采用单层拱石砌筑，拱厚较大时可采用多层拱石砌筑要求垂直于受压面的顺桥向砌缝错开，其错缝间距不小于0.10m第三章 拱桥上部结构-144拱圈横截面内，拱石的竖向砌缝应当错开，其错开宽度至少0.10m，在纵向或横向剪力作用下，可避免剪力单纯由砌缝内的砂浆承担，增大砌体的抗剪强度和整体性。砌缝的缝宽不应大于0.02m。第三章 拱桥上部结构-145拱圈与墩台、空腹式拱上建筑的腹孔墩与拱圈相连接处，应采用特制的五角石，以改善连接处的受力状况。五角石不得带有锐角，以免施工时易破坏和被压碎。为了简化施工，也常采用现浇混凝土拱座及腹孔墩底梁来代替制作复杂的五角石。拱石的砌缝 五角石及混凝土拱座、底梁 第三章 拱桥上部结构-147用块石或片石砌筑拱圈时，应选择较大的平整面与拱轴线相垂直，并使石块的大头向上，小头向下。石块间的砌缝必须相互交错，较大的缝隙应用小石块嵌紧。砌缝用砂浆或小石子混凝土灌满。第三章 拱桥上部结构-148三、拱上建筑n实腹式拱上建筑：侧墙、拱腹填料、护拱以及变形缝、防水层、泄水管和桥面等部分 n跨径较小的石板拱，常采用实腹式拱上建筑。n构造简单、施工方便，填料的数量较多、恒载较重。第三章 拱桥上部结构-149n空腹式拱上建筑n大、中跨桥的拱桥，特别是当矢高较大时,实腹式拱上建筑的填料用最多、重量大，因而以采用空腹式拱上建筑为宜。n空腹式拱上建筑除具有实腹式拱上建筑相同的构造外，还具有腹孔和腹孔墩。第三章 拱桥上部结构-150 桥墩（台）上腹拱的布置方式 第三章 拱桥上部结构-151腹拱墩构造形式 第三章 拱桥上部结构-152四、桥例 n成昆线一线尺石板拱桥总体布置图第三章 拱桥上部结构-1533.3.2 钢筋混凝土肋拱与箱拱 一、肋拱的主拱肋 n由两条或多条分离的平行拱肋，以及在拱肋上设置的立柱和横梁支承的行车道部分组成。n为了保证肋拱桥的横向整体稳定性，两肋外缘距离不小于L/20，肋宽横系梁间距不小于1/20（规范要求）。第三章 拱桥上部结构-154n中小跨径：矩形高=（1/401/60）L，宽=0.52.0高n大跨径：工字形高=（1/251/35）L，宽=0.40.5高，腹板厚0.30.5米比矩形的高n分离的拱肋间须设置横系梁n肋拱适合大中跨径拱桥。第三章 拱桥上部结构-155 肋拱桥桥型图 第三章 拱桥上部结构-156 肋拱桥的拱肋截面形式 第三章 拱桥上部结构-157二、箱拱的主拱圈n箱拱或箱形拱的主拱圈全宽采用一个箱（通常为单箱多室），主拱圈为整体薄壁箱形结构。n适用于大跨径，挖空率可达5070%。自重轻。抗弯抗扭刚度大，横向整体性好，稳定性好。吊装要求高，一般在跨径50m以上。第三章 拱桥上部结构-158n拱高：H=L/100+（0.60.7）米，n箱宽：1.3m1.6mn壁厚：0.080.10mn底厚：0.10.14mn横隔板间距5m，厚0.060.08m （顶板边为0.060.08m）n安装：开口箱+现浇 重量轻 闭口箱 抗扭刚度大第三章 拱桥上部结构-159箱形拱闭合箱的构造 箱拱预制施工构造示意图 三、三、钢筋混凝土肋拱、箱拱钢筋混凝土肋拱、箱拱的的拱上建筑拱上建筑n梁（板）拱上建筑 涪陵乌江大桥 Fuling Bridge over Wujiang River第三章 拱桥上部结构-163n腹孔墩构造型式 四、桥例 n铁路丰沙线永定河七号桥总体布置第三章 拱桥上部结构-165邕宁邕江大桥总体布置图邕江大桥拱肋截面图万县长江大桥Wanxian Bridge over Yangtze River第三章 拱桥上部结构-168重庆万县长江大桥总体布置图第三章 拱桥上部结构-169重庆万县长江大桥主拱圈截面构造图第三章 拱桥上部结构-1703.3.3 钢筋混凝土双曲拱、桁架拱和刚架拱 一、双曲拱 主拱圈：拱肋、拱波、拱板、横向联系施工时化整为零，集零为整受力。于1964年在江苏无锡诞生，东拱桥，跨径 9m，为三肋二波砖结构。文革期间发展迅速，约定44余座，最大跨径150米 第三章 拱桥上部结构-171河南前河大桥：1-150m，f0/L0=1/10，7+20.6m，汽-15，拖-60，拱宽7.8m，变截面悬链线，高2.22.7，1969年建成。湖南汀江大桥：主桥长1250米，宽20米，最大跨径76米，引桥282米，规模最大。目前已基本不修建，但加固与加宽问题突出。第三章 拱桥上部结构-172特点：拱肋、拱坡、拱板、横向联系组成 截面合理，省材料 施工无支架，吊装重量轻人工用量大整体性差第三章 拱桥上部结构-173二、桁架拱桁架拱又称拱形桁架桥，具有水平推力的桁架结构，下弦杆为拱形，上弦杆一般与桥道结构组合成一整体而共同工作。在跨中部分，因上、下弦杆很靠近而做成实腹段。拱上建筑与主拱圈共同受力，成片预制。江界河大桥Bridge over Jiangjie River第三章 拱桥上部结构-175特点：兼具桁架和拱的特点，结构受力合理，材料省；总重力，推力小，对地基要求低；整体性好比双曲拱；施工方便；吊装困难，节点易开裂第三章 拱桥上部结构-176v相当于挖空的拱片拱v桁梁桥有拉杆，无法用钢筋砼（特别是上、下弦），用拱式则可以。n桁架拱的形式：斜腹杆 竖腹式 桁架肋 圆拱片桁架拱桥的主要组成 桁架拱的主要形式 桁架拱桥的节点构造示例 第三章 拱桥上部结构-180江界河桁架拱桥第三章 拱桥上部结构-181三、刚架拱桥八十年代新开发的拱桥桥型，造型更简洁，吊装重量轻，跨越能力更大，跨径从25m起。江西太白桥：已建成的最大刚架拱，跨径130m。广东清远北江大桥：最长的刚架拱，全长1058m。（345+870+445m）第三章 拱桥上部结构-182刚架拱在我省也修建了许多，主要为跨径60米以下的桥。其矢跨比一般为1/8和/10。特点：兼具刚架与拱的优点，吊装能力小。桥面：微弯板 填平层刚架拱桥的主要组成 第三章 拱桥上部结构-184江西德兴铜矿太白桥第三章 拱桥上部结构-1853.3.4 3.3.4 拱梁组合钢桥拱梁组合钢桥n拱梁组合体系桥梁：利用行车系的纵梁作为拉杆，拱与梁在拱脚处刚结，支承于墩台支座之上。n一方面使拱梁共同承受荷载，从整体上节约材料，另一方面对墩台与基础的要求降低，从外部受力上类似于简支梁。第三章 拱桥上部结构-186n拱梁组合体系根据拱肋与系梁相对抗弯刚度的大小分为柔性系杆刚性拱刚性系杆柔性拱刚性系杆刚性拱第三章 拱桥上部结构-187铁路成昆线迎水河桥总体布置迎水河桥上部结构拼装示意图 第三章 拱桥上部结构-189九江长江大桥总体布置图 第三章 拱桥上部结构-1903.3.5 钢管混凝土刚架系杆拱 一、概述一、概述钢管砼基本原理：借助内填砼增强钢管壁的稳定性；借助钢管对核心砼的套箍作用提高砼强度。钢管砼拱桥广泛应用的原因：拱为压弯构件，钢管砼以受压为主；拱桥施工问题。梅西河桥 Meixihe Bridge 第三章 拱桥上部结构-192结构特点：钢管本身就是耐侧压的模板 钢管本身就是钢筋 钢管本身又是劲性承重骨架与钢结构相比，省钢材50%，与普通钢筋砼相比，面积省一半（用钢量相同时）第三章 拱桥上部结构-193钢管混凝土拱肋的截面形式 第三章 拱桥上部结构-194第三章 拱桥上部结构-195二、二、下承式刚架系杆拱下承式刚架系杆拱n主要用在建筑高度受限制和地基条件较差的情况下。n由于系杆的存在，基本上平衡了拱桥的恒载产生的水平推力，降低了对下部结构和基础的要求。三山西桥Sanshanxi Bridge 第三章 拱桥上部结构-197n虽然拱脚与桥墩为固结，但由于墩的抗推刚度较小，所以拱脚存在着转角。n根据拱的受力特性，拱脚变位对拱受力的影响以水平位移最大，转角次之，水平位移又以相对向外不利，它主要靠拉杆来约束，n所以近似分析时，可以考虑按固定拱计算,但应计入拱的水平位移产生的内力。第三章 拱桥上部结构-198n施工方法：n先拱后梁：架设拱时需要临时的拉杆，平衡拱自重产生的水平推力，在梁架设后还要将此水平推力转换到系梁上。n先梁后拱：梁的架设需采用悬臂拼装或少支架方法。第三章 拱桥上部结构-199n下承式刚架系杆拱：由于拱脚与桥墩（台）固结，拱肋时可象固定拱一样施工，高强的柔性系杆随拱肋自重和桥面系自重的不断增加而施加张拉力。n刚架系杆拱在施工方面，较拱梁组合桥有更大的优越性，从而也使这类拱桥的跨径向更大跨方向的发展成为可能。第三章 拱桥上部结构-1100n拱墩固结点的构造：较为复杂，特别是下承式。拱肋、桥墩、帽梁汇聚在这里，为不规则的几何体。n拱墩固结点的受力：也较复杂，各方向的力也都集中于此点，且受系杆强大的集中力作用，容易在主拉应力方向发生开裂，因此应引起重视。福建安溪兰溪大桥拱墩固结点构造 第三章 拱桥上部结构-1102深圳彩虹（北站）大桥桥型布置 罗斯福湖桥 Roosevelt Lack Bridge第三章 拱桥上部结构-1104n不等跨拱桥：边跨的自重能平衡主跨的恒载水平推力，中跨为自重较轻的钢管混凝土拱桥、边跨为自重较重的钢筋混凝土拱桥；n主跨的矢跨比：较大，一般为1/41/6n边跨的矢跨比：较小，一般为1/71/10第三章 拱桥上部结构-1105n主边跨的拱肋在一水平线上，以利于系杆平衡水平推力。n边跨的拱肋之间由强大的端横梁联成整体，并为系杆的锚固提供空间。丫髻沙大桥主桥拱桥平、立面布置图 主拱横截面布置图