拱桥的设计与施工PPT42

拱桥桥是是一一种种既既古古老老又又年年轻轻的的桥桥梁梁形形式式，，虽虽然然在在已已经经达达到到的的跨跨度度上上，，拱拱桥桥不不及及悬悬索索桥桥和和斜斜拉拉桥桥，，但但做做为为现现代代五五大大桥桥型型之之一一，，当当选选择择大大跨跨度度桥桥梁梁时时，，在在目目前前比比较较常常遇遇到到的的200～600m跨度度范范围围内内，，拱拱桥桥仍仍然然是是悬悬索索桥桥和和斜斜拉拉桥桥的的竞竞争争对对手手。。而而在在中中、、小小跨跨度度领领域域更更具具特特色色。。我我国国公公路路桥桥梁梁中中约约有有60%为拱拱桥桥。。根根据据理理论论推推算算，，钢钢拱拱桥桥的的极极限限跨跨径径可可达达1200m左右右，，混混凝凝土土拱拱桥桥的的极极限限跨跨度度可可达达500m左右右。。一、、拱拱桥桥的的组组成成与与类类型型在竖竖直直平平面面内内以以拱拱作作为为上上部部结结构构主主要要承承重重结结构构的的桥桥梁梁称称为为拱拱桥桥。。拱拱桥桥与与梁梁桥桥不不仅仅外外形形不不同同，，更更重重要要的的是是两两者者的的受受力力性性能能有有原原则则差差别别。。在在竖竖向向荷荷载载作作用用下下，，拱拱的的两两端端支支承承处处除除竖竖向向反反力力外外，，还还有有水水平平推推力力。。由由于于水水平平推推力力的的作作用用，，使使拱拱桥桥的的弯弯距距将将比比相相同同跨跨径径的的梁梁桥桥弯弯矩矩小小得得多多，，拱拱圈圈截截面面上上以以承承受受压压力力为为主主。。拱桥桥的的主主要要优优点点有有：：1）能能充充分分做做到到就就地地取取材材，，可可节节省省钢钢材材和和水水泥泥；；2）能能耐耐久久，，养养护护费费用用少少；；3）构构造造较较为为简简单单；；4）外外形形美美观观；；拱桥桥的的主主要要缺缺点点有有：：1）自自重重较较大大，，相相应应水水平平推推力力较较大大，，对对地地基基条条件件要要求求高高；；2）建建桥桥时时间间较较长长；；3）由由于于水水平平推推力力的的存存在在，，在在连连续续多多孔孔的的大大、、中中桥桥梁梁中中，，为为防防止止一一孔孔破破坏坏而而影影响响全全桥桥，，需需要要采采用用较较复复杂杂的的措措施施或或设设置置单单向向推推力力墩墩，，增增加加造造价价。。（1）拱拱桥桥的的组组成成图7——76（2）按按力力学学体体系系分分类类图7——77拱桥桥的的力力学学体体系系分分类类组合合体体系系的的拱拱桥桥的的桥桥面面系系行行车车道道梁梁与与主主拱拱组组合合，，共共同同受受力力（（图图7——77d～g），，以以其其整整体体作作为为承承重重结结构构。。组组合合体体系系拱拱桥桥可可分分为为无无推推力力（（下下承承式式））的的和和有有推推力力(中承承式式图图7——77h)或部部分分有有推推力力（（恒恒载载下下无无推推力力，，活活载载下下有有推推力力图图7——77i、j）三三种种。。无推推力力的的组组合合体体系系系系杆杆拱拱。。承承受受拉拉力力的的系系杆杆可可以以是是单单设设的的，，也也可可以以与与行行车车道道梁梁相相结结合合。。系系杆杆拱拱的的结结构构内内部部是是多多次次超超解解定定的的。。但但它它的的外外部部约约束束，，一一端端是是固固定定铰铰支支座座，，一一端端是是活活动动铰铰支支座座，，是是静静定定的的。。作作为为结结构构的的整整体体是是无无推推力力的的，，对对地地基基的的要要求求与与静静定定结结构构相相同同（（图图7——77k）。有推推力力的的组组合合体体系系：：如如桁桁架架拱拱（（图图7——77l），，拱拱片片桥桥（（图图7——77m），，刚刚性性梁梁柔柔性性拱拱（（图图7——77n是用用拱拱从从下下面面加加强强梁梁））等等。。组合合体体系系充充分分利利用用了了结结构构各各组组成成部部分分的的承承载载能能力力，，但但不不如如简简单单体体系系受受力力那那么么明明确确，，稍稍有有不不慎慎将将会会导导致致结结点点开开裂裂，，一一部部分分组组合合功功能能可可能能失失效效。。目目前前，，在在有有高高性性能能的的材材料料，，高高性性能能预预应应力力技技术术，，和和计计算算机机手手段段，，拱拱式式组组合合体体系系已已经经能能够够把把握握。。2）、、组组合合体体系系拱拱桥桥这里里介介绍绍各各种种拱拱桥桥的的拱拱上上建建筑筑的的构构造造，，各各种种拱拱的的横横断断面面如如图图7——78所示示。。（1）板板拱拱桥桥1、主主拱拱圈圈板拱拱桥桥的的主主拱拱圈圈横横截截面面，，是是实实体体的的矩矩形形截截面面（（图图7——78a）。。拱拱桥桥拱拱圈圈多多由由料料石石砌砌筑筑；；拱拱桥桥的的拱拱圈圈有有石石砌砌体体、、混混凝凝土土砌砌块块、、素素混混凝凝土土的的；；也也有有钢钢筋筋混混凝凝土土板板拱拱。。中中小小跨跨径径的的拱拱桥桥l0<（10～20）m常采采用用等等截截面面圆圆弧弧拱拱（（拱拱轴轴线线为为圆圆弧弧线线））；；（（20～30）<l0<50m的拱拱桥桥常常用用等等截截面面悬悬链链线线拱拱（（拱拱轴轴线线为为悬悬链链线线））；；二、、拱拱桥桥的的构构造造图7——78拱的的横横截截面面（a）板板拱拱；；（（b）肋肋拱拱；；（（c）双双曲曲拱拱；；（（d）箱箱形形拱拱；；（（e）钢钢管管混混凝凝土土拱拱l0>50m的拱桥，常采采用变截面悬悬链线拱。四四川省九溪沟沟石板拱桥跨跨度达116m（在世界上是是少见的）。。板拱桥的净净矢跨比（fo/l0）一般为1/4～1/8，不宜小于1/8以免推力过大大。石板拱拱圈的的石料一般采采用粗料石，，标号不低30号、砂浆不低低于7.5号；小跨径拱拱桥也有采用用块石、片石石砌体的。石石拱圈的强度度属于砌体的的强度机理。。石料规格，，纵横错缝的的间距、缝宽宽、砂浆等都都要满足规范范要求，以保保证拱圈的强强度和它的整整体性。在拱拱圈中要特别别强调的是，，应使主要砌砌缝与拱轴线线垂直；在拱拱脚与墩顶相相接处，腹拱拱墩与拱圈相相接处要采用用五角石或混混凝土拱座。。混凝土板拱的的拱圈中，整整体浇筑的混混凝土拱圈强强度属于混凝凝土强度机理理。混凝土块块材砌筑的拱拱圈属于砌体体强度机理。。它们的构造造与施工都有有所不同。2、拱上建筑板拱桥的拱上上建筑有两类类：实腹式拱拱上建筑见图图7—76；空腹腹式拱拱上建建筑见见图7—79。实腹拱拱上建建筑由由侧墙墙、护护拱、、防水水层和和泄水水孔，，拱腹腹填料料等组组成。。侧墙墙用以以承受受拱腹腹填料料及车车辆荷荷载引引起的的侧压压力，，用块块石或或片石石砌筑筑、顶顶宽约约0.5～0.7m。墙底底厚度度为墙墙高的的0.4倍。护护拱用用以加加强拱拱圈和和敷设设防水水层，，设在在拱背背l0/4处切线线至邻邻孔拱拱圈或或台身身背面面的范范围内内，可可浇混混凝土土或用用片石石砌筑筑。拱拱上填填料，，要透透水性性好。。空腹拱拱上建建筑有有拱式式和梁梁板式式。拱拱式（（图7—79b）由腹腹拱、、横墙墙组成成，板板拱桥桥多采采用这这种形形式。。梁板板式（（图6—79a）由板板（梁梁）、、横梁梁、立立柱组组成。。空腹腹拱上上建筑筑的腹腹孔，，一般般布置置在墩墩侧（（1/4～1/3）l0范围内内；腹腹孔跨跨径一一般2.5～5.5m且不大大于（（1/8～1/15）lo；腹孔孔拱圈圈厚度度（梁梁板尺尺寸及及配筋筋）、、横墙墙厚度度（主主柱尺尺寸及及配筋筋）由由计算算确定定。为避免免拱上上建筑筑参与与主拱拱圈工工作而而导致致拱上上建筑筑开裂裂、损损坏，，应将将主拱拱圈拱拱脚附附近第第一个个腹拱拱做成成三铰铰拱，，并在在拱上上建筑筑内设设伸缩缩缝和和变形形缝。。伸缩缩缝一一般设设在主主拱圈圈拱脚脚上方方，横横向贯贯穿全全桥，，断开开侧墙墙、栏栏杆和和人行行道，，缝宽宽2～3cm，要能能维持持两侧侧结构构位移移（温温度的的和受受力的的）不不被约约束，，又要要防水水。在在其他他相对对位移移（受受力的的）较较小处处，可可设只只断开开但不不留间间隙的的变形形缝。。图7—79空腹式式拱上上建筑筑肋拱桥桥的主主拱圈圈由多多条拱拱肋组组成，，如图图7—78b所示。。拱肋肋的数数目、、间距距（一一般4～5m）需经经比较较确定定。外外侧拱拱肋最最外缘缘的距距离不不宜小小于l0/20，以保保证肋肋拱桥桥的整整体稳稳定性性。肋肋拱桥桥多为为钢筋筋混凝凝土结结构，，也有有用料料石砌砌筑的的。拱拱肋断断面有有矩形形或工工形；；矩形形拱肋肋的高高度为为（1/40～1/60）l0，肋宽宽为肋肋高的的0.5～2倍，常常用于于中小小跨径径拱桥桥；工工字形形拱肋肋的高高度为为（1/25～1/35）l0，肋宽宽约为为肋高高0.4～0.5倍，腹腹板厚厚0.3～0.5m。拱肋肋一般般采用用等高高，大大跨径径也可可以采采用变变高度度。拱拱曲线线常采采用悬悬链线线。拱桥肋肋间设设系梁梁。拱拱肋宽宽度小小于横横系梁梁间距距的1/20时，应应验算算拱肋肋局部部稳定定性。。拱上上建筑筑常用用空腹腹梁板板式；；由立立柱、、横梁梁和纵纵向板板（或或纵梁梁和横横向行行车道道板））组成成。（2）肋拱拱桥（3）双曲曲拱桥桥拱肋有有矩形形，│形和槽槽形的的。拱拱肋高高度为为（0.3～0.5）H，拱肋肋宽为为拱肋肋高的的0.6～1.0倍。拱拱肋面面积不不得小小于拱拱圈面面积的的1/4。拱肋肋可分分成3～7段，采采用干干接头头（焊焊接钢钢板、、或法法兰螺螺栓接接头，，用在在无支支架施施工））或湿湿接头头（用用在有有支架架施工工）在在现场场拼接接。拱拱肋应应嵌入入拱座座。拱拱肋上上设槽槽齿和和锚筋筋以保保证拱拱圈各各部分分组合合。拱波跨径130～200cm，厚6～8cm，矢跨比1/2～1/5，宽30～50cm，内设钢筋筋Ф6@10cm。拱波上浇浇拱背混凝凝土，厚15～20cm，内设纵向向钢筋。拱拱肋间设横横隔板。双曲拱的拱拱上建筑可可采用实腹腹式或空腹腹式。采用用空腹式拱拱上建筑时时，多采用用拱式结构构。双曲拱桥的的造型美观观，又有““集零为整整”的优点点，曾用少少量支架和和轻型吊装装设备修建建了大量的的桥梁，跨跨径由20～100m的都有。这这种桥型在在六十年代代曾风糜全全国。但它它的拱圈的的整体性和和抗扭刚度度差。箱形拱桥的的主拱圈为为箱形断面面，如图7—78d所示。箱形形断面的挖挖空率高，，抗扭惯矩矩大，截面面效率指标标ρ=k/h大（k—上下核心矩矩之和，h—截面高度）），箱体刚刚度大，稳稳定性好。。因此，在在跨度超过过100m的拱桥中，，普遍采用用。箱形拱的拱拱圈高度仍仍可用（7—177）式估算，，只是系数数a、b的取值不同同。对于单单室箱形拱拱桥，a=70，b=100；对于多室室箱形拱桥桥，a=60，b=100；k=1。箱形拱桥的的矢跨比一一般为1/6～1/10。拱圈高度度一般采用用等高的，，也有变高高的。拱轴轴线多用悬悬链线。在在箱形拱桥桥上，两种种空腹拱上上建筑都可可采用。（4）箱形拱桥桥箱形拱桥的的箱形截面面常用预制制的U形、工形、、闭合箱形形的箱肋组组成，如图图7—80。图中影线线部分系现现场混凝土土，其他是是预制部分分。预制部部的中间壁壁厚b=8～10cm，边壁厚b’稍厚一些；；底板厚t1=10～14cm，顶板厚t2=10～12cm，盖板厚e=6～8cm。两相邻预预制箱下缘缘净距d=4～5cm，箱壁间净净距S＝10～15cm，箱上现浇浇混凝土厚厚10～15cm。箱肋可纵纵向分段预预制，吊装装就位后拼拼接成整体体，浇现场场混凝土形形成主拱。。四川万县县长江公路路桥，主拱拱圈由5片钢管混凝凝土劲性骨骨架组成的的单箱三室室断面，主主孔跨径lo=420m，超过了l0=390m的南斯拉夫夫的KPK桥，成为世世界大跨径径最大的混混凝土拱桥桥。图7—80箱形拱圈的的组合方式式（a）U形肋组合箱箱；（b）工字形肋肋组合箱；；（c）闭合箱肋肋组合箱钢管混凝土土拱桥的主主拱圈有单单根的或成成束的，内内填混凝土土的钢管组组成，如图图7—78e所示。主拱拱用钢和直直径800～1200mm，壁厚8～12mm；由1个、2个或4个钢管组成成一个拱肋肋（管间用用加劲板焊焊在一起））；拱肋间间采用钢管管横撑。钢钢管可分段段制造、吊吊装就位并并拼焊后，，用泵送混混凝土填筑筑，施工十十分方便。。管内填筑筑的混凝土土（标号30～40号）被钢管管横向约束束，极限抗抗压强度有有所提高，，填筑微膨膨胀混凝土土，延迟膨膨胀混凝土土效果更好好。钢管在在施工中兼兼做模板、、拱架，成成桥后是主主拱圈的一一部分，经经济效益明明显。钢管混凝土土拱实质上上是一种拱拱肋形式。。在上承式式、下承式式和中承式式拱桥中都都有应用，，还可用系系杆拱并施施加预应力力。它的适适用跨径涵涵盖了30～200m很大的范围围。（5）钢管混凝凝土拱桥钢筋混凝土土刚架拱桥桥的上部结结构，由刚刚架拱片、、横系梁和和桥面等几几部分组成成，如图7—81所示。图7—81刚架拱桥（6）刚架拱桥桥刚架拱片由由主梁（实实腹段）、、主拱腿、、次梁（腹腹孔的上弦弦杆）、次次拱腿（斜斜撑）构成成。拱片相相距2～3m，拱片间设设横系梁上上、拱片上上设带加劲劲肋的微弯弯板并现浇浇混凝土形形成桥面系系。因此，，它是一种种拱桥的组组合体系。。刚架拱桥拱拱片的各部部件可分别别预制。其其吊装顺序序为：吊装装悬挂主拱拱腿；安装装合拢实腹腹段形成裸裸拱；安装装横系梁组组成拱形框框架；安放放次拱腿、、次梁、焊焊接腹孔接接头钢筋和和安装横系系梁；浇接接头混凝土土，完成刚刚架拱片组组装。刚架拱桥的的杆件数量量少，整体体性好，自自重轻，材材料省，对对地基的要要求不太高高。拱腿的的刚度小，，不宜淹没没在有漂流流物的设计计洪水位以以下。它适适用跨径30～50m，矢跨比1/8～1/10。三、拱桥的的计算要点点图7—82悬链线拱轴轴线当m=1时的悬链线线就是抛物物线。实腹腹板拱桥，，m值约在2.8～5.3之间。空腹腹变截面拱拱桥的m值约在2.2～4.3之间。空腹腹双曲拱桥桥的m值约在1.7～2.8之间。下承承式的钢管管混凝土拱拱桥的m值在1.2～1.7之间。对于大跨径径拱桥的拱拱轴线，常常需经优选选决定。如如按“五点点重合法””初选的拱拱轴线，在在某些截面面，与结构构重力压力力线偏离过过大，或与与结构重力力及其弹性性压缩和温温度下降，，混凝土收收缩等组合合下的纵向向压力线偏偏离较大时时，则应作作适当调整整，使这些些控制截面面的纵向力力偏心距减减小，应力力分布趋于于均匀。同时，还应应考虑拱轴轴线偏离结结构重力压压力线引起起的附加内内力。（4）拱圈内力力计算（5）、拱圈强强度和稳定定性计算主拱圈是偏偏心受压构构件，要按按组合I（计算组合合），组合合II（附加组合合），组合合III（验算组合合）取其最最大计算内内力。组地地要考虑偏偏心受压构构件的特点点，取最大大弯矩Mmin相应的N，或最小弯弯矩Mmin。相应的N。砖石、混凝凝土主拱圈圈要验算控控制截面的的抗压极限限强度，偏偏心距，以以及超过偏偏心距限值值后核算弯弯曲抗拉强强度。3）活载的横横向分布桁架拱桥、、刚架拱桥桥、肋拱桥桥、拱上建建筑为梁柱柱式的双曲曲拱桥应考考虑活载的的横向分布布；其他拱拱桥，活载载按全桥平平均分布计计算。如用用有限元计计算，前者者应用空间间梁元，后后者可用平平面梁元分分析。4）连拱计算算多跨拱桥，，当桥墩抗抗推刚度大大于主拱拱拱圈抗推刚刚度37倍时可分别别按单跨拱拱桥计算，，否则按多多跨连拱计计算。按连连拱计算，，主拱圈增增应考虑连连拱影响（（类拟拱脚脚水平位移移）才安全全；对桥墩墩而言，拱拱圈推力减减少，可以以适当减少少桥墩的横横截面。具具体算法可可参考有关关教材。四、拱桥的的施工（1）有支架施施工在满堂式拱拱架或在桁桁式钢拱架架上砌筑砖砖石拱桥，，浇注混凝凝土、钢筋筋混凝土拱拱桥，统称称为有支架架施工。支架的选型型、强度、、刚度、稳稳定性应确确保施工安安全。支架架应设置预预拱度，以以保证拱圈圈的几何形形状。拱架架在落架时时，必须保保证拱桥的的自重均匀匀的、对称称的由拱架架转移给拱拱圈。石板拱桥砌砌筑方法，，应根据跨跨径大小、、