第六章------拱----桥PPT课件.ppt

第六章拱桥 1 第一节概述 拱桥是人类最早也是最广泛使用的桥型之一 不管是东方还是西方的文明古国 都有建造拱桥的悠久历史 其中以中国和古罗马帝国的成就最为辉煌 例如 建于隋唐时期的赵州石拱桥 已有1300多年的历史 北京的卢沟桥建于700多年前的元代 至今依然完好 保留至今的古代名桥绝大多数是拱桥 这说明拱桥是一种最为坚固耐用的桥型 由于拱桥是以受压为主的结构 它可以用廉价易得的砖 石和混凝土等圬工材料建造 所以我国山区道路上的中 小跨径桥通常都是石拱桥 据统计 我国公路桥梁60 为拱桥 拱桥也是一种跨越能力很大的桥型 在200一600m路径范围内拱桥都有相当大的竞争优势 2 钢拱桥跨径的世界纪录巳达550m 上海卢浦大桥 石拱桥跨径的世界纪录也已达146m 山西晋城丹河桥 拱桥的另一个显著优点是其造型美观 许多著名拱桥甚至成为一个城市 一个地区的旅游景点 不少风景区还专门配置各式拱桥装点景色 这是因为拱桥可做成各种和周围景观协调的曲线式样 或用连拱如波浪 体现一种韵律 或大拱 小拱巧妙搭配 在变化中蕴涵协调 或大拱 小拱相叠 从层次上表现柔和之美 曲线之美 也有的工程师匠心独运将桥做成各种异形拱 使之既具备交通功能 又是一座城市雕塑或造型 以显现创作者对城市或灵气 或精神 或展望的想像 各种桥型都可以做得很美 但像拱桥这样变化之多 适应性之强是其他桥型所不能比的 3 拱桥还有一个优点是其构造简单 尤其是中 小跨径圬工拱桥 不需要大型设备和复杂技术 建桥技术容易掌握 有利于广泛应用 对于大跨径拱桥 近来转体施工法和劲性骨架拱的应用 使其建造过程比同跨径其他桥型 如斜拉桥 悬索桥 容易 便捷 拱桥的主要缺点是其自重大 相应的水平推力也较大 增加了下部结构的工程量 此外 工程师精心设计的拱轴线可使拱处于很理想的受力状态 但当基础发生变位或沉降时所产生的附加内力是很大的 因此拱桥对基础的要求比其他桥型严格 通常拱脚都要求置于很可靠的基础上 例如整体性很好的坚硬岩石上 拱脚水平推力还可产生另外一个不良后果 即多孔连拱的中间墩 其左右拱的水平推力是相互平的 4 一旦一孔出问题 其他孔也会因水平力不平衡而相继毁坏 拱桥的其他缺点如建筑高度较大 施工时常需搭支架等也使某些种类的拱桥建设受到一定的限制 对于拱桥的这些优缺点 在建桥时还应结合桥址处的地形地质条件及其他环境因素 进行多方面 多方案的综合比较 谨慎地决定选择哪种式样的桥梁 一般说来 在地质条件较好的山区 中 小跨径拱桥是最具竞争力的 在地质条件较差或平原地区 也常选择无推力拱的方案 在跨径100一600m范围的大 中跨径桥梁中 拱桥也是极具竞争力的 5 近年来 由于转体施工技术的推广和进步 劲性骨架混凝土拱桥为无支架建造大跨径拱桥积累了丰富的经验 以及因钢材供应充足而使大跨径钢拱桥的修建日渐增多 大跨径拱桥的兴建有方兴未艾之势 6 第二节拱桥的受力特点拱对看作是由直梁在竖向弯曲而成 这一改变除了使人产生美的感觉之外 主要优点还在于结构内力发生重大变化 在竖向荷载作用下 梁式结构不产生水平反力 而拱式结构会产生水平反力 如图所示 所以 梁的截面是以受弯 剪为主 而拱则以受压为主 下图分别表示两端固结梁和无铰抛物线拱的受力分析 7 8 9 可以看出 梁主要受弯 需用有一定抗弯能力的材料修建 而拱桥主要受压 在图 6 2b 所示特定均布荷载和拱轴为理想抛物线的情况下 整个拱轴线上无弯矩 实际上荷载是多种多样的 不均匀分布的荷载是常见的 拱轴线及其边界条件也都会和设计者所设想的有一定的差别 拱会受到一定的弯矩 但总的说来 拱所受弯矩一般都不大 轴向受压仍是受力的主要特点 因此 中 小路径拱桥通常都是用受压能力强 受拉能力差的圬工材料 砖 石 混凝土 建成的 10 大跨径拱桥仍是以受压为主 但也受弯 拱轴线在压弯荷载作用下的稳定问题是十分重要的 大跨径拱桥的侧向风力和偏心活载所引起的扭转效应使拱轴线上的压弯失稳问题变得更为复杂 不仅要考虑拱轴平面内的屈曲问题 也有面外失稳 侧向倾覆 问题 11 第三节拱桥的组成及主要分类 一 拱桥的主要组成拱桥同其他桥梁一样 也是由桥跨结构 上部结构 及下部结构两大部分组成 下图表示拱桥各主要组成部分的名称 拱圈是拱桥的主要承重结构 由于拱圈是曲线形 一般情况下车辆都无法直接在弧面上行驶 所以在桥面系与拱圈之间需要有传递压力的构件或填充物 以便车辆能在平顺的桥面上行驶 桥面系和这些传力构件或填充物统称为拱上结构或拱上建筑 桥面系包括行车道 人行道及两侧的栏杆或砌筑的矮墙 又称雉墙 等构造 拱桥的下部结构由桥墩 桥台及基础等组成 用以支承桥跨结构至地基 并与两岸路堤相连接 12 此外还有 拱肩 上承式拱桥拱圈的两侧拱背以上 桥面系以下的空间 即拱上建筑的腹部 有填料的为实肩拱 或实腹拱 具有构架体系的为敞肩拱 拱上建筑 又称拱上结构 上承式拱桥桥跨结构中主拱圈以上结构的总称 拱矢f 又称拱高或矢高 拱顶至拱脚拱轴线上的垂直距离 净拱矢f0 拱顶至拱脚在拱腹面上的垂直距离 计算跨径L 两拱脚间拱轴线上的水平距离 净跨径 两拱脚问拱腹面上的水平距离 或两拱脚起拱线间的水平距离 13 起拱线 拱因拱脚截面的下缘线 腹孔 空腹式拱桥在主拱拱肩上所设的孔 腹拱 空腹式拱桥桥面以下 主拱圈以上部分所采用的小拱 二 拱桥的主要类型拱桥历史悠久 使用极为广泛 相对于其他桥型材料极为多样 因此其形式也多种多造型各异 其构造各不相同 故称谓也十分复杂 分类之多是其他桥型不可比拟的 1 按建桥材料 主要是针对主拱圈使用的材料 可分为木拱桥 圬工拱桥 钢筋混凝土拱 钢管混凝土拱桥和钢拱桥等 14 15 16 按拱轴线的形式可分为 圆弧线拱桥 悬链线拱桥和抛物线拱桥等 按结构体系分类可分为 简单体系拱桥和组合体系拱桥 按主拱团截面形式可分为 板拱桥 肋拱桥 箱形拱桥和双曲拱桥 按照拱上结构的形式可分为 实腹式拱桥和空腹式拱桥 按桥面位置可分为 上承式 中承式和下承式拱桥 除了上述几种分类外 还有许多分类方法 不再一一列举 现仅就与桥梁结构设计有关的类别作一介绍 17 1 按拱轴线形式分类拱轴线常用形式有圆弧线 悬链线和抛物线 其中 悬链线供轴线受力最为合理 在理论上它可以设计成拱截面只受轴向压力 不受弯矩的合理拱轴线 其次是抛物线 它和悬链线很相似 计算较为简单 所以中 大跨径拱桥多设计成悬链线形或抛物线形 圆弧拱受力稍逊 但其独特的美学效果常为设计者所看重 设计和施工放样均较易 在小跨度拱桥中使用十分广泛 18 2 按结构体系分类按主拱圈与桥面系之间相互作用的性质及其相互影响的程度 可将拱桥分为简单体系拱桥和组合体系拱桥两大类 1 简单体系拱桥是指主要承重结构以拱为唯一受力体系的拱桥 其桥面系结构 拱上结构或拱下悬吊结构 不参与主拱一起受力 主拱以裸拱的形式作为主要承重结构 简单体系拱桥又分为三铰拱 两铰拱和无铰拱 19 20 三铰拱 为静定结构 其最大的优点为温度变化 支座沉降 混凝土收缩和徐变等因素不会在拱圈内产生附加应力 但其构造复杂 施工难度大 整体件差 抗震能力差 因此主拱固一般不采用三饺拱 而三铰拱常常用来作为空腹式拱上建筑的腹拱 无铰拱 为三次超静定结构 其伏缺点正好与上述三铰拱相反 出于整体性好 即运营性能好 所以钢筋混凝土无铰拱是大跨径桥梁的主要桥型之一 一般都要求拱脚处地基良好 以免地基沉降引起较大的附加内力 两铰拱 为一次超静定结构 其特点介于三铰拱和无铰拱之间 内于取消了中间铰 结构整体性能好 由于拱脚处设铰 在地基条件较差而不宜修建无铰拱时 可考虑采用两铰供 现在亦较少使用 21 2 组合体系拱桥是由拱和梁 或系杆 组成主要承重结构的拱桥 是将桥面系结构与主拱按不同的构造方式构成一个受力整体 以共同承受荷载 根据不同的组合方式和受力特点 组合体系拱桥又分为无推力的和有推力的 无推力组合体系拱桥 在竖向荷载作用下拱脚对墩台无水平推力作用的拱桥 其推力由刚性梁或柔性系杆承受 属于内部超静定 外部静定的组合体系拱桥 22 适用于地质不良的桥位处 墩台与梁式桥的相似 体积较大 多做成下承式桥 建筑高度很小 桥面高程可设计得很低 降低纵坡 减小引桥 引道 长度 可用钢筋混凝土或钢材建成 由于拱肋高耸于桥面之上 施工较复杂 在无推力体系拱桥中 吊杆细长 仅承受拉力 拱脚处推力由水平梁承受 此梁如果设计得很柔纫 抗弯刚度小于拱肋的1 80 则可假定梁只承受拉力而不承受弯矩 柔性系杆刚性拱 称为系杆拱桥 如果梁设计得很粗大 抗弯刚度大于拱助的80倍以上 此时梁既承受拉力又承受弯矩 拱可假定只承受轴向压力而不承受弯矩 刚性系杆柔性拱 称为蓝格尔拱桥 23 如果拱与梁的刚度都很大 都可承受弯矩与轴向力者 刚性系杆刚性拱 则称为洛泽拱桥 以上三种拱 当用斜吊杆来代替竖直吊杆时 称为尼尔森拱 24 25 26 27 28 29 主拱圈截面常用的形式有以下几种 1 板拱桥 拱圈横截面的宽度大于高度呈矩形板状实体截面的拱桥 其宽度和与之相配的道路宽度大体相当 由于其构造简单 施工方便 使用广泛 是圬工拱桥的基本形式之一 这种板拱的抗弯能力较差 适用于中 小跨径桥梁 2 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 拱助之间靠横向联系连接成整体而共同受力 这种桥横截面面积较板拱桥小得多 节省材料 自重轻 跨越能力大 但施工较板拱复杂 适用于中 大跨径桥梁 3 双曲拱桥 主拱困在纵 横两个方向都呈拱形弯曲的少筋混凝土拱桥 30 其特点是将结构化整为小 构件轻巧 施工时 先架设预制的拱肋 形成文架后再在拱肋上安装横向小拱 称 拱波 并在拱波上加筑泥凝土 称 拱板 最后在拱板上修建拱上建筑 因此可以节省支架 模板 钢筋等材料 施工也较简便 仍工序多 构件接头多 整体性差 容易产生裂缝 所以 双曲拱桥只宜在中 小跨径桥梁个采用 而由于其易开裂 目前已较少修建 31 4 箱形拱桥 拱圈横截面由几个箱室组成的拱桥 其外形与板拱相似 截面挖空率较大 可达全截面的50 一70 较实体板拱桥可减少圬工用料与自重 适用于大跨度拱桥 由于它是闭合箱形截面 截面抗弯和抗拉刚度均较大 裸拱施工时稳定性较好 适用于无支架施工法 但制作精度要求高 施工安装设备多 一般情况下 跨径在50m以上的拱桥采用箱形截面才是合适的 它是国内外大跨径钢筋混凝土拱桥主拱圈截面的基本形式 32 33 5 钢管混凝土拱桥 用一根 一束或多个大直径钢管内注 或外包 泥凝土组成拱肋的拱桥 建造时 把在工地制备的钢管 束 段用缆索吊吊装就位并临时固结于缆索吊的塔架 把就位的钢管段连接 或栓接或焊接 起来形成一个钢管拱 之后给钢管内泵送混凝土或 和 外包混凝土形成拱助 其最大的优点是不用支架就能完成大跨拱桥的建造 缺点是钢管段焊接连接的质量控制和钢管内灌注混凝土的密实度的质量控制要求很高 控制不好易造成施工质量隐患 34 4 按照拱上结构的形式分类按照拱上结构的形式可分为实腹式拱桥和空腹式拱桥 1 实腹式拱桥 拱上建筑做成实体结构的拱桥 通常在拱圈上的两侧设拱上挡土墙 侧墙 中填土 石 再于其上建造桥面 这种桥构造简单 施工方便 但自重大 多用于20一30m的小跨度拱桥 2 空腹式拱桥 拱上建筑由几个腹孔构成的拱桥 腹孔为桥面以下 主拱拱肩上所设的孔 空腔式拱桥较实腹式拱桥轻巧 节省材料 外形美观 并且有助于泄洪 适用于大跨度桥梁 但施工麻烦 35 36 5 按主拱圈与桥面系的关系分类拱桥的主要受力构件是拱圈 因此在设计时可根据地质情况 环境及桥两侧接线的相对位置 将桥面系置于拱背之上 上承式 或吊于拱肋之下 下承式 中承式拱桥则是将一部分桥面系吊于拱肋之下 一部分支撑于拱背之上 上承式 下承式和中承式拱桥的选择主要取决于拱团或拱肋建筑高度和两侧道路接线的相对位置 1 上承式拱桥 桥面系设置在拱圈 肋 之上的拱桥 可设计成