「拱桥的概述(最新)-3+拱桥的总体布置（高级课件）」.ppt

混凝土拱桥第一章概述 主讲人 焦驰宇 提纲 1 2 3 4 拱桥的现状和发展 拱桥的基本概念 拱桥的受力特点 拱桥的结构体系 5 拱桥的总体布置 6 工程实例 1 拱桥的发展 拱桥的现状与发展 1 加尔德水道桥分三层 下层是公路桥24m 高12m 中间是人行桥 上层是渡槽 建于公元前63 13年 距两千多年 该桥即技术与艺术结合的典范 拱桥的现状与发展 1 拱轴曲线造型的千变万化 其中最具有代表意义的是建于公元595 605年的赵州桥 如图1所示 跨径L 37m 拱桥的现状与发展 1 1779年 英国建成世界上第一座铸铁拱桥CoalbrookdaleIronBridge 跨度30 7m 矢高13 7m 由5片半圆形拱肋组成 拱桥的现状与发展 1 当代拱桥 结构型式与施工方法的丰富多彩如 97年建成的重庆万县长江大桥 L 420m 广州丫髻沙特大桥 L 360m 1997建成的重庆万县长江大桥 广州丫髻沙特大桥 拱桥的现状与发展 1 1932澳大利亚503m悉尼钢拱桥 1932建成的澳大利亚悉尼钢拱桥 图4 L 503m 及2003年建成的卢浦大桥 L 550m 2003上海卢浦大桥 L 550m 拱桥的现状与发展 1 提纲 1 2 3 4 拱桥的现状和发展 拱桥的基本概念 拱桥的受力特点 拱桥的结构体系 5 拱桥的总体布置 6 工程实例 实腹式拱桥的基本组成及专业术语 拱桥的基本概念 2 拱桥的基本概念 2 空腹式式拱桥 2 拱桥的基本概念 提纲 1 2 3 4 拱桥的现状和发展 拱桥的基本概念 拱桥的受力特点 拱桥的结构体系 5 拱桥的总体布置 6 工程实例 承重结构 主拱 支承处不仅产生竖向反力 还产生水平推力 从而使拱主要受压 3 拱桥的受力特点 思考题1 拱为什么在竖向荷载作用下会产生水平反力 18 思考题2 水平反力的产生会使拱的受力产生什么改变 19 三铰拱内力计算简图 拱桥的受力特点 3 拱桥与梁桥本质上的不同 在竖直荷载作用下 支座会产生水平反力 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 Quebec桥是世界上跨度最大的钢悬臂梁桥 主跨为1800英尺 福州洪山桥为预应力桁式T构桥 拱桥的受力特点 3 某40米跨空腹拱桥内力表 拱圈厚0 9m 拱顶和拱脚偏心距分别为 0 128m 0 146m 拱脚的Q抗 2179 0 7 1525kN 拱桥的受力特点 3 拱桥与梁桥的区别 几何上 跨径 矢高 矢跨比 主拱与桥道系 拱上建筑 组成力学上 反力 在竖直荷载作用下 三铰拱的竖向反力与简支梁相同 三铰拱会产生水平反力 内力 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 建桥材料 拱以受压为主 可以充分利用抗拉性能较差而抗压性能较好的圬工材料 石料 混凝土 砖等 来建造拱桥 这种由圬工材料建造的拱桥 称为圬工拱桥 拱桥的受力特点 3 提纲 1 2 3 4 拱桥的现状和发展 拱桥的基本概念 拱桥的受力特点 拱桥的结构体系 5 拱桥的总体布置 6 工程实例 拱桥 拱桥的结构体系 4 简单体系拱桥 组合体系拱桥 刚架系杆拱桥 拱桥按受力图式的分类 简单体系拱桥 三铰拱 静定结构 在地基差的地区可采用 但构造复杂 施工困难 整体刚度小 一般不采用 无铰拱 三次超静定结构 拱的内力分布较均匀 材料用量较三铰拱省 构造简单 施工方便 整体刚度大 实际中使用广泛 但超静定次数高 会产生附加内力 一般希望修建在地基良好处 跨径增大 附加力影响变小 故钢筋混凝土无铰拱仍是大跨径桥梁的主要型式之一 两铰拱 一次超静定结构 介于三铰拱和无铰拱之间 一 按照结构体系分类 拱桥的结构体系 4 拱桥的结构体系 4 拱桥的结构体系 4 组合体系拱桥 在拱式桥跨中 行车系与拱组合 共同受力 同样 组合拱可以做成上承式 中承式和下承式 常用的有以下几种形式 无推力拱 使用较广泛 拱的推力由系杆承受 墩台不受水平推力 拱桥的结构体系 4 拱桥的结构体系 4 有推力拱 此种组合体系拱没有系杆 有单独的梁和拱共同受力 拱的水平推力任由墩台承受 拱桥的结构体系 4 拱片桥 拱桥的结构体系 4 1 板拱桥 主拱圈采用矩形实体截面 构造简单 施工方便 使用广泛 自重较大 不经济 通常在地基较好的中小跨径圬工拱桥中采用 2 肋拱桥 肋拱桥由两条或两条以上分离式拱肋组成承重结构的拱桥 拱肋之间靠横向联系梁连接成整体而共同受力 这种桥横截面面积较小 节省材料 自重轻 跨越能力大 多用于较大跨径的拱桥 可以用圬工 钢筋混凝土 钢材建造 二 按照主拱的截面型式分类 拱桥的结构体系 4 3 双曲拱桥 主拱圈横截面由一个或数个小拱组成 其主拱圈在纵向和横向均呈曲线形 通常有拱肋 拱波 拱板和横向联系等几部分 公路双曲拱桥采用最多的是多肋波的截面形式 对于跨径和荷载较小的单车道桥可采用单波的形式 双曲拱桥施工工序多 组合截面的整体性差 易开裂 因此 只宜在中小跨径桥梁中采用 拱桥的结构体系 4 双曲拱桥主拱圈的主要型式 化整为零 集零为整 整体性差 已不用 拱桥的结构体系 4 4 箱形拱桥 箱形拱桥拱圈横截面由几个箱室组成 截面挖空率大 可达全截面的50 70 较实体板拱桥可减少圬工用料与自重 适用于大跨度拱桥 截面抗扭刚度大 横向整体性和稳定性好 特别适用于无支架施工 箱形拱闭合箱的构造 拱桥的结构体系 4 5 钢管混凝土拱桥 钢管混凝土属于钢 混凝土组合结构中的一种 它借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性 同时又利用钢管对核心混凝土的套箍作用 使核心混凝土处于三向受压状态 从而使其具有更高的抗压强度和抗变形能力 拱桥的结构体系 4 6 劲性骨架混凝土拱桥 劲性骨架拱桥与普通钢筋混凝土拱桥的区别在于前者以钢骨拱桁架作为受力筋 它可以是型钢 钢管 采用钢管作劲性骨架的混凝土拱又可称为内填外包型钢管混凝土拱 拱桥的结构体系 4 6 劲性骨架混凝土拱桥 优缺点 在大跨度拱桥中 解决了大跨度拱桥施工的 自架设问题 即首先假设自重设 刚度 强度较大的钢管骨架 然后在空钢管内压注混凝土 使骨架进一步硬化 再在钢管骨架上外挂模板浇筑外包混凝土 形成钢筋混凝土结构 在这种结构中 钢管和随后形成的钢管混凝土主要是作为施工的劲性骨架来考虑的 成桥后 它也可与参与受力 拱桥的结构体系 4 重庆万县长江大桥 拱桥的结构体系 4 万县长江大桥主拱圈 拱桥的结构体系 4 拱桥的结构体系 4 拱桥按材料分为 圬工 石拱桥 金属 钢拱桥 混凝土 RC和PC 拱桥 钢管混凝土拱桥 圬工拱桥 a 承载潜力大 b 能就地取材 c 能耐久 养护 维修费用少 d 外型美观 e 构造较简单 但 a 自重大 水平推力大 对地基要求高 b 有支架施工时 施工耗时 c 连拱拱桥设置构造复杂的单向推力墩 增加了造价 d 上承式拱桥对标高要求高 城市少用 拱桥的结构体系 4 三 按照主拱的材料分类 45 钢拱桥 主要采用桁式或箱形拱肋 钢材强度高 自重轻 施工方便 跨越能力更强 但拱以受压为主 稳定问题突出 高强材料得不到充分发挥 需耗料在刚度上 现在国外较少修建 对于铁路桥来说 要求刚度大 当需要较大跨度时 拱梁组合结构比索结构有优势 对于公路与市政桥梁来说 常因美观等修建 但经济竞争力比较弱 拱桥的结构体系 4 钢筋混凝土拱桥 以混凝土为主要材料来承压 配以少量的钢筋以承拉 是近现代最主要的拱桥结构 应用范围也最广 比起钢拱桥自重大 施工难度较大 尤其大跨径 100 200m跨径 预应力连续梁 连续刚度竞争力较 跨径更大时 混凝土斜拉桥 CFST拱桥竞争能力很强 降低结构自重 改进施工方法 是钢筋混凝土拱桥发展的主要方向 拱桥的结构体系 4 钢管混凝土 concretefilledsteeltube 简称CFST 拱桥 采用组合材料 提高了材料的强度与刚度 方便了施工 1990年以来CFST拱桥在我国的发展很快 已建成的桥梁有300多座 发展出一些新的桥型 如刚架系杆拱 拱桥的结构体系 4 按拱上建筑可分为 实腹拱与空腹拱 拱桥的结构体系 4 按照拱轴几何特征分类 矢跨比小于1 5的称为坦拱 flatarch 矢跨比大于或等于1 5的称为陡拱 steeparch 圆弧线 circle 二次抛物线 parabolic 悬链线 catenary 拱桥的结构体系 4 按车承位置分上承式 中承式 下承式 上承式拱桥较为简单 上部结构由主拱圈及拱上建筑 实腹式或空腹式 所组成 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 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 拱桥的结构体系 4 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 有时为三片 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 一般为无推力拱 主要应用于桥头标高受限制或基础较差的拱桥之中 无推力的下承式拱宜采用自重较轻的主拱和桥道系 以减小系杆的受力 拱桥的结构体系 4 52 中承式拱桥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 可以为单跨或多跨的无推力拱 也可以做成带悬臂半跨的无推力拱 又称自平衡拱 一般是在桥梁建筑高度受到限制时考虑 拱圈只能使用肋拱形式 采用有推力还是无推力主要视地基基础条件而定 拱桥的结构体系 4 53 主要优点跨越能力大 能充分做到就地取材 耐久性好 养护 维修费用小 外形美观 构造较简单 有利于广泛采用 主要缺点 1 是有推力的结构 而且自重较大 因而水平推力也较大 增加了下部结构的工程量 对地基要求也高 2 由于水平推力较大 在连续多孔的大 中桥中 为防止一孔破坏而影响全桥的安全 需要采取较复杂的措施 或设置单向推力墩 增加了造价 3 上承式拱桥的建筑高度较高 拱桥的缺点正在逐步得到改善和克服 200 600m范围内 拱桥仍然是悬索桥和斜拉桥的竞争对手 拱桥的结构体系 4 提纲 1 2 3 4 拱桥的现状和发展 拱桥的基本概念 拱桥的受力特点 拱桥的结构体系 5 拱桥的总体布置 6 工程实例 拱桥的总体布置 1 0引言 拱桥的设计流程 总体布置 确定桥梁长度及分孔 确定桥梁的设计高程和矢跨比 正确处理不等分孔问题 桥面高程 拱顶底面高程 起拱线高程 基础底面高程 混凝土拱桥矢跨比1 4 1 8箱型拱桥矢跨比1 6 1 10 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力采用不同的拱跨结构 拱桥的总体布置 1 拱桥的总体布置 1 1 确定桥梁长度及分孔的原则 1 根据水文 水力计算和技术经济比较 初拟桥台之间的总长度 结合平 纵 横三方向综合考虑桥梁与路线的衔接 确定桥梁全长 2 根据桥址处的地形 地质 结合结构体系及形式 确定分孔 单孔 多孔 3 根据通航净空和防洪条件 确定孔数和跨径 A通航孔一般设置在常水位河床最深处或航行最方便的地方 同时满足航道等级要求 B可能变迁的河流 必须设置几个通航桥跨 一旦主流变迁 也能满足通航要求 C不通航孔段 尽可能按经济原则分孔 使上下部造价最低 D深水区或不良地质地段 如软土 溶洞 岩石破碎 水下基础结构复杂 施工困难 高山峡谷 水流湍急的河流 宽阔的水库 尽可能采用大跨径跨越 拱桥的总体布置 1 2 桥梁的设计高程 桥面高程 1 山区河流上的拱桥 桥面高程有两岸线路的纵断面控制2 平原区河流上的拱桥 桥面高程由桥下净空控制 桥下应有足够的泄洪流量净空 无铰拱桥 拱较可置于设计水位以下 同时淹没深度不得超过矢高的2 3 拱顶底面高程 桥面高程 拱顶处桥梁建筑高度 拱桥的总体布置 1 2 桥梁的设计高程 起拱线高程 为了减小墩台底面弯矩和墩台工程数量 宜选择低拱脚方案 为防止病害 有铰或无铰拱桥应高出最高流冰面0 25m 有铰拱桥 拱脚高出设计洪水位0 25m 为了美观避免就地起拱 墩台露出地面一定高度 基础底面高程 根据冲刷深度 地基承载力等因素确定 拱桥的总体布置 1 3 正确处理不等跨分孔的问题 某跨水库桥梁 全长376m 谷底至桥面高达80余米 经地形 地质 经济比选确定采用不等跨分孔为宜 跨深谷处采用116m 其余孔采用72m 如何解决不平衡水平推力 1 采用不同矢跨比 采用矢跨比与推力大小成反比的关系 在相邻两孔中 大跨径采用较陡的拱 矢跨比大 小跨径采用较坦的拱 矢跨比较小 使两相邻孔在恒载作用下的不平衡推力尽量减小 拱桥的总体布置 5 2 采用不同拱脚标高 拱桥的总体布置 5 3 调整拱跨结构重量 拱桥的总体布置 5 4 采用不同拱跨结构 拱桥的总体布置 5 4 采用不同拱跨结构 拱桥的总体布置 5 多跨拱桥的 不等跨 问题 可以采用的措施有 大跨用较大的矢跨比 小跨用较小的矢跨比 大跨采用较低的拱脚标高 小跨采用较高的拱脚标高 大跨采用较轻的拱上填料 小跨采用较重的拱上填料 大跨采用肋拱减轻恒载 小跨采用板拱加大恒载 拱桥的总体布置 5 提纲 1 2 3 4 拱桥的现状和发展 拱桥的基本概念 拱桥的受力特点 拱桥的结构体系 5 拱桥的总体布置 6 工程实例 我国公路桥中70 为拱桥 我国多山 石料资源丰富 拱桥取材以石料为主 1 圬工拱桥 石拱桥以及拱圈不配钢筋的混凝土拱桥 跨越能力较小 工程实例 6 2 双曲拱桥 中国首创的一种拱桥型式 工程实例 6 3 肋拱桥 1988广东广州流溪桥 L 90m 钢筋混凝土箱肋中承式拱 拱矢度1 4 5 全桥采用喷塑装修工艺 建筑宏伟壮丽 已成为公园的重要景观 1983台湾台北关渡桥 L 165m 中承式5孔连续系杆拱桥 中间孔跨度为165m 两侧孔跨度为143m及44m 拱圈为抛物线 1990江苏丹阳云阳桥 L 70m 跨越京杭大运河 无粘结预应力系杆拱 3根拱肋 矢度1 5 拱轴系数m 1 0 单箱高1 5m 行车道刚性纵梁和无粘结预应力柔性系杆分开 预制安装法施工 1992广东开平三埠桥 L 60m 单拱肋预应力混凝土系杆拱 单拱肋置于车行道中央分隔带上 1994台湾台北碧潭桥 L 160m 桥面由预制预应力混凝土单箱组成 并配以Y型悬臂拱圈 形成主跨为160m及2x100m无推力拱桥 引桥跨度分别为85m及57m 全桥以简洁明快的弧形曲线构成 与远山近水相协调 1990四川宜宾小南门桥 240m 主桥系中承式钢筋混凝土肋拱桥 矢度1 5 是当时国内跨径最大的钢筋混凝土拱桥 该桥采用劲性钢骨架施工法 缆索吊装 工程实例 6 4 箱拱桥 1979四川省宜宾市金沙江大桥 L 150m 中国采用缆索吊装施工 跨径最大的钢筋混凝土箱形拱 主拱圈箱高2 0m 箱宽7 60m 矢跨比1 7 全拱圈横向分5个箱室 纵向分5段预制 缆索吊装就位后再组合成整体箱 1989四川涪陵乌江大桥 L 200m 桥高84m 矢跨比1 4 主拱圈采用3室箱 涪陵乌江大桥采用转体法施工 先在两岸上 下游组成3m宽的边箱 待转体合拢后吊装中箱顶 底板 最后组成3室箱 1997重庆万县长江大桥L 420m 劲性骨架钢筋混凝土箱形拱桥 5 刚架拱桥 1989江苏无锡100米下甸桥变截面 四分点附近截面高度最大 分别向拱脚 跨中减小 取消斜撑 拱上建筑采用23m预应力混凝土简支梁以过渡 1993江西德兴130米太白桥采用转体施工 工程实例 6 6 桁架拱桥 1976浙江宁海75米越溪桥主孔为净跨75m的预应力混凝土桁架拱 拱矢度1 9 边孔为净孔40m的双曲拱 1971浙江余杭50米里仁桥钢筋混凝土斜拉杆式桁架拱桥 拱圈矢跨比为1 8 全桥布置4片拱片 在上弦杆覆盖微弯板混凝土桥面 预制拱片卧置叠浇 分段用浮吊起吊 翻身和吊装 在三分点处设临时支托 浇筑湿接头混凝土 工程实例 6 7 桁式组合拱桥中国首创的一种桥型 它除保持桁式拱结构用料省 竖向刚度大等特点外 更具有桁梁的特性和可以采用悬臂法施工 施工阶段和运营阶段的受力趋于一致等优点 1990四川自贡160米牛佛沱桥桁式组合拱为三室箱形截面 桁架片按节段分件预制 采用人字扒杆悬拼安装 8 钢管混凝土拱桥 1998浙江义乌80米宾王桥单肋钢管混凝土系杆拱桥 中跨矢跨比1 5 矢高15 6m 边跨矢跨比1 4 5 矢高11 87m 1990四川旺苍115米东河桥下承式钢管混凝土预应力系杆拱桥 矢度1 6 两片拱肋间用直径800mm横撑连接以保持其稳定性 活载作用下拱脚的水平推力由系杆及桥墩共同承担 钢管拱肋实际上是一种复合材料 在破坏荷载作用下 钢管不仅起纵筋的作用 而且对混凝土起螺旋箍筋的作用 以提高构件的承载能力 在施工阶段 钢管起着劲性骨架的作用 360m广州丫髻沙特大桥三跨连续自锚式中承式钢管混凝土拱桥 以高强预应力钢铰线作为系杆 拱座基础只有较小水平推力 主拱采用中承式双肋悬链线无铰拱 矢跨比为1 4 5 每片拱肋由6 750钢管混凝土组成 由横向平联板 腹杆连接成为钢管混凝土桁架 边拱采用上承式双肋悬链线半拱 每片拱肋由钢筋混凝土单箱单室截面组成 转体施工法 工程实例 6 1932澳大利亚503m悉尼钢拱桥 1977美国518 2mNewRiver桥 工程实例 6 8 钢管混凝土拱桥 提纲 1 2 3 4 拱桥的总体布置 矢跨比的选择 拱轴线的选择 主拱截面尺寸拟定 拱桥的总体布置 1 0引言 拱桥的设计流程 总体布置 确定桥梁长度及分孔 确定桥梁的设计高程和矢跨比 正确处理不等分孔问题 桥面高程 拱顶底面高程 起拱线高程 基础底面高程 混凝土拱桥矢跨比1 4 1 8箱型拱桥矢跨比1 6 1 10 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力采用不同的拱跨结构 拱桥的总体布置 1 拱桥的总体布置 1 1 确定桥梁长度及分孔的原则 1 根据水文 水力计算和技术经济比较 初拟桥台台口之间的总长度 结合平 纵 横三方向综合考虑桥梁与路线的衔接 确定桥梁全长 2 根据桥址处的地形 地质 结合结构体系及形式 确定分孔 单孔 多孔 3 根据通航净空和防洪条件 确定孔数和跨径 A通航孔一般设置在常水位河床最深处或航行最方便的地方 同时满足航道等级要求 B