桥梁工程II教案1.doc

桥梁工程II教案1第一篇 混凝土拱桥第一章 概述第一节 拱桥的发展与现状1、 拱的特点：拱脚处有水平推力，与梁桥比使拱内弯矩分布大为改变(减小)。 展示示意图，说明2、 拱桥发展历史概述：国外罗马时代修建小于25米的圆弧拱桥，我国东汉时期开始建拱桥，世界最著名的605年李春修建的赵洲桥，技术比国外早1200多年。 1950年修建的延河大桥是堆泥模砌筑的石拱桥；60年代发明双曲拱桥；80年代以来，修建了许多世界上独一无二的桥梁，我国建桥技术是很先进的。 展示图3、 增大拱桥跨度的途径及现状：石拱桥，增加拱圈厚度和提高石料标号等；120米和146米是最大跨度。混凝土拱桥，加筋、减小自重应力和改进材料。目前现状：300米以上砼拱桥全世界5座，我国3座；200米以上全世界34座，我国6座。 钢管砼拱桥，最近10余年时间我国共建成钢管砼拱桥80余座，200米以上跨径的19座（包括在建），见表示；建造钢管砼劲性骨架拱桥11座。展示表格，说明4、 理论跨度：根据现在的建桥材料测算，砼拱桥极限跨度在500米左右，钢拱桥在1200米左右。 展示表格，说明5、 施工技术：拱架法、移动托架悬浇法、预制节段吊装悬拼法、转体施工法和劲性骨架法。我国主要发展了大跨拱桥施工的自架设能力强的劲性骨架法、转体施工法和缆索吊装悬拼法。（1） 劲性骨架法：自1990年建成240米宜宾金沙江大桥后，采用型钢骨架用钢量大，采用钢管混凝土劲性骨架是理想的劲性骨架材料，广西邕江大桥和万县长江大桥是成功典范。（2） 转体施工方法：我国是最早使用转体施工方法建桥的国家，1977年第一座转体施工成功以来，共建成了60余座；1989年采用无平衡重双箱对称同步转体施工建成了跨径200米的砼拱桥涪陵乌江大桥，2000年采用平竖综合转体施工方法建成了360米的钢管混凝土拱桥，转体重量达13685吨，采用了程控同步液压提升技术，较好解决了多扣索同步协调收放的技术难点。（3） 缆索吊装悬拼施工方法：我国自60年代开始采用此方法以来，该方法得到不断完善和发展，它由一个独立的索吊系统和一个独立的扣锚系统组成，通过调整扣索内力调整拱轴线形，该系统较好解决了大吨位、多节段的安装和控制问题。万县长江大桥劲性骨架的 36节段悬拼安装就是采用此法。6、 缺 点：地基要求高、建筑高度大、平原地区修建拱桥难度大、连拱作用需设制动墩等。7、 使用寿命问题：材料老化、动荷疲劳损伤、超载损伤、抗震等；截止99年底全国有危桥4451座，共长160.5公里；危桥、旧桥正在大量出现。第二节 拱桥的结构体系及总体布置一、 拱桥的基本组成：上部和下部，上部根据行车道位置不同分为上承式、中承式和下承式拱桥。展示挂图，说明1、 各部位名称2、 结合拱桥实例介绍基本组成 展示挂图二、 拱桥的分类和体系（一） 按结构体系分类1、 简单体系拱桥： 画示意图（1） 三铰拱：国外最大跨径107米；边腹拱采用三铰拱。（2） 两铰拱：属一次超静定结构，世界最大跨径是170米。（3）无铰拱：三次超静定结构，世界最大跨径420米。 2、 组合体系拱桥：（1）无推力体系；（2）有推力体系 展示挂图3、 拱片桥 展示挂图（二） 按主拱的截面形式分类 展示挂图1、 板拱桥：主要材料为石料和钢筋混凝土2、 肋拱桥：为节省材料、减轻自重、发挥材料强度3、 双曲拱桥：除主拱肋外，横向由若干小拱组成4、 箱形拱桥：跨度大于60米后拱肋截面挖空作成箱形，有箱肋拱和箱板拱三、 拱桥的总体布置 展示实例桥挂图（一） 确定桥梁长度及分孔：考虑桥台位置和通航要求，地形地质情况及基础形式确定分孔，分孔是非常重要的问题，必须考虑通航、上下部结构的经济比较等。（二） 确定桥梁的设计标高和矢跨比：分孔确定后，四个设计标高及矢跨比的确定是重要的。（三） 处理不等跨分孔问题1、 采用不同的矢跨比：矢跨比与推力大小成反比2、 采用不同的拱脚标高3、 调整拱上建筑的重力4、 采用不同类型的拱跨结构：小跨采用板拱，大跨采用肋拱或中承式拱（四） 纵断面、横断面及平面布置第二章 上承式拱桥第一节 上承式拱桥的设计与构造上承式拱桥分为两大类：普通型上承式和整体型上承式拱桥 展示实例挂图1、重庆涪陵乌江大桥； 2、贵州江界河大桥一、 主拱的构造与尺寸拟定（一） 普通型上承式拱桥1、 板拱(1) 板拱截面宽度、厚度及变化规律（a） 拱圈宽度的确定：由桥面宽度决定，见图1-2-3，规范规定不小于（b） 拱圈厚度的确定：根据跨径、矢高、荷载大小及材料等试算确定。l 等厚度小跨径石拱桥，拱圈厚度按下式估算：（cm）（=4.56.0的系数，k是荷载系数，汽车-20取1.2）l 变厚度小跨径石拱桥，拱顶厚度按下式估算：（=0.130.17的系数）l 大跨径石拱桥拱圈厚度参照已成桥的设计经验。l 钢筋混凝土板拱，初拟拱顶厚度（c） 拱圈截面变化规律l 拱圈截面变化规律应适应拱圈内力变化，充分发挥材料强度，同时便于施工；l 拱圈为偏心受压构件，截面上应力为：；拱内轴力，由拱顶向拱脚逐渐重大；为弯矩，拱内变化比较复杂，不仅与结构静力有关，还与截面刚度有关；如图1-2-5所示；l 无铰拱圈惯性矩变化规律常采用Ritter公式：，l 变截面拱在实际中应用并不多，广泛采用等截面拱，有时中承式拱中采用简单变截面；(2) 石板拱的构造-料石、块石、片石、乱石板拱（a）材料规格要求：石质均匀、不易风化、无裂纹，形状为长方形或楔形，不小于30号强度，砌筑的砂浆标号不低于7.5号。（b）错缝：对料石拱，拱石受压面与拱轴线垂直，可不错缝，横向必须错缝10厘米以上；对块石拱，择较大平面与拱轴线垂直，大头在上，错缝大于8厘米；（c）限制砌缝宽度：因砂浆强度小于拱石强度，通常规定缝宽料石拱小于2厘米，块石拱小于3厘米，片石拱小于4厘米；（d）设置五角石：在拱圈与腹拱墩及墩台连接处，设置特殊的五角石改善受力状况，目前也常采用现浇混凝土拱座。（e）拱石编号：为便于拱石加工和确保施工砌筑要求，需对每块拱石进行编号。对等截面悬链线拱可采用多心圆代替悬链线放样。(3) 混凝土板拱的构造（a） 素混凝土板拱:整体现浇和预制块砌筑l 现浇素混凝土板拱：收缩应力大l 预制块件砌筑板拱：简单预制块板拱；分肋合拢，横向填镶砌筑板拱；卡砌空心板拱； （b） 钢筋混凝土板拱2、 板肋拱：拱圈截面由板和肋组成的拱桥（1） 石砌板肋拱（2） 混凝土板肋拱3、 肋拱：用两条或多条分离的平行窄拱圈的拱桥，有混凝土肋拱、钢管肋拱和石肋拱等4、 箱形板拱（箱板拱）：主拱圈截面由多室箱构成的拱（1） 箱板拱的主要特点：截面挖空率大；抵抗正负弯矩能力大致相同；抗弯抗扭刚度大，整体稳定性好，可单肋成拱；制作要求高，吊装设备多。（2） 箱板拱截面组合方式：多条U形截面肋，整体性差，单肋合拢稳定性不易满足；多条工形截面肋，横向联接刚度差，焊接条件差；多条闭合箱形肋；单箱多室截面，用于不能采用预制吊装的特大桥，如万县长江大桥，KRK桥等。（3） 拱圈截面尺寸拟定： 拱圈高度：主要取决于跨径，试算确定，初拟经验公式： 拱圈宽度：一般为桥宽的倍，不小于跨径的1/20 箱肋宽度：取决于吊装重量，目前国内最大吊装重量达85吨，箱宽一般为 顶底板及腹板尺寸：顶底板，外腹板，内腹板，上安装缝20厘米，下安装缝4厘米。200米以上特大桥有例外。（4） 横隔板和横向联接： 除了在段端部、吊扣点及拱上立柱处必设外，其余每隔设置一道，横隔板厚，中部常常挖空，便于施工行走。 肋间横向联接与拱肋形式有关，在横隔板处采用钢筋及钢板焊接等方法联接。（5） 箱肋接头（6） 钢筋布置：按照混凝土拱设计，但仍需配置钢筋及吊装过程受力钢筋；5、 箱形肋拱（箱肋拱）（1） 特点：比箱板拱更节省混凝土数量，减轻自重，降低造价，施工方便；（2） 箱肋拱肋数及肋宽取决于桥宽、跨径、荷载等级、拱上结构、施工条件、材料性能等；（3） 肋间横系梁：要求具有一定刚度，使拱肋形成牢固的整体。其截面形式有工形、箱形及桁片等。在横系梁处箱内设横隔板，对于箱形系梁，应设双横隔板，并在相应位置伸出预留钢筋。对于桁片系梁则只需在上下玄杆位置有钢筋联接。6、 双曲拱是1965年前后我国江苏省创造的桥型，由于主拱圈在纵横向均呈拱形而得名。拱圈由四部分组成：拱肋、拱波、拱板和横向联系。实践证明，该桥型存在问题，受力部位严重开裂，存在安全隐患，目前已很少采用。（二） 整体型上承式拱桥1、 桁架拱桥(1) 普通桁架拱：由桁架拱片、横向联系和桥面组成。 一般特点：桁架拱片是主要承重结构，由上下玄杆、腹杆和实腹段组成整体，共同受力，各杆件主要承受轴力；桁架拱片在荷载作用下具有水平推力，跨中实腹段以受压为主；桁架拱片外部为两铰结构，温变及变位的结构附加内力较小；缺点：杆件纤细、模板复杂、浇筑及吊运要求高，节点处常常有开裂。 桁杆布置的三种形式：斜杆式、竖杆式和桁肋式 桁架拱结构主要尺寸l 实腹段长度为计算跨径的0.30.5之间；l 节间长度不宜大于计算跨径的1/10左右；l 斜杆与上玄杆夹角应在3050度之间；l 实腹段跨中截面高度大约为跨径的1/40左右；l 下玄杆常采用等截面形式，高度为跨径的1/80左右；l 桁架拱片数和间距与桥宽、跨径及桥面板等多种因素有关； 节点构造l 各杆要相交与节点上，避免产生附加弯矩；l 相邻杆件外缘交角以圆弧或直线过渡，不得出现小于90度角；l 腹杆主筋伸过上下玄杆轴线一定深度，拉杆不小于30d带钩；l 设置节点块包络钢筋，节点块范围内箍筋加密；l 预制装配时，现浇节点块部分将预制端面包入一定深度（5厘米）； 桁架拱片与墩台的连接形式l 悬臂式(图1-2-47a) b)l 过梁式(图1-2-47c) d) 1-2-48b)l 伸入式(图1-2-47e) f) 1-2-48a) 桁架拱片的横向联系l 横系梁l 横拉杆l 横隔板l 剪刀撑(2) 桁式组合拱：与普通桁架拱的主要区别在于上玄杆的断点，普通桁架拱没有断点，桁式组合拱在 l/4附近设一道断缝，使断点至 墩台顶部形成一个与墩台固结的悬臂桁架，跨间两断点之间为一普通桁架拱，全桥下玄杆保持连续。拱顶弯矩比同跨度的桁架拱减少1/3以上，上玄杆断开，拉力减小很多。 桁式组合拱常用于100米以上的特大型预应力砼拱桥，1995年建成的 贵州江界河大桥，跨径达330米，居世界首位。2、 刚架拱桥（1） 特点：是在桁架拱桥及斜腿刚架桥基础上发展起来的一种新桥型，属于有推力的高次超静定结构。具有构件少、质量轻、整体性好、刚度大、施工简便、造价低、造型美观等优点，广泛用于2570米跨径的桥梁建造中。（2） 刚架拱的组成：刚架拱片由跨中实腹段主梁、空腹段次梁、主拱腿和次拱腿等组成，与桥面一起形成刚架拱的主拱。（3） 总体布置形式l 跨径小于30米时，只设主拱腿（主斜撑）；l 跨径3050米时，为减小次梁和斜撑内力，设置次拱腿；l 跨径大于50米后，可设多根次拱腿支撑于墩台或主拱腿上；l 主节点和次节点均按固结设计，主拱腿和次拱腿的支座根据构造和计算图示采用固结和铰接；l 刚架拱片上下缘线形：上缘线与桥面纵向平行；下缘线可采用抛物线、圆弧线和悬链线，使拱内弯矩最小为原则。l 刚架拱桥施工：现浇或预制安装现浇接头连接，横向联系根据情况设置若干道，在刚架拱片跨中、主次梁端部必须设置。桥面板可采用微弯板、现浇砼填平层及预制空心板。二、 拱铰1、 弧形铰：采用两个半径不同的圆弧面实现，两半径之比在1.21.5之间，铰宽度等于构件宽度。2、 铅垫铰：厚度1.5cm2cm，外包锌铜片1cmm2cm厚，利用铅的塑性实现铰的功能，为使压力正对中心，在铅垫板中心穿过一粗钢筋。3、 平铰：采用油毛毡、砂浆或干砌形成平铰。4、 不完全铰：拱截面突然减小1/32/5，配置斜钢筋防开裂来形成铰，局部承压及陪筋都需要设计和计算。5、 钢铰：常做成理想铰，常用于钢拱架拱脚的临时铰。三、 拱上建筑的构造拱上建筑是指桥面与主拱之间的构件或填充物，整体型上承式拱桥已将主拱和拱上建筑形成整体，本节主要介绍普通型上承式拱桥的拱上建筑。（一） 实腹式拱上建筑：由填料、侧墙、护拱、变形缝、防水层、卸水管及桥面系等组成。拱上填料有填充式和砌筑式两种。1、 拱上填料要求：透水性强、压缩性小、容重轻的材料；2、 侧墙要求：受力按挡土墙计算和设计，可采用石砌或混凝土浇筑；3、 护拱作用：加强拱脚段的拱圈，帮助受力，便于设置防水层及卸水管；（二） 空腹式拱上建筑：由多孔腹孔结构及桥面系组成，有拱式腹孔和梁式腹孔两类。1、 拱式拱上建筑：外形美观，质量较大，一般用于圬工拱桥。拱上腹拱布置遵循以下原则：（1） 拱顶两侧对称布设，对中小跨径拱桥布置36孔；（2） 全空腹拱式布置为奇数跨为宜；（3） 腹孔跨径主要考虑主拱受力需要，中小跨径拱桥一般为2.55.5米，大跨径拱桥为主跨径的1/81/15之间，腹拱结构要求统一。腹拱采用圆弧拱，f/L=1/21/5，厚度大于30厘米；（4） 腹孔墩：由底梁、墩身及墩帽组成。分横墙式和排架式两种；（5） 腹孔与墩台连接：有两种形式2、 梁式拱上建筑：梁式腹孔轻巧美观，可减轻拱上重力和地基承载力，大跨径砼桥一般都采用梁式拱上建筑。（1） 简支腹孔（纵铺桥面板）：由立柱盖梁和桥道板组成，分实腹段拱上建筑和全空腹式拱上建筑；拱与拱上建筑联合作用很小；跨径根据大小不同可采用实心板、空心板及T梁等；例如，万县长江大桥。（2） 连续腹孔（横铺桥道板）：由立柱、纵梁、实腹段垫墙及桥道板组成。(3)框架腹孔：横桥向可采用多片，通过横系梁形成整体。（三） 拱上立柱与主拱圈和盖梁的连接1、 拱上立柱是拱上建筑的重要部分，传递桥面恒载和活载；2、 连接必须牢固可靠，钢筋必须伸入足够长度；3、 拱上立柱可以预制安装，也可现浇形成；（四） 拱顶填料、桥面铺装及人行道1、 拱上填料（包括实腹拱和空腹拱）：作用是扩散车轮荷载，减小对拱圈的冲击；如果填料较厚（大于45厘米），可不计冲击影响；2、 桥面铺装：目前一般采用防水砼、钢纤维砼、沥青砼、钢筋钢纤维砼等，同时在桥面形成一定的横坡，以利排水，保护桥梁；3、 人行道：和梁桥一样，根据需要设置一定宽度的人行道，人行道可以部分悬出桥面或不悬出；（五） 伸缩缝与变形缝1、 联合作用：拱式拱上建筑联合作用强，梁式拱上建筑联合作用弱；2、 伸缩缝：为减弱强烈联合作用，在墩台处设置伸缩缝，缝宽23厘米，用压缩性强的材料填塞；对于梁式腹孔通常在桥台及墩上立柱处设置标准伸缩缝；3、 变形缝：减弱强烈联合作用，设置变形缝，不留缝宽，可用油毛毡或低标号砂浆砌筑；（六） 防水与排水1、 防水层的设置：为了保护主拱圈受水侵蚀而设置，全桥范围不应断开，遇伸缩缝时适当处理；2、 排水系统：有桥面排水和防水层积水排水的情况；3、 泄水管：可采用铸铁、砼、塑料及陶瓷等材料制作；长短根据排水系统需要设置。四、 墩台形式与构造拱桥墩台的作用是承受拱跨结构传来的荷载，通过基础传给地基；拱桥墩台必须具有足够的强度和稳定性；（一） 桥墩1、 重力式桥墩：有普通墩和制动墩两种；（1） 普通墩：除承受竖向荷载外，一般不承受恒载水平推力，如果相邻跨径不同时，可承受少量的不平衡推力；（2） 制动墩：当一侧桥孔遭到毁坏时，能承受单向的水平推力，保证另一侧桥孔安全；（3） 重力式桥墩由墩帽、墩身和基础三部分组成；l 墩帽：常用砼或钢筋砼建造，尤其是肋拱桥；l 墩身：除承受拱上横活载外，还承受水流及船只撞击作用，顺桥向顶宽按估算，并不小于80厘米，竖向坡按20：130：1考虑；相邻拱跨不等的等称为交接墩，交接墩常作成不对称形式，以改善受力；l 基础：根据地质情况可采用扩大基础、桩基础、沉井基础等；2、 轻型桥墩：一般为桩柱式桥墩（1） 桩柱式桥墩的构造（2） 单向推力墩的形式：带斜杆的单向推力墩和悬臂式单向推力墩；（二） 桥台1、 重力式U型桥台2、 轻型桥台轻型桥台适用于小跨径拱桥，靠台后填土的抗力来平衡拱推力。3、 其它形式桥台（1） 组合式桥台：由台身和后座组成。（2） 空腹式桥台：由前墙、后墙、基础板及撑墙组成。（3） 齿槛式桥台：五、 弯坡斜拱桥构造特点（一） 弯拱桥：桥中线在平面上为曲线的拱桥。1、 弯拱桥的平面布置：有三种布置方式（1） 全桥处于弯道上，墩台两侧边线与桥轴线正交；（2） 全桥处于弯道上，墩台两侧边线平行；（3） 平曲线伸进桥台内2、 弯拱桥的上部构造：参见拱桥（上）手册80页。（二） 坡拱桥1、 拱桥正置：拱上填料倾斜，桥墩两侧拱脚标高不同，主拱两侧恒载有差异；参见拱桥（上）手册表1-172、 正拱斜置：拱上恒载对称，但计算时需将恒载和活载分为竖向荷载和横向荷载分别计算其内力；参见拱桥（上）手册表1-19；通常桥面纵坡不宜大于3%。（三） 斜拱桥1、 几个名词：（1） 斜交角度：路中线与水流方向所夹锐角；（2） 斜桥净跨径和计算跨径：（3） 斜度：路中线与净跨径夹角；（4） 落空拱力：2、 整体式斜石拱桥常采用横向分条砌筑法：与正拱砌筑方法一致；3、 分条正置式斜石拱桥采用若干条平行，但又相互错开正置式拱条组成斜石拱桥，条宽100厘米140厘米，分条后对拱石要求较高。4、 斜板拱桥由于受有斜扭力作用，常造成板拱从锐角方向爬出 ，因此需设置防爬装置，该装置可采用钢筋混凝土键，键数量和配筋由计算确定。对弯、坡、斜桥的计算应当采用三维空间有限元进行计算第二节 上承式拱桥的施工选择一种合理施工方法首先是设计所需要的，同时也是保证桥梁质量和安全顺利建成的先决条件，也是缩短工期，降低造价关键。本节对目前常用的上承式拱桥施工方法作简要介绍。一、 有支架施工（一） （中小跨径）砖石拱圈及拱上结构砌筑1、 拱圈按顺序砌筑：对于满布式拱架，可从脚至拱顶依次对称砌筑于拱顶合拢；对于拱式拱架，在砌筑拱脚的同时预压拱顶和1/4部位。2、 拱圈三分法砌筑（1） 分段砌筑：先同时砌筑I、II，然后砌筑III，最后砌筑拱顶合拢。（2） 分环砌筑：对于大跨厚拱圈可采用2环或3环砌筑，砌筑一环合拢一环，砌筑完一环养护数日后再砌筑上一环，下环和拱架共同负担上环重力。上下环间应齿牙相接，以免产生剪切裂缝。（3） 分阶段砌筑：是为了争取时间，使拱架受力均匀而采取的同环分段及分层分阶段交叉砌筑的方法。3、 预加压力砌筑：为了有效防止砌筑过程中产生不正常变形和开裂，预压材料常为砌筑材料，也可为砂袋。4、 分段支撑砌筑：当矢跨比大时，拱圈砌石会滑动，此时需要采取分段支撑砌筑方法，如三角撑；5、 拱圈合拢：（1） 可在拱顶及1/4处同时合拢，可使拱架受力对称、均匀；（2） 合拢温度应选择在年平均温度附近；6、 拱上砌体砌筑：应在主拱圈完成达到一定强度后砌筑，常常是在砌筑拱上侧墙或横墙后才卸落拱架。（二） 钢筋混凝土拱圈就地浇筑1、 浇筑程序（1） 浇筑拱圈及拱上立柱垫墙；（2） 拱上立柱、联结系及横墙等；（3） 桥面系等；2、 拱部浇筑（1） 连续浇筑：15米跨径以内砼拱桥，从拱脚至拱顶对称连续浇筑；（2） 分段浇筑：适用于大于15米的拱圈，为了减少砼收缩应力和避免拱架变形产生裂缝，采取分段浇