北邮社桥梁上部施工技术教学包课件

桥梁上部施工技术项目3拱桥

学习目标了解拱桥的基本特点。掌握拱桥的组成和类型。掌握拱桥的主要受力构件主拱圈的构造。了解拱桥的拱上建筑的构造以及其他细部构造。掌握拱桥的总体布置原则、拱轴线的选择以及拱桥主要尺寸的拟定。3.1.1拱桥的基本特点3.1拱桥概述拱桥是我国公路上使用很广泛的一种桥梁体系。拱桥与梁桥的区别不仅在于外形不同，更重要的是两者受力性能有差别。由力学知识可知，梁式结构在竖向荷载作用下支承处仅产生竖向支承反力，而拱式结构在竖向荷载作用下，支承处不仅产生竖向反力，而且还产生水平推力。3.1.1拱桥的基本特点3.1拱桥概述由于这个水平推力的存在，拱的弯矩将比相同跨径的梁的弯矩小很多，从而使整个拱主要承受压力。这样，拱桥不仅可以利用钢、钢筋混凝土等材料来修建，而且可以根据拱的这个受力特点，充分利用抗压性能较好而抗拉性能较差的圬工材料（石料、混凝土、砖等）来修建。这种由圬工材料修建的拱桥称为圬工拱桥。3.1.1拱桥的基本特点3.1拱桥概述拱桥的主要优点有：跨越能力较大，在全世界范围内，钢筋混凝土拱桥目前的最大跨径为460m，石拱桥为146m，钢拱桥达550m；能充分做到就地取材，与钢桥和钢筋混凝土梁式桥相比，可以节省大量的钢材和水泥；耐久性好，而且养护、维修费用少；外形美观；构造较简单。3.1.1拱桥的基本特点3.1拱桥概述拱桥的主要缺点有：自重较大，相应的水平推力也较大，增加了下部结构的工程量，对地基条件要求高；需要劳动力多，建桥时间也较长；由于拱桥水平推力较大，在连续多孔的大中桥梁中，为防止一孔破坏而影响全桥的安全，需要采用较复杂的措施，3.1.1拱桥的基本特点3.1拱桥概述或设置单向推力墩，增加了造价；与梁式桥相比，上承式拱桥的建筑高度较高。拱桥虽然存在这些缺点，但由于它的优点突出，只要在条件许可的情况下，修建拱桥往往是经济合理的。3.1.2拱桥的组成和类型3.1拱桥概述

1.拱桥的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。拱桥的桥跨结构是由拱圈及其上面的拱上建筑所构成。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，以使车辆能在平顺的桥道上行驶。3.1.2拱桥的组成和类型3.1拱桥概述3.1.2拱桥的组成和类型3.1拱桥概述

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，将桥跨结构的荷载传至地基，并与两岸路堤相联结。拱圈最高处横向截面称为拱顶，拱圈和墩台连接处的横向截面称为拱脚（或起拱面）。3.1.2拱桥的组成和类型3.1拱桥概述

2.拱桥的类型1）按结构静力图示分拱桥按结构静力图示分为三铰拱、无铰拱和两铰拱。（1）三铰拱属于静定结构。（2）无铰拱属于三次超静定结构。（3）两铰拱是一次超静定结构。3.1.2拱桥的组成和类型3.1拱桥概述

2）按主拱圈横截面的形式分按主拱圈横截面的形式分为板拱桥、肋拱桥、双曲拱桥和箱形拱桥，如图3-2所示。（1）板拱桥。（2）肋拱桥。（3）双曲拱桥。（4）箱形拱桥。3.1.2拱桥的组成和类型3.1拱桥概述3.2.1主拱圈的构造3.2拱桥的构造1.板拱拱桥中的石砌拱桥，主拱圈通常都是做成实体的矩形截面，所以又称为石板拱。按照砌筑拱圈的石料规格，又可以分为料石拱、块石拱及片石拱等各种类型。用来砌筑拱圈的石料，要求是未经风化的，其标号不得小于30号。砌筑用的砂浆标号，对于大中跨径拱桥不得小于7.5号，小跨径拱桥不得小于5号。为了节省水泥，在有条件的地方，可以用小石子混凝土代替砂浆砌筑片石或块石拱圈。3.2.1主拱圈的构造3.2拱桥的构造小石子粒径一般不宜大于2cm。采用小石子混凝土砌筑片石，其砌体强度比用同标号的水泥砂浆的砌体强度高，而且一般可以节省水泥用量。在砌筑料石拱圈时，根据受力的需要，构造上应满足以下几点要求。（1）拱石受压面的砌缝应是轴向方向，即与拱轴线相垂直。这种轴向砌缝一般可做成通缝，不必错缝。3.2.1主拱圈的构造3.2拱桥的构造（2）当拱圈厚度不大时，可采用单层拱石砌筑［见图3-4（a）］，当拱厚较大时可采用多层拱石砌筑［见图3-4（b）及图3-5］，对此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（见图3-6）。图3-4等截面圆弧拱的拱石编号（3）在拱圈的横截面内，拱石的竖向砌缝应当错开，其错开宽度至少0.10m，如图3-6所示的Ⅰ—Ⅰ截面及Ⅱ—Ⅱ截面。3.2.1主拱圈的构造3.2拱桥的构造这样，在纵向或横向剪力作用下，可以避免剪力单纯由砌缝内的砂浆承担，从而可增大砌体的抗剪强度和整体性。图3-5变截面拱圈的拱石编号（4）砌缝的缝宽不应大于0.02m。（5）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（见图3-7），以改善连接处的受力状况。3.2.1主拱圈的构造3.2拱桥的构造3.2.1主拱圈的构造3.2拱桥的构造3.2.1主拱圈的构造3.2拱桥的构造3.2.1主拱圈的构造3.2拱桥的构造2.肋拱桥肋拱桥是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板组成。在分离的肋拱之间，需设置足够数量和刚度的横系梁，以保证各拱肋的横向稳定性和整体性，可充分发挥钢筋等材料的优势，具有较好的经济性，现已在大中型拱桥中广泛使用。3.2.1主拱圈的构造3.2拱桥的构造拱肋是肋拱桥的主要承重结构，其肋数和间距以及拱肋的截面形式主要根据桥梁宽度、所用材料、施工方法与经济性等方面综合考虑决定。拱肋的截面形式，根据跨径大小和载重等级，可以选用实体矩形、工字形、箱形、管形等。3.2.1主拱圈的构造3.2拱桥的构造3.双曲拱桥双曲拱桥的主拱圈由拱肋、拱波、拱板和横向联系等几部分组成。这种拱桥结构充分利用了预制装配的优点，可以不要拱架，节省材料，施工进度快，所耗费的钢材也不多，因此双曲拱桥出现之后，很快得到了广泛采用。双曲拱桥的主拱圈的特点是先化整为零，再集零为整，以适应无支架施工和无大型起吊机具的情况。3.2.1主拱圈的构造3.2拱桥的构造施工时先将拱圈划分为拱肋、拱波、拱板及横向联系四部分，并预制拱肋、拱波和横向联系（梁板），即化整为零；然后吊装钢筋混凝土拱肋成拱，并与横向联系构件组成拱形框架，再在拱肋间安装拱波，随后浇筑拱板混凝土，形成主拱圈，即集零为整。3.2.1主拱圈的构造3.2拱桥的构造4.箱形拱桥大跨径拱桥的主拱圈可以采用箱形截面。为了采用预制装配的施工方法，在横向将拱圈截面划分成多条箱肋，在纵向将箱肋分段，预制各箱肋段，待箱肋拼装成拱后，再现浇混凝土把各箱肋连成整体，形成箱形拱截面。箱形拱的主要特点如下。（1）截面挖空率大。挖空率可达全截面的50％～60％，因此与板拱相比，可节省大量圬工体积，减小重量。3.2.1主拱圈的构造3.2拱桥的构造（2）箱形截面的中性轴大致居中，对于抵抗正负弯矩具有几乎相等的能力，能较好地满足主拱圈各截面承受正负弯矩的需要。（3）由于箱形截面是闭合空心截面，抗弯和抗扭刚度大，拱圈的整体性好，应力分布较均匀。（4）单条拱肋刚度较大，稳定性较好，能单箱肋成拱，便于无支架吊装。（5）预制构件的精度要求较高，吊装设备较多，适用于跨径在50m以上的大跨径拱桥的修建。3.2.2拱上建筑的构造3.2拱桥的构造1.实腹式拱上建筑实腹式拱上建筑由侧墙、拱腹填料、护拱以及变形缝、防水层、泄水管和桥面等部分组成（见图3-13）。实腹式拱桥一般适用于小跨径的板拱桥。3.2.2拱上建筑的构造3.2拱桥的构造3.2.2拱上建筑的构造3.2拱桥的构造拱腹填料的做法可分为填充和砌筑两种方式。（1）填充的方式是在拱圈两侧砌筑侧墙，以承受拱腹填料及车辆荷载所产生的侧压力（推力）。侧墙一般用块石或片石砌筑。为了美观需要，可用粗料石或细料石镶面。侧墙厚度一般按构造要求确定，其顶面宽约0.50～0.70m，向下逐渐增厚，墙脚厚度可以采用侧墙高度的0.4倍，3.2.2拱上建筑的构造3.2拱桥的构造特殊情况下侧墙厚度应由计算确定。填充用的材料尽量做到就地取材，通常采用砾石、碎石、粗砂或卵石夹黏土并加以夯实。这些材料的透水性较好，成本较低，而且还能减小对侧墙的推力。在地质条件较差的地区，为了减轻拱上建筑的重量，可以采用其他轻质材料（如炉渣、石灰、黏土等混合料）作为填料。3.2.2拱上建筑的构造3.2拱桥的构造（2）当填充材料不易取得时，可改用砌筑的方式，也就是采用干砌圬工或浇筑贫混凝土作为拱腹填料。当用贫混凝土时，往往可以不另设侧墙，而在外露混凝土表面用砂浆饰面或设置镶面。3.2.2拱上建筑的构造3.2拱桥的构造2.空腹式拱上建筑大、中跨径的拱桥，为减轻自重，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。空腹式拱上建筑由多孔腹孔结构和桥面组成。腹孔结构又分为拱式腹孔和梁式腹孔，因此空腹式拱上建筑又分为拱式和梁式两种,如图3-14所示。3.2.2拱上建筑的构造3.2拱桥的构造3.2.2拱上建筑的构造3.2拱桥的构造腹拱的拱圈可以采用石砌、混凝土预制或现浇的圆弧形板拱。为了减轻重量，也可以采用双曲拱、微弯板和扁壳等各种形式的轻型腹拱。1）拱式拱上建筑2）梁式拱上建筑3.2.3拱桥的其他细部构造3.2拱桥的构造

1.拱上填料、桥面及人行道拱上建筑中的填料，一方面能起到扩大车辆荷载分布面积的作用，另一方面还能够减小车辆荷载对拱圈的冲击作用，但同时也增加了拱桥的恒载重量。现行有关桥梁规范规定，当拱上填料厚度（包括桥面铺装层厚度）等于或大于500mm时，设计计算中不计汽车荷载的冲击力。拱桥桥面、行车道、人行道及栏杆部分其构造与梁桥相似。3.2.3拱桥的其他细部构造3.2拱桥的构造

2.伸缩缝与变形缝为了使结构的计算图示与实际受力情况相符合，避免拱上建筑不规则开裂，影响桥梁的安全使用，除在设计计算上应做充分的考虑外，还需在构造上采取必要的措施。因此，通过设置伸缩缝及变形缝来使拱上建筑与墩台分离，并使拱上建筑和主拱圈一起自由变形。3.2.3拱桥的其他细部构造3.2拱桥的构造

3.防水排水和防水的作用是将雨水及时排出，保证结构耐久性。拱桥桥面纵向排水、排除桥面雨水的构造与梁桥相同。透过桥面铺装渗入到拱腹内的雨水，应由防水层汇聚于预埋在拱腹内的泄水管排出。防水层的铺设如图3-22所示。3.2.3拱桥的其他细部构造3.2拱桥的构造3.2.3拱桥的其他细部构造3.2拱桥的构造

4.拱铰通常，拱桥中有三种情况设铰：一是主拱圈按两铰拱或三铰拱设计时；二是空腹式拱上建筑，其腹拱圈按构造要求需采用两铰或三铰拱，或高度较小的腹孔墩上、下端与顶梁、底梁连接处需设铰时；三是在施工过程中，为消除或减小主拱圈的部分附加内力，以及对主拱圈内力做适当调整时，往往在拱脚或拱顶设临时铰。3.2.3拱桥的其他细部构造3.2拱桥的构造

拱铰的形式按照铰所处的位置、作用、受力大小、使用材料等条件综合考虑。目前，常用的拱铰形式有弧形铰、铅垫铰、不完全铰、平铰、钢铰。

1）弧形铰弧形铰一般用钢筋混凝土、混凝土、石料等做成。2）铅垫铰中、小跨径的板拱或肋拱可以采用铅垫铰。3.2.3拱桥的其他细部构造3.2拱桥的构造

3）不完全铰小跨径或轻型的拱圈以及空腹式拱桥的腹孔墩（柱）铰常用不完全铰。4）平铰平铰就是构件两端平面相接，其接缝间可用强度等级低的砂浆，也可垫衬油毛毡或直接干砌。5）钢铰钢铰通常做成理想铰。3.3.1拱桥的总体布置3.3拱桥的设计1.确定桥梁的设计标高和矢跨比拱桥的标高主要有4个，即桥面标高、拱顶底面标高、起拱线标高和基础底面标高（见图3-29）。这几项标高的合理确定对拱桥的设计有直接的影响。拱桥主拱圈矢跨比是设计拱桥的主要参数之一。它的大小不仅影响拱圈内力的大小，而且也影响到拱桥的构造形式和施工方法的选择。3.3.1拱桥的总体布置3.3拱桥的设计3.3.1拱桥的总体布置3.3拱桥的设计1）桥面标高桥面标高一方面由两岸线路的纵断面设计来控制，另一方面还要保证桥下净空能满足泄洪或通航的要求。设计时需按有关规定，并与有关部门（如航运、防洪、水利等）商定。当桥面标高确定后，由桥面标高减去拱顶填料厚度（一般包括路面厚度在内为0.30～0.50m），就可得到拱顶上缘（拱背）的标高。随之就可以根据跨径大小、荷载等级、主拱圈材料规格等条件估算出拱圈的厚度。由此可推求出拱顶底面标高。3.3.1拱桥的总体布置3.3拱桥的设计2）起拱线标高为了尽量减小桥墩（台）基础底面的弯矩、节省墩台的圬工数量，一般选择底拱脚设计方案。但在具体设计时，拱脚的位置常受到通航净空、排洪、流水等条件的限制。3）基础底面标高基础底面标高主要根据冲刷深度、地质情况及地基承载力确定。3.3.1拱桥的总体布置3.3拱桥的设计4）矢跨比的确定计算表明，恒载的水平推力与垂直反力之比值，随矢跨比的减小而增大。当矢跨比减小时，拱的推力增大；反之则推力减小。众所周知，推力大，相应地在拱圈内产生的轴向力也大，对拱圈自身的受力状况是有利的，但对墩台基础不利。同时，当拱圈受力后因其弹性压缩，或因温度变化、混凝土收缩，或因墩台位移等原因，都会在无铰拱的拱圈内产生附加的内力，而拱越坦（矢跨比越小），附加内力越大。3.3.1拱桥的总体布置3.3拱桥的设计当拱的矢跨比过大时，拱脚区段过陡，给拱圈的砌筑或混凝土浇筑带来困难。另外，拱桥的外形是否美观，与周围景物能否协调等也与矢跨比有很大关系。因此在设计时，矢跨比的大小应经过综合比较后进行选定。通常，对于砖、石、混凝土板拱桥及双曲拱桥，矢跨比一般为1/6～1/4，不宜超过1/8；箱形拱桥的矢跨比一般为1/8～1/6；圬工拱桥的矢跨比一般都不宜小于1/10。3.3.1拱桥的总体布置3.3拱桥的设计2.不等跨连续拱桥的处理方法多孔连续拱桥最好选用等跨分孔的方案。但在受地形、地质、通航等条件的限制，或引桥很长，考虑与桥面纵坡协调一致时，或在桥梁的美观有特殊要求（如城市或风景区的桥梁）时，可以考虑采用不等跨的分孔，如一座跨越水库的拱桥，全长376m，谷底至桥面最高处达80余米。根据地形、地质条件和技术经济比较等综合考虑后，以采用不等跨分孔为宜。图3-30为不等跨分孔的拱桥示意图。3.3.1拱桥的总体布置3.3拱桥的设计3.3.1拱桥的总体布置3.3拱桥的设计由于不等跨拱桥相邻孔的恒载推力不相等，使桥墩和基础增加了恒载的不平衡推力。在采用柔性墩的多孔连续拱桥中，还需考虑恒载不平衡推力产生的连拱作用，使计算和构造复杂。为了减小这个不平衡推力，改善桥墩、基础的受力状况，节省材料和造价，可采用以下措施。1）采用不同的矢跨比2）采用不同的拱脚标高3）调整拱上建筑的恒载重量3.3.2拱轴线的选择3.3拱桥的设计

选择拱轴线的原则，就是要尽可能降低由于荷载产生的弯矩数值。最理想的拱轴线（合理拱轴线）是与拱上各种荷载作用下的压力线相吻合，这时拱圈截面只受轴向压力，而无弯矩作用，借以能充分利用圬工材料的抗压性能。但事实上是不可能获得这样的拱轴线的，因为除恒载外，拱圈还要受到活载、温度变化和材料收缩等因素的作用。当恒载压力线与拱轴线吻合时，在活载作用下就不再吻合。3.3.2拱轴线的选择3.3拱桥的设计

然而我们知道，公路拱桥的恒载占全部荷载的比重较大。因此，以恒载压力线作为设计拱轴线，可以认为基本上是适宜的。但是，就在恒载作用下，拱圈本身的轴线还将因材料的弹性压缩而变形，致使拱圈的实际压力线与原来设计所采用的拱轴线发生偏离。因此在拱桥设计时，要选择一条能够使恒载作用下的截面弯矩都为零的拱轴线实际上是不可能的。3.3.2拱轴线的选择3.3拱桥的设计

一般来说，拱桥设计中所选择的拱轴线应满足以下四方面的要求。（1）要求尽量减小拱圈截面的弯矩，使主拱圈在计入弹性压缩、均匀温降、混凝土收缩等影响下，各主要截面的应力相差不大且最大限度减小截面拉应力，最好是不出现拉应力。3.3.2拱轴线的选择3.3拱桥的设计

（2）对于无支架施工的拱桥，应能满足各施工阶段的要求，并尽可能少用或不用临时性施工措施。（3）计算方法简便，易为生产人员掌握。（4）线形美观，便于施工。3.3.2拱轴线的选择3.3拱桥的设计

1.圆弧线圆弧线拱的线形最简单，施工最方便，容易掌握。但在一般情况下，圆弧形拱轴线与恒载压力线偏离较大，使拱圈各截面受力不够均匀。因此圆弧线常用于15～20m的小跨径拱桥。对于大跨径的预制装配式钢筋混凝土拱桥，有时为了简化施工，也有采用圆弧形拱轴线的。3.3.2拱轴线的选择3.3拱桥的设计

2.悬链线实腹式拱桥的恒载强度（单位长度上的重量），从拱顶向拱脚是均匀增加的，这种荷载分布图示的拱