拱桥上部结构拱桥受力特点、组成与分类、各类常见拱桥的构造特点

CCIVILENGINEERINGTITLEUpperStructureofArchBridge拱桥上部结构土木工程专业·桥梁工程课程教学TEACHINGMODULE高校专业课教学·拱桥结构分析LECTURE01CONTENTS目录01拱桥概述与发展历史拱桥的基本概念、分类及国内外发展历程02拱桥结构力学分析拱轴线形、内力计算与稳定性验算方法03拱桥设计与构造细节主拱圈设计、拱上建筑与墩台基础构造04拱桥施工方法与工程案例支架法、悬臂法施工及典型工程实例分析AArchBridgeEngineeringH拱桥工程SECTIONDIVIDER01CHAPTER01拱桥受力特点压力线推力传递弯矩分布稳定性ARCHBRIDGEMECHANICSCOMPARISON拱桥与梁桥的本质区别拱桥在竖向荷载作用下两端支承处除竖向反力外还产生水平推力，使拱内产生轴向压力并大幅减小跨中弯矩，成为偏心受压构件，从而充分利用材料抗压强度实现更大跨越能力。梁桥受力特征：梁桥在竖向荷载下仅产生竖向反力，截面以受弯为主，材料抗拉与抗压性能均需满足要求，跨越能力受限于材料抗弯强度。拱桥受力特征：拱桥在竖向荷载下两端同时产生竖向反力和水平推力，水平推力使拱圈截面产生轴向压力，将弯曲问题转化为压缩问题。应力分布优势：由于轴向压力的存在，拱圈截面上的应力分布比受弯梁更为均匀，可充分利用石材、混凝土等抗压强度高但抗拉弱的材料。跨越能力对比：相同材料与截面条件下，拱桥的跨越能力显著大于梁桥，这也是拱桥在古代得以广泛应用并在现代持续发展的根本力学原因。图：拱桥与梁桥受力对比示意图H拱桥结构力学MECHANICSARCHBRIDGEANALYSIS水平推力与轴向压力机制拱的弧形几何将竖向荷载分解为沿拱轴线的轴向压力与拱脚处的水平推力，推力大小与矢跨比成反比；轴向压力使拱圈以压弯复合受力为主，合理设计可实现全截面受压状态。01水平推力的产生与影响因素产生机制：竖向荷载经拱圈弧形几何分解后，在拱脚处产生向外的水平分力即水平推力，其数值与拱的矢跨比成反比关系，平坦拱推力更大。工程约束：水平推力必须由墩台基础或系杆承担，因此有推力拱桥对地基承载力要求较高，软土地基需采用无推力组合体系或设置系杆平衡。02轴向压力的力学效应应力均匀化：轴向压力使拱圈截面处于压弯复合受力状态，压力抵消了大部分弯矩产生的拉应力，使截面应力分布趋于均匀化。理想状态：当压力线与拱轴线重合时，拱圈处于纯轴压状态，截面弯矩为零，这是理想受力状态，实际设计中通过选择合理拱轴线逼近该状态。水平推力∝1/矢跨比平坦拱推力显著增大轴向压力压弯复合受力合理拱轴线趋近纯压THEORYSTRUCTURALMECHANICS压力线理论与合理拱轴线压力线是拱圈各截面合力作用点的连线，以恒载压力线作为合理拱轴线可使拱圈在恒载下接近纯轴压状态；圬工拱桥采用三分之一核心距法确保压力线位于截面核心内，保证全截面受压安全。压力线与悬索理论：胡克悬索倒置理论揭示了拱压力线与悬索拉力线的镜像关系，奠定了拱桥力学分析的理论基础。三分之一核心距法：圬工拱桥要求在最不利荷载下压力线始终位于截面核心范围内，确保全截面受压、不出现拉应力区。恒载压力线为合理拱轴线：恒载占比最大，拱轴线与恒载压力线重合时弯矩为零，处于最优受力状态。大跨拱桥优化：恒载分布复杂，合理拱轴线还需考虑施工方法、拱上建筑布置及活载影响，需迭代计算确定。拱桥压力线与合理拱轴线关系示意图STRUCTURALANALYSIS恒载分布模式与拱轴线类型拱轴线选择取决于恒载分布模式：圆弧线适用于小跨径圬工拱桥，抛物线适用于均布恒载的实腹拱，悬链线适用于大跨空腹拱；合理匹配可使恒载下弯矩最小化。圆弧线拱轴线圆弧线构造简单、放样施工方便，在制造技术落后的时代被广泛用于圬工拱桥，但与恒载压力线偏离较大，受力不够均匀。一般仅适用于跨度小于20米的小跨径圬工拱桥，或通过调整恒载分布（如赵州桥敞肩设计）使压力线逼近圆弧线。抛物线与悬链线拱轴线抛物线对应沿跨径水平方向均匀分布的恒载，适用于实腹式拱桥或恒载近似均布的场合，弯矩较小、材料较省。悬链线对应自重沿拱弧线均匀分布的情况，是大跨径空腹式拱桥最常用的拱轴线型，能较好地适应变截面主拱的恒载分布。A拱桥工程STRUCTURALANALYSISMECHANICS弯矩分布与截面应力特征拱圈弯矩在拱脚和拱顶为控制截面，四分之一跨附近较小；轴向压力主导使截面应力分布远比梁桥均匀，允许使用抗压强但抗拉弱的圬工材料。图：无铰拱沿拱跨弯矩分布示意01恒载残余弯矩—合理拱轴线条件下恒载弯矩理论为零，实际残余弯矩由拱轴线偏离、活载及温度变化引起，拱脚和拱顶为正负弯矩控制截面。02反对称弯矩分布—无铰拱弯矩呈反对称特征，拱脚弯矩绝对值通常大于拱顶，四分之一跨附近弯矩较小，需重点验算拱脚和拱顶截面。03轴压主导的均匀应力—轴向压力使拱圈截面上、下缘应力差远小于同跨度梁桥，应力分布更均匀，可充分利用石材、素混凝土等抗压材料强度。04偏心距控制指标—偏心距越小表示压力线越接近截面形心，材料利用率越高，设计目标是将偏心距控制在核心范围内。H土木工程专业STABILITYARCHBRIDGE拱桥的稳定性问题拱桥以受压为主，稳定性是设计核心控制问题，分为面内屈曲和面外侧向屈曲两个方向；大跨拱桥需特别关注施工阶段裸拱稳定性和横向刚度保障措施。面内稳定与面外稳定面内稳定指拱圈在拱平面内的屈曲承载力，受拱的抗弯刚度、矢跨比和铰接条件影响，无铰拱稳定系数最高，三铰拱最低。面外稳定指拱圈侧向屈曲问题，对窄拱圈和大跨拱桥尤为关键，需通过横系梁、横隔板或箱形截面提高横向刚度和抗扭能力。施工阶段稳定性保障大跨拱桥施工阶段裸拱尚未形成完整结构体系，稳定性最为薄弱，需通过临时支撑、缆索扣挂或劲性骨架等措施确保安全。钢管混凝土拱桥利用钢管兼作施工模板和承重骨架，在浇筑混凝土前即具备足够刚度和稳定性，有效解决了大跨拱桥施工稳定难题。拱桥横系梁增强面外稳定性的构造示意2屈曲方向面内屈曲与面外侧向屈曲，分别控制不同截面形式的设计3施工保障措施临时支撑、缆索扣挂、劲性骨架三种典型施工稳定手段PARAMETERS矢跨比对受力的影响矢跨比(f/L)是拱桥最关键的几何参数，一般在1/5~1/10之间；矢跨比越大推力越小、轴力越大，反之推力急剧增大；需在力学、经济与使用功能间综合权衡确定最优值。矢跨比对拱桥主要力学指标的影响力学指标矢跨比大（陡拱）矢跨比小（坦拱）水平推力较小，对基础抗推要求低急剧增大，需强大基础或系杆拱圈轴力较大，以受压为主相对减小，弯矩占比增大拱圈弯矩较小，截面应力均匀增大，需更大截面抵抗弯曲墩台竖向力较大，竖向荷载集中相对分散，但水平力主导建筑高度较高，引桥或纵坡增大较低，桥面平缓适用场景山谷深沟、岩石地基平原软基、城市立交核心结论：矢跨比的选择是拱桥设计的核心决策，需在力学合理性、经济性与使用功能之间综合权衡。SectionDividerChapter02拱桥组成与分类主拱圈·拱上建筑·多维分类体系B桥梁工程STRUCTUREOverview拱桥的主要组成部分拱桥上部结构由主拱圈（承重）、拱上建筑（传力与填充）和桥面系（直接承载）三大部分组成，三者协同工作形成完整的荷载传递路径。主拱圈——核心承重构件主拱圈是拱桥的核心承重构件，以受压为主将竖向荷载转化为轴向压力传递至墩台，其截面形式、拱轴线和矢跨比决定了拱桥的力学性能。主拱圈的构造要素包括拱背、拱腹、拱顶和拱脚四个关键部位，拱脚是内力最大的控制截面，需特别加强配筋或截面尺寸。拱上建筑与桥面系拱上建筑位于主拱圈之上，分为实腹式和空腹式两种，承担将桥面荷载传递至主拱圈的功能，空腹式还能与主拱圈产生联合作用提高承载力。桥面系包括行车道板、人行道、栏杆及铺装层等，直接承受车辆和行人荷载，并通过拱上建筑或直接通过吊杆将荷载传至主拱圈。拱桥三大组成部分结构示意AARCHITECTURESTRUCTURE主拱圈的构造要素主拱圈截面厚度从拱脚向拱顶递减以适应内力分布，常见等宽变高、等高变宽等变化规律；石板拱需按拱轴线编号加工拱石。截面厚度变化规律拱圈截面从拱脚向拱顶递减以适应弯矩递减的内力分布，常见等宽变高、等高变宽和变宽变高三种方式，兼顾力学合理性与施工便利性。石板拱砌筑工艺拱石需根据拱轴线和截面形状逐块编号加工，砌筑时要求错缝排列、限制缝宽，并在拱脚设置五角石或混凝土拱座改善受力。钢筋混凝土板拱施工构造简单美观，可反复使用一套较窄拱架与模板完成全桥浇筑，也可采用分肋合龙、横向填镶砌筑等装配式方法。截面优化与经济性拱圈横截面沿跨径的变化规律直接影响材料用量、施工难度和结构自重，需通过试算优化确定最经济的截面变化方案。拱圈截面从拱脚到拱顶厚度变化的构造剖面示意A桥梁工程STRUCTURECOMPARISON拱上建筑的类型与功能实腹式拱上建筑构造简单但自重大，适用于小跨径；空腹式减轻自重并能与主拱圈联合作用提高承载力，适用于大中跨径。实腹式拱上建筑由拱腹填料、侧墙、护拱、变形缝、防水层、泄水管及桥面系组成，构造简单施工方便，但填料多、恒载重，一般用于小跨径拱桥。拱腹填料分填充式和砌筑式两种，填料厚度≥50cm时设计计算中不计汽车冲击力，起到扩散轮载的作用。空腹式拱上建筑用腹拱或梁板替代大量填料，显著减轻自重，且能与主拱圈产生联合作用提高承载能力、约束主拱圈变形，广泛用于大中跨径拱桥。现代大跨拱桥采用钢-混组合梁、钢管混凝土立柱等轻型拱上建筑，可使自重减轻35%以上，同时降低地震作用下的内力响应。空腹式拱桥腹拱与立柱构造示意A桥梁工程CLASSIFICATIONMATERIALS按建筑材料分类拱桥按材料分为圬工、钢筋混凝土、钢和钢管混凝土四类，各有适用跨径范围与技术特点。圬工拱桥圬工拱桥使用石材或素混凝土建造，可就地取材降低造价，但自重大、跨越能力有限，一般用于20米以下小跨径，代表如赵州桥。钢筋混凝土拱桥钢筋混凝土拱桥加工制造方便、工期短、跨越能力大，最大跨径已达445米（北盘江大桥），是目前应用最广泛的拱桥类型。钢拱桥钢拱桥自重轻、跨越能力大，最大跨径达552米（朝天门大桥），适用于大跨度桥梁，但对防腐维护要求高、造价相对较高。钢管混凝土拱桥钢管混凝土拱桥利用钢管约束混凝土，兼有钢材抗拉和混凝土抗压优势，钢管兼作施工模板，中国已建400余座，最大跨径575米。CLASSIFICATIONARCHBRIDGE按拱圈截面形式分类拱圈截面分为板拱、肋拱、箱形拱和双曲拱四种基本类型，各自在横向整体性、抗弯刚度、自重和施工适应性方面具有不同优势。01板拱整体矩形实体截面，横向整体性好构造简单、施工方便抗弯惯性矩较小适用于地基好的中小跨径拱桥02肋拱两条以上分离拱肋经横系梁联结抗弯惯性矩大、用料省截面可为矩形、工字形或箱形广泛用于大中跨径拱桥03箱形拱截面挖空率高、自重轻抗弯抗扭性能及整体性好可承受正负弯矩、应力均匀适用于无支架施工的大中跨径04双曲拱纵横两方向均呈弧形由拱肋、拱波、拱板和横向联系组成充分发挥预制装配优点，无需拱架整体性较弱H桥梁工程CLASSIFICATIONSTRUCTURE按铰数与车道位置分类按铰数分三铰拱、两铰拱和无铰拱，无铰拱刚度最大最常用；按车道位置分上承、中承和下承式。按铰数分类的结构体系三铰拱与两铰拱：三铰拱为静定结构，温度变化和基础沉降不产生附加内力，但构造复杂刚度低，现已较少采用；两铰拱为一次超静定，兼顾适应变形与刚度。无铰拱：三次超静定结构，刚度最大、用料最省，是大跨拱桥最常用体系，但对基础沉降敏感，需良好的地基条件。按车道位置的分类上承式：桥面位于拱圈上方，构造简单、视野开阔、施工方便，是最常见的拱桥形式，适用于山谷河流等自然地形条件较好的场合。中承式与下承式：桥面位于拱圈中部或下方，可降低桥面高度、更易满足通航净空要求，且可通过系杆平衡水平推力。上承式、中承式与下承式拱桥形式对比示意Chapter03各类常见拱桥构造特点板拱·肋拱·箱形拱·双曲拱·钢管混凝土拱·刚架拱·桁架拱·系杆拱H桥梁工程STRUCTUREARCHBRIDGE板拱桥的构造特点板拱桥采用与桥面同宽的矩形实体截面，横向整体性好、构造简单，适用于地基较好的中小跨径桥梁，跨径一般不超过30米。截面特征：主拱圈采用与桥面同宽的矩形实体截面，横向整体性好、构造简单施工方便，但抗弯惯性矩较小，材料利用率低于肋拱和箱形拱。石板拱砌筑：拱石逐块编号加工、错缝砌筑并限制缝宽，拱脚设五角石或混凝土拱座改善受力，砂浆强度应低于拱石以保证应力均匀传递。钢筋混凝土板拱：构造简单美观，可反复使用窄拱架与模板完成全桥浇筑，也可采用分肋合龙、横向填镶等装配式方法降低成本。窄拱圈方案：将人行道悬出或采用梁式腹孔的空腹式拱上建筑，减少拱圈宽度和墩台尺寸，适用于中等跨径且需控制下部工程量的场合。传统石板拱桥拱石砌筑构造STRUCTURE肋拱桥的构造特点肋拱桥以分离拱肋为主拱圈，通过横系梁联结保证整体性和横向稳定，自重轻、恒载内力小，已取代板拱成为大中跨径拱桥的主流选择。主拱圈构成：用两条以上分离拱肋作为主拱圈，通过横系梁或横隔板联结成整体，使各拱肋共同受力并增强横向稳定性，自重轻、恒载内力小。拱肋截面形式：有矩形、工字形、箱形和管形等，箱形拱肋抗扭性能好、整体性强适用于大跨径，矩形和工字形多用于中小跨径钢筋混凝土拱桥。横向稳定要求：两外侧拱肋最外缘间距一般不宜小于跨径的1/15，间距不足时需增设横撑或采用箱形截面提高抗扭刚度。横系梁布置：通常布置在拱顶、腹拱墩下方及分段吊装的拱肋接头处等关键位置，施工阶段提高裸拱肋横向稳定性，运营阶段使各拱肋受力均匀。肋拱桥拱肋与横系梁联结构造STRUCTUREBRIDGEENGINEERING箱形拱桥的构造特点箱形拱截面挖空率高、自重轻、抗弯抗扭性能优异，特别适合无支架施工的大中跨径拱桥。箱形截面的力学优势箱形截面挖空率高、自重轻，同时具备优异的抗弯、抗扭性能和整体性，截面应力分布均匀，可承受正负弯矩，材料利用效率远高于实心截面。闭合箱体的薄壁结构在受压时具有良好的局部稳定性，配合合理的加劲肋布置，可实现轻量化与大承载力的统一。施工适应性与典型案例箱形拱特别适合无支架施工，可由多个预制U形或I形构件拼装后现浇顶板形成闭合箱体，也可整体预制箱段吊装拼接。重庆万县长江大桥主跨420米，采用钢管混凝土劲性骨架外包C60高强混凝土的单箱三室截面，是当时世界最大跨径钢筋混凝土拱桥。箱形拱桥截面形式与预制拼装施工STRUCTUREDOUBLE-CURVEARCHBRIDGE双曲拱桥的构造特点双曲拱桥是中国原创桥型，主拱圈由拱肋、拱波、拱板和横向联系四部分组成，"化整为零"预制装配施工无需拱架，但整体性较弱。原创桥型起源：1964年由江苏无锡首创，主拱圈由纵向拱肋、横向拱波、拱板和横向联系四部分组成，纵横两方向均呈弧形曲线，是中国桥梁工程的原创贡献。化整为零施工：拱肋既是施工阶段的拱架又是运营阶段的主要承重部件，拱波不仅是承重组成部分还是浇筑拱板的模板，实现了预制装配再集零为整的施工理念。横向联系构件：横系梁和横隔板布置在拱顶、腹拱墩下方及分段吊装接头处，施工阶段提高裸拱肋横向稳定性，运营阶段使活载下受力均匀。组合受力局限：主拱圈分期形成呈现组合结构受力特征，整体性较弱，在地震荷载下容易破坏，现已逐步被新型拱桥替代。双曲拱桥拱肋与拱波组合构造示意STRUCTURECONSTRUCTION钢管混凝土拱桥构造钢管混凝土利用钢管套箍约束使混凝土三向受压，大幅提高强度和延性；中国已建400余座，最大跨径575米。组合机理与截面形式套箍效应：钢管对核心混凝土产生套箍约束作用，使混凝土处于三向受压状态，抗压强度和延性大幅提高，同时钢管自身承担拉力，实现两种材料的优势互补。截面形式：拱肋截面有单管、哑铃形、多管桁式和集束管等，多管桁式截面抗弯刚度大、整体性好，适用于特大跨径。施工优势与工程成就施工便利：钢管兼作施工模板和承重骨架，浇筑前即具备足够刚度，可采用缆索吊装、转体施工等方法，有效解决大跨拱桥无支架施工难题。工程规模：中国已建和在建钢管混凝土拱桥超400座，跨径超200米的有50余座，平南三桥主跨575米为世界最大跨径。钢管混凝土拱肋截面形式示意400+已建及在建（座）575m世界最大跨径50+跨径超200米（座）B桥梁工程STRUCTUREBRIDGETYPE刚架拱桥的构造特点刚架拱桥外形似斜腿刚架，属有推力高次超静定结构，大部分构件偏心受压无纯拉杆件，经济性好，适用跨径25-70米。01结构体系与构件组成刚架拱桥属有推力高次超静定结构，刚架拱片是拱肋与拱上建筑的整体承重结构，由实腹段、拱腿、弦杆、斜撑和节点五个构造要素组成。大部分构件处于偏心受压状态，没有纯拉构件，能有效利用混凝土抗压能力；与桁架拱相比混凝土和钢筋用量均可减少。02构造细节与适用范围实腹段占净跨径0.4-0.5倍，下缘曲线常采用二次抛物线；拱腿可为直杆或微曲杆；大小节点处杆件边缘应弧线过渡并设包络钢筋。理想跨径范围25-70米，小于30米可不设斜撑；施工方法灵活包括预制吊装、悬臂拼装和转体施工。刚架拱桥结构立面示意图25-70m适用跨径范围5要素构造组成要素0.4-0.5实腹段占比H桥梁工程STRUCTURETRUSSARCHBRIDGE桁架拱桥的构造特点桁架拱桥兼具拱的受压特性和桁架的高效传力机制，结构高度小、自重轻、跨越能力大；预应力技术是关键创新。1桁架构造体系—拱圈设计为桁架形式，由上弦杆、下弦杆、腹杆和节点组成，兼具拱的受压特性和桁架的高效传力机制，结构高度小、自重轻。2连接方式分类—分铰接和刚接两种：铰接杆件端部次应力较小、计算简化；刚接整体性更好但次应力较大。3预应力创新—在受拉弦杆和弯矩较大截面施加预应力，可有效控制裂缝宽度、提高截面刚度和结构耐久性。4标准化应用—各杆件受力明确、便于计算分析，适合预制生产，在六七十年代公路和市政建设中广泛应用。桁架拱桥结构示意图H桥梁工程STRUCTURETIED-ARCHBRIDGE系杆拱桥的构造特点系杆拱通过系杆平衡水平推力，使墩台仅受竖向荷载，属外部静定无推力体系，特别适用于软基和城市立交。无推力体系原理与分类系杆拱通过在拱脚间设置系杆平衡主拱水平推力，使墩台仅承受竖向荷载，属外部静定、内部超静定的无推力体系。按拱肋和系杆相对刚度分柔性系杆刚性拱、刚性系杆柔性拱和刚性系杆刚性拱三种，刚性系杆刚性拱整体性最好。飞燕式拱桥与工程案例飞燕式拱桥边跨拱肋像燕子翅膀向外延伸，通过张拉系杆平衡主拱推力，大大降低平原或软基地区下部工程量与造价。广州丫髻沙大桥主跨360米、跨径组合76+360+76米，是飞燕式拱桥里程碑工程；武汉江汉五桥等也是成功实践。飞燕式系杆拱桥外观与系杆构造示意CONSTRUCTIONBRIDGEENGINEERING中承式与下承式拱桥构造中承式和下承式拱桥降低桥面高度、满足净空要求并保持拱的基本力学特性；需特别关注吊杆防腐、疲劳和风致振动稳定性。中承式拱桥构造要点结构组成：桥面系一部分用吊杆悬挂在拱肋下、一部分用刚架立柱支承在拱肋上，由拱肋、悬吊结构和横向联结系三部分组成。横向稳定：车辆在两片拱肋之间行驶，需用吊杆将纵横梁系统悬挂在拱肋下并支承车道板，需保证足够的横向刚度和稳定性。下承式拱桥与典型案例传力机制：桥面完全悬挂在拱肋下方，全部通过吊杆传力，需设置强大的端横梁和纵梁系统分配荷载，通常配合系杆平衡水平推力。经典工程：重庆朝天门大桥主跨552米为世界最大跨径钢桁拱桥，采用中承式设计连通城市道路与轨道交通；卢浦大桥550米同为经典案例。CASESTUDY典型工程案例对比分析全球跨度前十拱桥中7座在中国，涵盖钢桁拱、钢箱拱、钢管混凝土拱和钢筋混凝土拱四种类型。全球跨度前十位拱桥技术参数排名桥名跨径(m)主拱材料主拱结构国家1朝天门大桥552钢材桁架中国2卢浦大桥550钢材箱拱中国3合江长江一桥530钢和混凝土钢管混凝土中国4新河谷大桥518钢材桁架美国5贝永大桥504钢材桁架