桥梁工程 第三篇_拱桥1 (3)

第三篇混凝土拱桥第二章拱桥的构造及设计§2.1上承式拱桥的构造与设计土建学院桥梁工程系分为两大类：普通型上承式拱桥，由主拱（圈）、拱上传载构件、桥面系组成，主拱（圈）是主要承重结构；整体型上承式拱桥，由主拱片（指由拱圈与拱上传载构件组成的整体结构）和桥面系组成，主拱片是主要承重结构。一、主拱的构造与尺寸拟定普通型上承式拱桥根据主拱（圈）截面型式不同可分为：1）板拱2）板肋拱3）肋拱4）双曲拱5）箱型拱整体式上承式拱桥1）桁架拱桥2）刚架拱桥1普通型上承式拱桥1）板拱按照主拱所用的建筑材料划分，板拱又可分为石板拱、混凝土板拱和钢筋混凝土板拱等。（1）石板拱:料石、块石和砖石等截面圆弧拱的拱石编号变截面拱圈的拱石编号用于拱圈砌筑的石料应要求石质均匀，不易风化和无裂纹。石料强度等级不得低于C30。拱圈砌筑应满足下列构造要求：①错缝；②限制砌缝宽度；③设五角石。（2）混凝土板拱：素混凝土板拱、钢筋混凝土板拱素混凝土板拱整体现浇：拱内收缩应力大，受力不利，同时，拱架、模板木材用量大，工期长，质量不易控制，故较少采用；预制砌筑：将混凝土板拱划分成若干块件，然后预制混凝土块件，最后进行块件砌筑成拱。预制砌块在砌筑前应有足够的养生期，以消除或减少混凝土收缩的影响。钢筋混凝土板拱板厚较小，构造简单、外表整齐、轻巧美观。钢筋混凝土板拱的横断面拱圈高度可按跨径的1/60～1/70初拟。2）肋拱肋拱桥是由两条或多条分离的拱肋、横系梁、立柱和由横梁支承的行车道部分组成。肋拱桥立面布置图拱肋是主要承重结构，可由混凝土、钢筋混凝土、钢管混凝土、劲性骨架混凝土做成，宜采用少肋型式。上下游拱肋最外缘的间距一般不宜小于跨径的1/20，以保证肋拱的横向整体稳定性。拱肋的截面型式分为实体矩形、工字形、箱形、管形和劲性骨架混凝土箱形等。矩形截面肋高可取跨径的1/40～1/60，肋宽可为肋高的0.5～2.0倍。工字形截面肋高一般为跨径的1/25～1/35，肋宽约为肋高的0.4～0.5倍，腹板厚度常为30cm～50cm。管形肋拱是指采用钢管混凝土结构作为拱肋的拱桥，其肋高与跨径之比常在1/45～1/65之间。3）箱形拱主拱圈截面由多室箱构成,主要特点是：箱形拱拱圈断面示意截面挖空率大，减轻重量；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，能较好地适应主拱圈各截面正负弯矩变化的需要；拱圈的整体性好，应力分布较均匀；单条箱肋刚度较大，稳定性较好，能单箱肋成拱，便于无支架吊装；制作要求较高，吊装设备较多，主要用于大跨径拱桥。拟定箱形拱截面尺寸主要包括拱圈的高度、宽度、箱肋的宽度以及顶底板、腹板尺寸。初拟拱圈的高度时，拱圈高度可取跨径的1/55～1/75，或者按如下经验公式估算：1000lh箱形拱闭合箱的构造一般希望拱宽不小于跨径的1/20。修建箱形拱，可以采用预制拱箱无支架吊装或有支架现场浇筑等施工方法。若采用无支架施工时，拱箱可分段预制，当吊装能力很大时，可以采用封闭式拱箱，这样可以增加拱箱在施工过程中的整体稳定性，减少施工步骤。其具体过程为：在横向将拱截面划分为多条箱形肋，在纵向将箱形肋分段，先预制各箱肋段，然后安装各箱肋段成拱，最后现浇各箱肋间的填缝混凝土形成箱形拱。4）双曲拱桥由拱肋、拱波、拱板和横向联系等几部分组成双曲拱桥主拱圈横断面双曲拱桥的主要特点是将主拱圈以“化整为零”的方法按先后顺序进行施工，再以“集零为整”的组合式整体结构承重。双曲拱桥主拱圈截面型式拱肋是双曲拱桥主拱圈的骨架，它不仅参与拱圈共同承受全部恒载和活载，而且在施工过程中起砌筑拱波和浇筑拱板的支架作用，当拱波、拱板完成后，拱肋成为主拱圈的重要组成部分。拱肋的设计，必须保证具有足够的强度和刚度。常用的拱肋截面形式有矩形、倒T形（凸形）、槽形和工字形等拱肋一般为钢筋混凝土构件，常采用预制安装的方法施工。分段数目和长度应根据桥梁跨径大小、运输设备和吊装能力等条件来考虑。由于拱顶往往是受力最不利的截面，因此拱肋分段时接头不宜布置在拱顶。拱肋分段的接头位置双曲拱桥主拱圈截面高度一般为跨径的1/40～1/55，跨径大者取小值。为使拱肋的变形在横桥方向均匀，避免拱波顶可能出现纵向裂缝，需在拱肋间设置横向联系。常用的型式有横系梁和横隔板，通常布置在拱顶、腹孔墩下面、分段吊装的拱肋接头处等，间距一般为3~5m，拱顶部分可适当加密。桁架拱桥的主要组成部分2整体型上承式拱桥1）桁架拱桥桁架拱桥是一种有水平推力的桁架结构，其上部结构由桁架拱片、横向联结系和桥面组成。桁架拱片是主要承重结构，由上、下弦杆、腹杆和实腹段组成。1）结构型式分为斜（腹）杆式、竖（腹）杆式、桁肋式和组合式四种。斜（腹）杆式三角形腹杆的桁架拱片，腹杆根数少，杆件的总长度最短，因此腹杆用料省，整体刚度较大竖（腹）杆式外形美观，节点构造简单，施工较方便，但整体刚度较小，竖杆与上、下弦杆连接的节点处易开裂，故适用于荷载小、跨径较小的桥梁桁肋式实质上为普通型上承式拱桥，仅是将主拱圈改为桁架结构。桁肋自重轻，吊装方便，适宜于无支架施工。但由于桁架在拱脚处固结，基础变位、温度变化和混凝土收缩徐变引起的附加内力较大，拱脚上弦杆易开裂。组合式上弦杆在墩（台）顶部至拱顶之间适当位置断开，形成一条断缝（即断点），从断点至墩（台）顶部形成一个悬臂桁架（与墩（台）固结），跨间两断点之间为一普通桁架拱，全桥下弦杆保持连续。桁式组合拱常用于100m以上的特大型预应力混凝土拱桥，设断缝对减小由于日照温差引起的附加内力有好处。2）结构特点承重结构（桁架拱片）在施工期间单独受力，在竣工后与桥面板共同受力。桁架拱在荷载作用下具有水平推力，具有拱的受力特点。相当于拱上结构与拱肋连成整体，拱与拱上结构共同受力，相当于加大了拱圈高度，各杆件又主要承受轴力，所以又具有桁架的受力特点。由于桁架拱外部通常采用两铰结构，因而基础位移、温度变化等产生的附加内力较小，适合软弱地基需要。3）结构构造(1)桁架拱片桁架段实腹段节间大小节点片数及间距矢跨比（2）横向联系（3）桥面系（4）桁架拱片与墩台的连接桁架段桁架拱片中下弦杆为主要受压构件，应有足够的截面积，下弦杆多用矩形截面，其高度可为净跨径的1/80～1/100。桁架拱片宽度在25cm～50cm之间，可为等截面，也可是变截面。上弦杆的断面型式跟桥面板构造有关。当采用空心板时，上、下弦可采用矩形截面；当采用微弯板时，则需采用凸形（边肋为L形）。腹杆常用矩形截面，高度一般为下弦杆高度的1/1.5～1/2，对受压腹杆宜用工字形截面。实腹段实腹段长度与拱底曲线有关。陡拱时，实腹段就短，坦拱时则长。在确定其长度时还应考虑实腹段与桁架段之间强度与刚度的差别、外观上的协调以及要便于施工的要求。通常，实腹段长度在计算跨径的0.3～0.5倍之间，实腹段跨中截面高度（包括桥面板在内）与跨径、矢跨比、拱片数（或间距）等有关，初拟时可取为净跨径的1/40～1/50。节间大小桁架拱片的节间大小与上弦杆局部受力有关。节间大，节点就少，结构简化，但上弦杆需增大截面和自重，所以，节间长度一般不大于计算跨径的1/8～1/12。对斜杆式桁架拱，还应使其与上弦杆的夹角在30°～50°之间，以避免产生过大的内力和变形，这就要求节间长度自端部向拱顶递减。节点桁架拱片杆件的节点是一个很重要的部位，其构造和型式随拱跨大小、腹杆布置方式等有所不同。节点的构造应保证足够的强度和符合构造要求。桁架拱片各杆件的轴线应于节点处相交，以免产生附加弯矩；相邻杆件外缘交角应以圆弧或曲线过渡，过渡段内不得出现锐角与直角，避免应力集中。矢跨比桁架拱片矢跨比的确定应从桥址情况、桥下净空、桥面标高、构造型式、受力与施工诸方面综合考虑确定。当矢跨比小时，立面外形轻巧美观，腹杆较短，刚度大，吊装质量轻，节省材料。但矢跨比越小水平推力就越大，造成墩台负担增大。当矢跨比大时，则情况相反。一般其净矢跨比在1/6～1/10之间选用。2）刚架拱桥刚架拱桥的上部结构由刚架拱片、横向联结系和桥面等部分组成。拱片是刚架拱桥的主要承重结构，一般由跨中实腹段的主梁、空腹段的次梁、主拱腿（主斜撑）、次拱腿（次斜撑）等构成，与桥面板一起形成刚架拱的主拱片。主梁和主拱腿的交接处称为主节点，次梁和次拱腿的交接处称为次节点。节点构造一般均按固结设计。刚架拱桥属于有推力的高次超静定结构，具有构件少、质量轻、整体性好、刚度大、施工简便、造价低、造型美观等优点，可在软土地基上修建，被广泛用于跨径为25m～70m的桥梁。二、拱上建筑构造按照拱上建筑采用的不同构造方式，分为：实腹式拱上建筑空腹式拱上建筑（一）实腹式拱上建筑实腹式拱上建筑构造简单，施工方便，填料数量较多，恒载较重。实腹式拱上建筑由拱腹填料、侧墙、护拱、变形缝、防水层、泄水管以及桥面系组成。拱腹填料分为填充式和砌筑式两种。填充式拱腹填料应尽量做到就地取材，通常采用透水性好、土侧压力小的砾石、碎石、粗砂或卵石类粘土等材料，或其它轻质材料。侧墙是围护拱腹上的散粒填料，设置在拱圈两侧，通常采用浆砌块、片石、料石、钢筋混凝土等。护拱设于拱脚段，以便加强拱脚段的拱圈，同时，便于在多孔拱桥上设置防水层和泄水管，通常采用浆砌块、片石结构。（二）空腹式拱上建筑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。拱式拱上建筑根据腹孔构造，可分为拱式拱上建筑和梁式拱上建筑两种。1、腹孔1）拱式拱上建筑拱式拱上建筑构造简单，外形美观，但重量较大、一般用于圬工拱桥。腹孔一般对称布置在靠拱脚侧的一定区段内，其长度约为跨径的1/3～1/4。对于中小跨径拱桥，腹孔跨数以3～6孔为宜。腹孔跨径，对中小跨径拱桥一般选用2.5m～5.5m，对大跨径拱桥则控制在主拱跨径的1/8～1/15之间。2）梁式拱上建筑简支腹孔（纵铺桥道板梁）由底梁（座）、立柱、盖梁和纵向简支桥道板（梁）组成。这种型式的结构体系简单，基本上不存在拱与拱上结构的联合作用，受力明确，是大跨径拱桥拱上建筑主要采用的型式。连续腹孔（横铺桥道板梁）连续腹孔由立柱、纵梁、实腹段垫墙及桥道板组成。先在拱上立柱上设置连续纵梁，然后再在纵梁上和拱顶段垫墙上铺设横向桥道板，形成拱上传载结构，这种型式主要用于肋拱桥。其特点是桥面板横置，拱顶上只有一个板厚（含垫墙）及桥面铺装厚，建筑高度很小，适合于建筑高度受限制的拱桥。框架腹孔在横桥向根据需要需设置多片，每片通过系梁形成整体。2、腹孔墩腹孔墩可分为横墙式或排架式两种。1）横墙式一般用圬工材料砌筑或现浇混凝土形成。2）排架式由立柱和盖梁组成的钢筋混凝土排架结构。图4-21拱上结构变形示意图图4-22立柱的联结方式固结铰变形缝因温度升高产生的变形单边承载时的变形整体的钢筋混凝土空腹式拱桥，在活载或温度变化等因素作用下将引起拱上结构变形，在腹孔墩中产生附加弯矩，从而导致节点附近产生裂缝。可以将腹孔墩的上下端设铰，使它成为仅受轴向压力的受力构件，以改善拱上建筑腹孔墩的受力情况。为了简化构造和方便施工，一般高立柱仍可采用固结形式，而只将靠近拱顶处的1～2根高度较小的矮立柱上、下端设铰。三、其他细部构造拱上填料、桥面及人行道伸缩缝与变形缝排水与防水层拱桥中铰的设置（一）拱上填料、桥面及人行道拱上建筑中的填料，一方面可以扩大车辆荷载作用的面积，同时还可以减小车辆荷载对拱圈的冲击，但也增加了拱桥的恒载重量。主拱圈及腹拱圈的拱顶处，填料厚度（包括路面厚度）均不宜小于30cm；当拱上填料厚度（包括桥面铺装厚度）等于或大于50cm时，设计计算中不计汽车荷载的冲击力。（二）伸缩缝与变形缝使结构的计算图式尽量与实际的受力情况相符合，避免拱上建筑的不规则开裂，以保证结构的安全使用和耐久性。通常是在相对变形（位移或转角）较大的位置设置伸缩缝，而在相对变形较小处设置变形缝。（三）排水与防水层桥面雨水的排除，除了桥梁设置纵坡和桥面设置横坡外，一般还沿桥面两侧缘石边缘设置泄水