混凝土拱桥1教材

混凝土拱桥◆概述◆拱桥构造◆拱桥计算一、概述●拱桥的基本组成及主要特点●拱桥的分类●拱桥的总体布置1.拱桥的基本组成及主要特点(1)与梁桥的区别(2)拱桥的基本组成(3)拱桥的特点2.拱桥的分类(1)

(2)按拱上结构分实腹式拱桥空腹式拱桥(3)按拱轴线型★圆弧线拱桥★抛物线拱桥★悬链线拱桥(4)按有无水平推力★有推力拱桥★无推力拱桥(5)按桥面位置(6)按结构体系（结构受力图式）★简单体系拱桥受力特点：行车系结构不参与主拱一起受力，桥上的全部荷载由主拱单独承受，它们是桥跨结构的主要承重构件。拱的水平推力直接由墩台或基础承受。分类：三铰拱、两铰拱和无铰拱★组合体系拱桥受力特点：行车系与主拱共同受力★拱片桥三铰拱、两铰拱和无铰拱(7)按主拱的截面型式3.拱桥的总体布置

总体布置是否合理，考虑问题是否周全，不但直接影响桥梁的总造价，而且还对今后桥梁的使用、维护、管理带来直接的影响。因此，拱桥的总体布置十分重要。拱桥的总体布置应按照适用、经济、安全和美观的原则进行。总体布置图中阐明的主要内容，应包括拟用的结构体系及结构形式；桥梁的长度、跨径、孔数；拱的主要几何尺寸，如矢跨比、宽度、高度、外形等；桥梁的高度；墩台及其基础形式和埋置深度；桥上及桥头引道的纵坡等。(1)确定拱桥的主要设计标高拱桥的标高主要有四个：桥面标高；拱顶底面标高；起拱线标高；基础底面标高。①桥面标高②拱顶底面标高③起拱线标高④起拱线标高(2)确定拱桥的矢跨比(3)不等跨拱桥不平衡推力的处理

多孔拱桥最好选用等跨分孔的方案。在受地形、地质、通航等条件的限制，或引桥很长，考虑与桥面纵坡协调一致时，可以考虑用不等跨分孔的办法处理。不等跨拱桥，由于相邻孔的恒载推力不相等，使桥墩和基础增加了恒载的不平衡推力。为了减小这个不平衡推力，改善桥墩基础受力状况，可采用以下措施：

●采用不同的矢跨比●采用不同的拱脚标高●调整拱上建筑的重量●采用不同类型的拱跨结构●采用不对称桥墩二、拱桥构造●上承式拱桥构造●中、下承式拱桥构造简介●拱桥墩台1.上承式拱桥构造(1)主拱构造按主拱（圈）截面分类：

★板拱；★肋拱；★箱形拱；★双曲拱等。①

板拱主拱厚度及变化规律石板拱的构造石板拱按照砌筑拱圈的石料规格，还可以分为料石板拱、块石板拱及片石板拱等各种类型。用来砌筑拱圈的石料是未经风化的。为便于拱石的加工，根据拱轴线型式的不同，需将拱石分别进行编号。砌筑拱圈时，根据受力需要，构造上应满足以下要求：设五角石或混凝土拱座和底梁－改善受力条件混凝土板拱的构造钢筋混凝土板拱的构造

无铰拱的纵向主筋应锚固在墩台台帽中，其锚入深度不应小于拱脚截面高度的一倍半。②

肋拱③

箱形拱箱形拱截面组成方式国内外大跨径箱形拱或肋拱桥，主拱圈多采用多室箱，以采用三室箱最为普遍（南斯拉夫KRK桥）。拱圈截面尺寸拟订拱箱的横隔板及横向联结

为了加强箱壁的局部稳定性，提高拱箱抗扭能力，拱箱内每隔一定距离设一道横隔板。设置位置：箱肋接头处，吊扣点，拱上立柱。其余部分每3-5m设一道。为减轻重量并便于施工人员通行，横隔板中间挖空或做成桁架式横隔板。对于多室箱组合截面，为了加强拱箱的整体性，箱与箱之间要作横向联结。横向联结的做法，有以下几种：1.在横隔板两侧的箱壁上下缘预留孔洞，用短钢筋穿过，与横隔板上的预埋钢板焊接；2.在横隔板位置的顶板上预埋钢板，用钢筋搭焊连结，并在各箱底板上横向预留分布钢筋，待箱合拢后使预留钢筋交叉、勾住，再现浇壁间混凝土；3.箱肋壁间混凝土与顶板混凝土一起浇筑成整体，箱肋的竖向筋外伸，埋入顶板混凝土中，并在顶板混凝土中，沿全拱宽布设通长钢筋网。箱肋的接头

由于吊装能力的限制，箱肋纵向分为数段预制，段与段间一般多采用角钢顶接接头，接头处的箱壁或顶底板局部加厚，预埋的接头角钢焊接在上下缘的主筋上。并设定位角钢，通过定位角钢的临时联结、定位，全拱合拢后，再在接头角钢上加盖钢板焊接，最后用混凝土填封接头。拱脚接头，一般在墩台的拱座内预留深约40cm的凹槽，将箱肋端部的箱壁或顶底板加厚至200-300mm，插入槽内。槽内预埋钢板，与箱肋上下缘预埋的钢板焊接，最后用混凝土封填拱脚凹槽。双曲拱

双曲拱是六十年代中期我国江苏省无锡县的建桥职工首创的一种新桥型。双曲拱桥主拱圈的特点是化整为零，再集零为整，以适应无支架施工且无大型起吊机具时的情况。施工时，将主拱圈划分为拱肋、拱波、拱板及横向联系等四种构件（化整为零）。然后，再把分段预制的钢筋混凝土拱肋合拢，与横向联系构件组成拱形框架，在拱肋之间砌筑拱波，再在拱波上现浇混凝土拱板，形成主拱圈（集零为整）。

双曲拱桥主拱圈截面，根据桥梁的跨度、宽度、设计荷裁的大小、所用材料以及施工等不同情况，可以采用不同的形式。目前，公路双曲拱桥采用最多的是多肋多波或双肋单波的截面形式。拱肋的分段和接头

预制的拱肋，一般跨径在2-25m以下时，拱肋可整根预制和吊装，跨径再大，根据吊装能力，则常常分成几段。分段数目和长度应根据桥梁跨径大小、运输设备和吊装能力等条件来考虑。由于拱顶往往是受力最不利的截面，因此拱肋分段时接头不宜布置在拱项。而接头宜设置在拱肋自重作用下弯矩最小的地方，一般在跨径的0.29-0.32倍附近。一般按奇数分为3或5段。同时，为了保证拱肋在吊装中的稳定性，每段拱肋的长度，一般也不宜超过拱肋宽度的50倍。拱肋的接头，应构造简单，结合牢固，操作方便。

拱肋接头注意：接头处的混凝土标号，应较拱肋混凝土标号高一级。连接钢筋，钢板（或型钢）的截面尺寸，应由计算确定。钢筋的焊缝长度，以及钢筋绑扎的最小搭接长度，应符合《公路预应力混凝土桥梁设计规范》中的规定。焊接时，应注意防止周围混凝土过热烧伤。法兰盘螺栓接头，螺栓拧紧后应焊死。(2)拱上建筑的构造按照拱上建筑的型式，拱上建筑可以分为实腹式和空腹式两类。①实腹式拱上建筑由拱腹填料、侧墙、护拱、变形缝、防水层、泄水管和桥面等组成。②空腹式拱上建筑梁式拱上建筑剪支腹孔（纵铺桥道板梁）连续腹孔（横铺桥道板梁）拱顶填料、桥面铺装伸缩缝、变形缝拱铰排水与防水2.中、下承式拱桥构造简介(1)结构组成中承式拱桥下承式拱桥(2)适用场合(3)细部构造◆行车道布置●位于两拱肋之间特点：肋间距小；减小横向联系困难；

●

位于单拱肋两侧优点：美，无横向联系，视距好；缺点：横向刚度小，采用箱肋。使用：城市桥，不适于大跨。注意：桥面系在与肋相交处（中承式）设断缝（此处横梁与肋固结，否则会使桥面、防水层和混凝土被拉裂）。●

横梁3.拱桥墩台

内容见《桥梁工程》P521。三、拱桥计算主要内容：

●拱轴线的选择；●拱桥的内力计算；●主拱验算；●主拱内力调整；●施工阶段的主拱验算；●连拱计算。1.拱轴线的选择拱轴线方程的建立悬链线线型特征拱轴系数的确定空腹式悬链线拱的m的确定方法2.拱桥内力计算

偏离附加内力的大小与荷载的具体布置有关，一般是拱上腹孔跨径越大，偏离影响也越大，对于大跨径空腹拱桥，应该计入偏离影响。

桥梁设计规范规定，在下列情况下，拱桥设计时可不计弹性压缩的影响。◆

忽略弹性压缩影响(1)赘余力影响线

为了便于编制影响线表，在求拱中内力影响线时，采用简支曲梁为基本结构(如图所示）。根据弹性中心的特性知，所有副变位均为零。设图b所示内、外力方向及与内力同向之变位均为正值，作用在弹性中心的赘余力，可按下式求解：

式中，分母部分为弹性中心的常变位值，分子部分为载变位值。

如暂不考虑轴向力对变位的影响，也不计剪力和曲率对变位的影响，则有

为了便于计算载变位，将拱上的单位荷载分解为正对称和反对称两组荷载，如图所示，并设荷载作用在右半拱。利用结构的对称性，在计算载变位时，只须考虑正对称荷载作用的情况(反对称为零)，而计算则只考虑反对称荷载的情况（正对称为零）。将荷载分解为正、反对称

将代入常变位及载变位公式，可得(2)支点反力和内力影响线

有了赘余力影响线之后，拱中任何截面的内力影响线，均可利用静力平衡条件建立计算公式并借助迭加的办法求得。a)拱中水平推力的影响线由知，拱中任意截面的水平推力，因此的影响线与赘余力的影响线是完全一致的。b)拱脚竖向反力的影响线由得。其中为简支梁反力。故竖向反力的影响线由与赘余力两条影响线迭加而成。(3)任意截面的内力影响线式中－简支梁弯矩；－作用于截面以左的竖向反力总和，称为梁式剪力，正值表示向上，负值表示向下，当单位荷载在截面以左时，，当在截面右面时，；－拱左支承竖向反力。

上边符号适用于左半拱，下边符号适用于右半拱。

根据上式可叠加求得拱圈任意截面的内力影响线。

任意截面的轴向力和剪力的影响线，因在截面处有突变，当集中荷载作用在截面的左右两边时，轴向力和剪力均有较大的差异，因此，在实际计算时，一般不直接利用影响线，而是先求该截面的水平力和拱脚的竖向反力，再按下式计算轴向力和剪力：

拱桥属空间结构。在《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》中规定，对肋拱桥以及拱上建筑为排架的双曲拱，应考虑活载的横向分布。对重型的板拱以及具有重型拱上建筑的拱桥，活载可近似按整体平均分布。通常，石拱桥常取1米拱宽作为计算单元，双曲拱桥则常取一个单元宽度来计算，肋拱桥以一条拱肋为计算单元，同时计入荷载横向分布系数。拱圈是偏心受压结构，考虑到拱桥的抗弯性能远差于抗压性能的特点，常以最大正(负)弯矩控制设计。一般可在弯矩影响线上按最不利情况布载，求得最大正（负）弯矩，然后求出与这种加载情况相应的H1和V的数值，以求得与最大正（负）弯矩相对应的轴向力N。为简化活载内力的计算手续，交通部第二公路规划勘察设计院编制了公路桥涵标准车辆的等代荷载表，可供参考。(4)活载内力计算(5)等截面悬链线拱其他内力计算温度变化、混凝土收缩及拱脚变位均会产生附加内力。有些时候，这些因素会对拱结构内力产生显著的不利影响，因此拱桥设计计算时应加以考虑。①温度变化及混凝土收缩拱桥的大气温差变化包括年温差和骤变温差两种，两者对超静定拱都会产生附加内力。（介绍前一种）年温差对主拱温度的变化，可认为主拱温度均匀地随气温的升降而升降，由其引起的内力计算，与弹性压缩计算的概念一样。

混凝土在硬化过程中的收缩变形，其作用与混凝土降温相似。通常混凝土收缩的影响可折算为温度的额外降低。公路《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》建议：

a.整体浇筑的混凝土结构的收缩影响，对于一般地区相当于降低温度20ºC，干燥地区为30ºC；整体浇筑的钢筋混凝土结构的收缩影响，相当于降低温度5~20ºC。

b.分段浇筑的混凝土或钢筋混凝土的收缩影响，相当于降低温度15~20ºC。

c.装配式钢筋混凝土结构的收缩影响，相当于降低温度5~10ºC。在计算拱圈的温度变化和混凝土的收缩影响时，可根据实际资料考虑混凝土徐变的影响，当缺乏实际资料时，计算内力可乘以下列系数：温度变化影响力：0.7；混凝土收缩影响力：0.45。组合截面，其各部分的收缩量是不相同的，除了按拱圈全截面均匀收缩来计算收缩内力外，还应进行收缩差的收缩内力计算。②拱脚变位引起的内力计算弹性中心的赘余力为：拱中任意截面的内力为：拱中任意截面的内力为：结构分析方法3.主拱验算(1)荷载内力组合

在拱桥设计中，应根据建桥地区的各种条件和结构特性、按可能发生的最不利情况进行荷载组合，分别求出各个最不利内力值及相应的其他内力值，然后进行验算。荷载组合可按下列规定进行：组合I：由恒载、材料收缩、汽车荷载（包括冲击力）和人群荷载相组合。组合II：在组合I的基础上再加上温度变化的影响。除上述2种组合外，尚需进行施工验算。在地震区，还应对地震力作用进行验算。(2)主拱强度验算

对于圬工拱桥（砖、石、混凝土及配筋不多的混凝土），根据《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》(JTJ022-85)规定：拱圈采用分项安全系数的极限状态法设计。其设计原则是：荷载效应不利组合的设计值应小于或等于结构抗力效应的设计值。对于钢筋混凝土拱桥，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》》(JTJ023-85)规定，钢筋混凝土拱圈应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算。承载能力极限状态计算以塑性理论为基础。其设计原则是：荷载效应不利组合的设计值应小于或等于结构抗力效应的设计值。(3)拱桥的稳定性验算

拱是以受压为主的结构，随着施工技术水平的提高，高强度材料的使用，拱桥正朝大跨径方向发展，结构变得更柔，稳定性问题更显突出。拱的稳定性问题主要包括在纵向（拱轴平面内）稳定和横向（拱轴平面外）稳定。4.主拱内力调整

在主拱计算中，常常会遇到最后算出的各控制截面，尤其是拱顶和拱脚两个控制截面的内力与所拟定的截面尺寸不相适应的情况，或者是同一截面的正负弯矩绝对值相差太大使截面