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1、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 Supe
2、rstructure 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
3、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
4、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 = (
5、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)
6、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：
7、 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
8、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
9、 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
10、 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
11、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
12、 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
13、 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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、 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
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