桥梁工程课件-第3篇-混凝土拱桥(新)

第三篇混凝土拱桥内容提要•拱桥概述（发展、特点及分类）•拱桥的构造及设计•混凝土拱桥的计算•混凝土拱桥的施工简介第一章拱桥概述第一节拱桥的发展及现状拱桥石拱木拱国内铸铁拱钢拱钢砼拱石拱木拱双曲拱桁架拱钢砼拱刚架拱桁式组合拱钢管混凝土拱新型组合体系拱国外18世纪19世纪196470年代80年代80年代中古代拱桥拱轴曲线造型千变万化，其中最具代表性的是建于公元595-605年的赵州桥，跨径37m。当代拱桥结构形式与施工方法丰富多彩如：1997年建成的重庆万县长江大桥（跨径420m），2000年建成的广州丫髻沙特大桥（跨径360m），2003年建成的上海卢浦大桥（跨径550m）。重庆万县长江大桥广州丫髻沙特大桥上海卢浦大桥2003.6.28建成，总投资22亿余元。全长3900米，主桥长750米，为全钢结构。其中主跨直径达550米，居世界同类桥梁之首，被誉为“世界第一钢拱桥”。第二节拱桥的主要特点拱式结构将桥面的竖向荷载转化为一部分水平推力，拱圈截面的弯距大大减小，拱主要承受压力。1、拱桥的力学特点2、拱桥的优缺点优点跨越能力较大可节省大量钢材和水泥耐久性好，维护费用少形式多样，外型美观缺点跨径大时，自重较大水平推力的存在增加了下部结构工程量多孔连续拱桥互相影响，需采用复杂措施上承式拱桥建筑高度大，可能增加纵坡拱桥的缺点正在逐步得到克服：200~600m范围内，拱桥仍然是斜拉桥和悬索桥的竞争对手。1、拱桥的主要组成第三节拱桥的组成及分类拱桥上部结构下部结构桥墩基础桥台拱圈最高处称拱顶，拱圈与墩台连接处为拱脚（或称起拱面）。拱圈横截面形心的连线称拱轴线，拱圈上曲面称拱背，下曲面称拱腹，起拱面与拱腹的交线称起拱线。主拱圈（主要承重结构）拱上建筑（桥面系与拱上填充物）拱桥的主要组成部分拱桥的主要技术名词净跨径（l0）每孔拱跨两个起拱线之间的平距计算跨径（l）相邻两拱脚截面形心之间的平距（即拱轴线两端点之间的平距）净矢高（f0）拱顶截面下缘至起拱线连线之间的垂距计算矢高（f）拱顶截面形心至相邻两拱脚截面形心之连线的垂距矢跨比（D或D0）又称矢度，计算矢高与计算跨径之比（D=f/l）或净矢高与净跨径之比（D0=f0/l0）坦拱:D＜1/5陡拱:D≥1/52、拱桥的分类拱桥按材料按拱上建筑按桥面位置按截面形式按拱圈线形按受力图示圬工拱(小跨径)钢砼拱(广泛采用)钢拱(大跨径)组合拱(新形式)上承式、中承式、下承式圆弧拱、抛物线拱、悬链线拱实腹式、空腹式板拱、板肋拱、肋拱、箱形拱双曲拱、钢管砼拱、劲性骨架简单体系拱、组合体系拱①板拱桥主拱圈截面采用矩形实体截面的拱桥称板拱桥，在中、小跨径的圬工拱桥中采用。在较薄的拱板上增设纵向肋以提高拱圈抗弯刚度，即构成板肋拱。（1）按主拱圈截面形式分类②肋拱桥肋拱桥是将板拱划分成多条分离的、截面高度较大的拱肋，肋间用横系梁联结。这种形式以较小的截面面积获得较大的截面抵抗矩，减轻了结构自重，多用于大、中跨径的拱桥。③双曲拱桥主拱圈截面由一个或多个横向拱波组成，即主拱圈的纵横向均呈曲线形，因而称双曲拱桥。其截面抵抗矩比板拱大，可节省材料。但施工繁冗、整体性差、易开裂，一般用于中、小跨径拱桥。④箱形拱桥箱形拱桥主拱圈截面挖空，以较少的材料可获得较大的截面抵抗矩，减轻自重，节省材料。箱形截面抗扭刚度很大，整体性和稳定性都较好，但施工制作较复杂。适用于大跨径拱桥。拱桥的截面形式河南前河桥，我国跨径最大的双曲拱150m箱形拱闭合箱的构造⑤钢管混凝土拱桥钢管混凝土简称CFST（ConcreteFillledSteelTube，即在薄壁圆形钢管内填充混凝土而形成的复合材料）,为钢−砼组合结构的一种。其核心砼为三向受压，抗压能力和抗变形能力都很大，最大跨径已达460m（重庆巫山长江大桥）。⑥劲性骨架混凝土拱桥劲性骨架混凝土拱桥以钢骨拱桁架作为受力筋，钢骨可以是型钢或钢管，其特点相当于内填外包型钢管砼拱。自重轻、刚度大、承载力高，最大跨径已达420m（重庆万县长江大桥）。重庆巫山长江大桥钢管混凝土中承式拱桥。2005.1.8竣工，总投资1.96亿元。净跨460m，是世界上跨径最大的钢管混凝土拱桥。（2）按结构受力图示分类三铰拱（构造复杂，刚度小，较少采用）两铰拱（刚度较大，用于地基较差时）无铰拱（整体刚度大，对地基要求高）单铰拱（极少采用）无推力拱（有系杆）有推力拱（无系杆）倒蓝格尔拱（刚梁柔拱）倒洛泽拱（刚梁刚拱）系杆拱（柔杆刚拱）蓝格尔拱（刚杆柔拱）洛泽拱（刚杆刚拱）尼尔森拱（采用斜吊杆时）简单体系（有推力）组合体系拱片桥（上缘与桥面纵向平行，下缘为拱形的结构）第四节拱桥的构造特点1、上承式拱桥刚架拱桁架拱主拱普通型整体型拱上建筑拱式拱上建筑梁式拱上建筑其他构造拱上填料及桥面系伸缩缝与变形缝排水与防水层铰设置板拱、肋拱、箱形拱、双曲拱斜腹杆式、竖腹杆式、桁肋式、组合式简支、连续、框架式腹孔弧铰、平铰、钢铰、铅垫铰等拱肋：两个分离式无铰拱2、中、下承式拱桥横向联系：横撑、对角撑、空格式构造悬挂结构：吊杆、横梁、纵梁、桥面系（联梁式）3、拱式组合体系桥简支梁拱组合式：无推力结构，只用于下承式连续梁拱组合式：上、中、下承式；单、双、多肋拱单悬臂组合式：将实腹梁挖空，只适用于上承式一般由拱肋、系杆、吊杆（或立柱）、行车道梁（板）及桥面系组成。第二章拱桥的设计要点第一节拱桥的总体布置拱桥的总体布置包括：拟定结构体系和形式；拟定桥梁长度、跨径、孔数、拱的主要尺寸、桥梁高度、墩台及基础形式、桥面纵横坡等。总长（根据泄洪总跨径）检查、调整孔数（根据通航、地形、地质等）桥面高程拱顶底面高程起拱线高程桥面高程−拱顶填料厚度−主拱圈厚度由冲刷深度、地基承载力等因素确定基础底面高程由矢跨比要求确定由两岸线路纵断面控制确定桥梁长度及分孔确定桥梁设计高程确定桥梁矢跨比拱桥的总体布置板拱、双曲拱D=1/4～1/6≥1/8钢砼拱D=1/6～1/10≥1/12箱形拱D=1/6～1/8第二节不等跨连续拱的处理方法选用原因：受地形、地质、通航等条件的限制，考虑纵坡协调，或对桥型有特殊要求处理目的：减小不等跨恒载产生的不平衡推力处理依据：水平推力大小与矢跨比成反比1、采用不同的矢跨比在相邻两孔中，大跨径用较陡的拱（矢跨比D较大），小跨径用较坦的拱（矢跨比D较小）。2、采用不同的拱脚高程不同的矢跨比使得相邻两孔拱脚高程不在同一水平线上。大跨孔的矢跨比较大，应降低其拱脚，减小拱脚水平推力对基底的力臂。3、调整拱上建筑的恒载质量考虑桥型需要，必须使相邻两孔的拱脚放置于同一水平线上时，也可调整拱上建筑的质量。大跨径孔：轻质拱上填料或空腹式拱上建筑小跨径孔：重质拱上填料或实腹式拱上建筑4、采用不同类型的拱跨结构大跨径孔：采用分离式肋拱或薄壁箱拱小跨径孔：采用板拱或厚壁箱拱具体设计中，可同时采用上述几种措施。若仍不能平衡水平推力，也可采用其他方式如加大桥墩（台）和基础尺寸，或做成不对称墩。第三节拱轴线的选择拱轴线的形状：①直接影响着拱圈的承载能力；②影响结构耐久性、经济合理性和施工安全性等。理想拱轴线：①与拱上各种荷载作用下的压力线相吻合；②拱圈截面只受轴向压力，而无弯矩作用，充分利用圬工材料的抗压性能。但理想拱轴线并不存在。一般地，以结构重力压力线作为设计拱轴线，可以认为是基本适宜的。1、拱轴线选取应满足的要求①尽量减小拱圈截面的弯矩，使主拱圈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；②对于无支架施工的拱桥，应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线型美观，便于施工。2、常用的拱轴线形（1）圆弧线（2）悬链线（3）抛物线均布径向荷载作用下（如水压力）拱的合理拱轴线。实腹式拱桥恒载作用下的合理拱轴线。竖向均布荷载作用下拱的合理拱轴线。◆小跨径拱桥：实腹式圆形拱或实腹式悬链线拱；◆大、中跨径拱桥：空腹式悬链线拱；◆轻型拱桥或矢跨比较小的大跨径钢筋混凝土拱桥:抛物线拱。第四节拱圈截面的变化规律和尺寸拟定1、主拱圈的截面形式•等截面•变截面：宽度b不变，高度h变化（hd、hj）；高度h不变，宽度b变化（bd、bj）。拱圈截面变化规律可按下式计算：I——拱圈任意截面惯性矩；Id——拱顶截面惯性矩；n——拱厚变换系数：空腹式拱n=0.3～0.5，实腹式拱n=0.4～0.6，钢砼拱n=0.5～0.8；矢跨比D较小时，n取较小值，反之取较大值；ξ——横坐标参数，ξ=2x/l；φ——任意截面处拱轴线的水平倾角。2、主拱圈的截面尺寸拟定（1）主拱圈宽度中、小跨径桥：拱圈宽度=桥面净空宽度−栏杆宽大跨径桥或特宽桥：拱圈宽度＜桥宽主拱圈宽度一般≥l/20。《桥规》规定当主拱圈宽度＜l/20时，则应验算拱的横向稳定性。（2）主拱圈厚度中、小跨径桥：d——主拱圈厚度（cm）；l0——主拱圈净跨径（cm）；β——系数，一般取4.5～6.0；k——荷载系数，一般取1.0～1.2。①石拱桥大跨径石拱桥：β1——系数，一般取0.016～0.02。②箱形拱、双曲拱、桁架拱和刚架拱桥确定箱形拱、拱肋中距≯2.0m的双曲拱、拱片中距≯3.0m的桁架拱和刚架拱时，由如下经验公式计算主拱圈厚度：d——主拱圈（肋）厚度（cm）；a、b——系数，a、b、k的关系见下表。双曲拱桥a、ba=35，b=100k1.0～1.4桁架拱桥a、ba=20，b=70k1.0～1.2箱形拱桥a、ba=35，b=100k1.0a、b、k系数表第三章拱桥的计算第一节上承式拱桥计算概述拱桥计算拱桥施工成桥状态受力分析强度、刚度和稳定验算施工阶段结构受力分析验算总体布置细部尺寸施工方案本节讨论普通型上承式拱桥的计算，为简化分析，一般偏于安全地不考虑“拱上建筑与主拱的联合作用”。◆在桥梁的横断面上都会出现应力分布的不均匀现象，称为“活载的横向分布”。◆拱上建筑为墙式墩的板拱（包括双曲板拱、箱形截面板拱），如活载横向布置不超过拱圈以外，活载可均匀分布于拱圈全宽。◆拱上建筑为立柱排架式墩的板拱，以及横向由多个构件组成的肋拱，应考虑荷载横向分布影响。◆双肋拱桥，一般用杠杆原理法计算；◆拱上建筑为立柱排架式的拱桥，可按弹性支承连续梁（横梁）计算活载的横向分布系数。1、圆弧线拱第二节拱轴方程的建立圆弧线拱常用于15～20m以下的小跨径。圆弧线拱示意图圆弧线的拱轴方程为：或2、抛物线拱抛物线拱的拱轴方程为：3、实腹式悬链线拱实腹式悬链线拱采用结构自重压力线（不计弹性压缩）作为拱轴线，其结构自重分布规律如图（b）。现以拱顶O为原点，建立图（b）所示的xOy1坐标系，推导实腹式悬链线拱轴方程。设拱轴线即为结构自重压力线，则在结构自重作用下：∑Mj——半拱结构自重对拱脚截面的弯矩；Hg——拱的结构自重水平推力（不考虑弹性压缩）；f——拱的计算矢高。①（1）拱轴方程的确定◆拱顶截面弯矩Md=0◆拱顶剪力Qd=0◆拱顶截面仅有结构自重推力Hg自重压力线的特点结构对称性对拱脚截面取矩，有对任意截面取矩，可得任意点纵坐标y1为：Mx——任意截面以右的恒载对该截面的弯矩；将②式两边对x求二阶导数，可得：③式即为结构自重压力线的基本微分方程。自重压力线基本方程②自重压力线基本微分方程③gd——拱顶处结构自重集度；γ0——拱上材料的平均重度。令gj——拱脚处结构自重集度。由图（b）可知，任意点结构自重集度gx为：④拱轴系数m的定义⑤则⑥于是⑦将⑦式代入④式并整理，可得⑧将⑧式代入基本微分方程③式，并引入参数x=ξl1，则dx=l1dξ，可得：⑨令则⑩⑩式为二阶非其次常系数线性微分方程，解之得拱轴线方程为一悬链线：拱轴方程对于拱脚截面，ξ=1，y1=f，则chk=m，于是可求得系数k为由拱轴方程式知，当矢跨比f确定后，拱轴线纵坐标y1取决于拱轴系数m（可查表确定）。抛物线拱轴方程的另一种推导由⑧式可知，当m=1时，gx=gd，表示结构自重为均布荷载。将m=1代入⑨式，得k=0，将之代入⑩式，即得微分方程：(a)易知微分方程(a)的通解为：(b)显然，由图b可知，ξ=0时，y1=0且y1'=0，则C1=C2=0，