-拱桥上部结构-拱桥受力特点、组成与分类、各类常见拱桥的构造特点.ppt

第三章 拱桥上部结构-1,1,第三章 拱桥上部结构 Superstructure of Arch Bridge,3.1 概述 3.2 拱桥的分类 3.3 常见拱桥的构造特点 3.4 单跨悬链线无铰板拱的设计 3.5 拱桥受力特点与主拱设计计算要点 3.6 拱桥施工,第三章 拱桥上部结构-1,2,3.1 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-1,3,3.1.1 拱桥的起源,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-1,4,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-1,6,中国石拱因南北河道性质及陆上运输工具不同，构造不同。 北方大多为平桥（或平坡桥），实腹厚墩厚拱。 南方水网地区则为驼峰式薄墩薄拱。,第三章 拱桥上部结构-1,7,南方江浙一带水网地区，以舟行为主。 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。 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-1,8,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。 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-1,9,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-1,11,3.1.2 拱桥的基本特点,拱桥与梁桥的区别：外形不同、受力性能有差别。 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-1,12,能耐久，养护、维修费用少 外型美观 构造较简单 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-1,13,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 拱桥发展 石拱桥 钢拱桥 钢筋混凝土拱桥 钢管混凝土拱桥,3.1.3 拱桥的组成,石拱桥的主要组成与名称,第三章 拱桥上部结构-1,15,拱桥（Arch Bridge） 的组成,桥跨结构（上部结构） superstructure 主拱圈 main arch 拱上结构 spandral structure 下部结构 substructure 墩 pier 台 abutment 基础 foundation,第三章 拱桥上部结构-1,16,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-1,17,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-1,18,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-1,20,三铰拱与等跨简支梁内力比较,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-1,21,令 ，则内力为：,第三章 拱桥上部结构-1,22,三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-1,23,3.2 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-1,24,3.2.2 按行车道位置分类,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-1,26,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-1,27,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-1,28,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。 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。 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-1,29,3.2.2 按照结构体系分类,3.2.2.1 简单体系的拱桥 拱圈的静力图式,第三章 拱桥上部结构-1,30,三铰拱： 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。 两铰拱： 介于二者之间 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 。,3.2.2.2 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 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-1,32,（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-1,33,3.2.2.3 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-1,34,刚架系杆拱示意图,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-1,36,3.3 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-1,40,二、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-1,41,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-1,42,等截面圆弧拱的拱石编号,第三章 拱桥上部结构-1,43,变截面拱圈的拱石编号,第三章 拱桥上部结构-1,44,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-1,45,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-1,46,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-1,48,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-1,49,三、拱上建筑,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 跨径较小的石板拱，常采用实腹式拱上建筑。 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-1,50,空腹式拱上建筑 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。 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-1,51,桥墩（台）上腹拱的布置方式,第三章 拱桥上部结构-1,52,腹拱墩构造形式,第三章 拱桥上部结构-1,53,四、桥例,成昆线一线尺石板拱桥总体布置图,第三章 拱桥上部结构-1,54,3.3.2 钢筋混凝土肋拱与箱拱,一、肋拱的主拱肋 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 。 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-1,55,中小跨径： 矩形高=（1/401/60）L， 宽=0.52.0高 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 分离的拱肋间须设置横系梁 肋拱适合大中跨径拱桥。,第三章 拱桥上部结构-1,56,肋拱桥桥型图,第三章 拱桥上部结构-1,57,肋拱桥的拱肋截面形式,第三章 拱桥上部结构-1,58,二、箱拱的主拱圈,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。 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-1,59,拱高：H=L/100+（0.60.7）米， 箱宽：1.3m1.6m 壁厚：0.080.10m 底厚：0.10.14m 横隔板间距5m，厚0.060.08m （顶板边为0.060.08m） 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-1,60,箱形拱闭合箱的构造,箱拱预制施工构造示意图,三、钢筋混凝土肋拱、箱拱的拱上建筑 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-1,64,腹孔墩构造型式,四、桥例,铁路丰沙线永定河七号桥总体布置,第三章 拱桥上部结构-1,66,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-1,69,重庆万县长江大桥总体布置图,第三章 拱桥上部结构-1,70,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-1,71,3.3.3 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-1,72,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-1,73,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-1,74,二、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-1,76,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-1,77,相当于挖空的拱片拱 桁梁桥有拉杆，无法用钢筋砼（特别是上、下弦），用拱式则可以。 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-1,81,江界河桁架拱桥,第三章 拱桥上部结构-1,82,三、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-1,83,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-1,85,江西德兴铜矿太白桥,第三章 拱桥上部结构-1,86,3.3.4 拱梁组合钢桥,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。 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-1,87,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-1,88,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-1,90,九江长江大桥总体布置图,第三章 拱桥上部结构-1,91,3.3.5 钢管混凝土刚架系杆拱,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-1,93,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-1,94,钢管混凝土拱肋的截面形式,第三章 拱桥上部结构-1,95,第三章 拱桥上部结构-1,96,二、下承式刚架系杆拱 主要用在建筑高度受限制和地基条件较差的情况下。 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-1,98,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。 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， 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-1,99,施工