第二章 钢拱桥

第二章钢拱桥§2-1钢拱桥的发展及分类§2-2拱梁组合体系桥§2-3钢拱桥的构造第一节钢拱桥的发展及分类一、钢拱桥的发展建桥材料的发展：铸铁拱桥—锻铁拱桥—钢拱桥钢拱桥跨越能力的发展：钢拱桥发展史上的里程碑——美国纽约狱门桥；20世纪跨径超过500m的三座钢拱桥—美国贝永桥、新河谷大桥、澳大利亚悉尼港湾大桥；21世纪典型的钢拱桥——韩国傍花大桥。钢拱桥施工方法的发展：悬臂施工、缆索吊挂法组合施工法、整体顶推法结构构造形式的发展与优化1874年建成，位于美国圣路易斯跨越密西西比河的Eads桥。三跨上承式钢桁肋拱桥。跨径为153m+158m+153m，上层公路，下层双轨铁路。钢铁首次大量用于桥梁。Eads桥国外钢拱桥赏析美国狱门（HellGate）桥1917年建成，跨径297m，通行四列列车。美国贝永（Bayonne）桥美国贝永桥建成于1931年，跨径504m，双铰式，初期该桥公路桥宽度为12.2m，交通量大时还可以增加两条高速列车道。此桥桥型为钢桁架拱桥，起到了州间的交通纽带作用，拱肋为两根钢桁梁，中心距22.57m，拱端桁高20.4m，拱顶桁高11.3m。悉尼港湾大桥该桥最大的特点是拱架，其拱架跨度为503m，而且是单孔拱形，这是当时世界上罕见的。该桥矢高107m，两拱肋中心间距为48.8m，从海面到桥面高58.5m，从海面到桥顶高达134m，万吨巨轮可以从桥下通过。韩国傍花大桥방화대교傍花大桥是韩国典型桥梁之一，其主跨长达540m，大桥两侧的拱肋为对称形式。由于桥基处于地下20m深的堆积层中，而持力层处于地下37-42m处，因此在施工架设过程中，河床和岸跨处分别采用了沉井基础和桩基础。我国的钢拱桥赏析表1我国部分钢拱桥一览表Tab.1ListofsomesteelarchbridgesinChina序号建造时间桥梁名称主跨径（m）11993九江长江大桥180+216+18022001卢浦大桥55032003菜园坝大桥42042003新光大桥162+428+16252004朝天门大桥552广州新光大桥全桥长1082m，中间拱跨度为428m，侧拱长度177m，是一座连续的三跨钢桁架拱桥。桥面宽度37.62m，双向六车道。新光大桥的受力特点：结构受力体系为先简支到后连续转换，技术上有重大的创新和突破。广州新光大桥Fig.GuangzhouXinguangBridge重庆朝天门大桥重庆朝天门大桥全长1741m，其中主桥长度932m，主拱长度552m，两侧拱长度均为190m，是一座中承式双层桥面的连续钢桁系杆拱桥。上层桥面包括双向六车道和两侧人行道；下层桥面中间为双线城市轻轨，两侧为双向两车道。上海卢浦大桥钢箱拱桥，为空间提篮中承式拱梁组合体系。二、钢拱桥的分类钢拱桥上部结构主要由拱圈、吊杆（或拱上立柱）系杆、桥道梁等构件组成。钢拱桥的组成1、按照结构构造形式分类（1）按照主拱圈截面形式分为：钢箱拱、钢管拱、钢桁架拱（2）按照两拱肋的空间姿态分：平行拱肋、提篮拱肋、蝶形拱肋（3）按照行车道系所处位置分：上承式、中承式、下承式拱桥（4）按照吊杆的布置形式分类：平行竖吊杆、斜吊杆、网状吊杆2、按照结构体系分类（1）简单体系拱桥：仅有拱圈是主体受力构件，简单体系均为有推力拱结构，拱的推力直接由墩台或基础承受。桥道系为局部承载和传力结构，不参与主拱联合受力。（2）组合体系拱桥：行车道梁与拱组合，共同受力。大连港栈桥引桥采用5跨112.6米简支下承式刚性系杆钢管混凝土拱桥，钢拱肋采用双拱肋，单片拱肋为双肢桁式断面。下承式平行肋平行竖直吊杆钢管砼拱平行拱肋模型图内倾式提篮拱：大大提高了桥梁的侧向刚度，增加拱桥的横向稳定性。菜园坝长江大桥各类蝶形拱桥合肥新桥机场高速路蝴蝶拱桥。45度角的“蝴蝶翅膀”。广西南宁大桥——蝶形曲线拱桥世界上首座大跨径斜吊拱曲线桥梁。第二节拱梁组合体系桥一、拱梁组合体系桥的分类1、根据拱脚有、无水平推力分类：有推力拱、无推力拱。（1）有推力拱主要用于上承式拱桥，推力由墩台承担；（2）无推力拱：行车道系与拱组合，拱的推力由系梁或系杆承受，墩台不受水平推力。2、根据拱肋和系梁刚度的比例关系分类1）柔性系杆刚性拱——系杆拱2）刚性系杆柔性拱——朗格尔拱3）刚性系杆刚性拱——洛泽拱4）上述三种均采用竖直吊杆，采用斜吊杆来代替竖直吊杆，即为尼尔森拱单跨拱梁组合体系桥a.柔性系杆刚性拱——系杆拱b.刚性系杆柔性拱——朗格尔拱c.刚性系杆刚性拱——洛泽拱d.斜吊杆——尼尔森拱e.下承式d.中承式f.上承式3、其他组合体系拱桥1）网状拱桥部分斜吊杆至少要与其他吊杆相交两次2）悬臂梁——拱——桁架的组合结构3）叠合拱桥网状吊杆拱桥巴拿马的塔歇尔桥悬臂梁—拱—桁架组合结构中央挂跨为系杆拱桥支承于边跨的伸臂梁上浙江雁荡山大桥叠合拱桥两主拱之间设辅助拱肋联结，双线铁路桥。二、系杆拱的受力特点1、中承式系杆拱桥的力学特性属于梁拱组合桥在受力特征上为典型的三元结构：活载分布构件——桥面系力的传递构件——吊杆主要承重构件——拱肋及系杆2、下承式刚架系杆拱桥主拱与下部结构采用固结方式联结，系杆采用柔性拉杆，不参与桥面系受力。第三节钢拱桥的构造一、钢拱桥主要组成部分的构造特点1、拱肋结构的主要承重构件，主要承受轴向压力，还承受部分弯矩，以受压为主的偏心受压构件。根据截面形式分为：箱形、管形、桁架式桁架式拱肋自重轻，跨越能力更大，经济性好。2、吊杆是一种传力构件，把桥面系荷载传递至承重构件拱肋，吊杆主要是轴心受拉构件。吊杆可分为刚性和柔性两种，刚性吊杆多用钢管或型钢制成，可承受压力；柔性吊杆采用高强钢丝束或钢绞线制成，只能受拉，施工方便，外形美观。吊杆的立面布置•吊杆间距即为行车道纵梁的跨长，通常吊杆取相等间距。•吊杆按其在拱平面内的布置形式分为：平行竖吊杆、倾斜式吊杆、网状吊杆。横向双吊杆•按照布置数量还分为：单吊杆、双吊杆竖向双吊杆刚性双吊杆3、系杆（梁）对于无推力拱，拱的推力全部由系杆承担，系杆承受较大的轴向拉力。分为：刚性系杆、柔性系杆。系杆示意图系杆的布置形式系杆的立面布置形式主要有三种：①桥道系设置专门的系杆箱；②系杆悬挂于桥道系下；③系杆与桥道系分离，此类系杆多为预应力混凝土刚性系杆，与承台相接，系杆置于路面下的涵洞内，与梁体分离。钢绞线柔性系杆，放在专门的系杆槽内。4、横撑为了保证两片拱肋的横向刚度和稳定，从而承受作用在拱肋、桥面及吊杆上的横向水平力，必须设置横撑。横撑可以大大提高全桥的面外刚度和扭转刚度，但是基本不提高面内刚度。基本要求•设置在桥面净空高度范围之外的拱段上；•横撑宽度不应小于其长度的1/15。横撑示意图横撑的构造形式常见的有“一字撑”、“K形撑”、“X形撑”、“米形撑”；横撑位置一般与吊点位置对应，对称于拱顶奇数布置；拱顶一般设置“一字撑”，1/4L附近拱肋一般设置“K形撑”；大跨径宽桥常在拱顶设置“米形撑”，两侧布置“K形撑”。5、拱上立柱立柱用于上承式拱桥或者中承式拱桥的上承部分，是桥面系与主拱肋之间的传力结构。上承式钢桁架拱桥立柱6、桥面系下承式拱桥的桥面系是用吊杆将纵横梁系统悬挂在拱肋下，在纵横梁系统上支承桥道板，组成桥面系。中承式拱桥的行车平面位于肋拱矢高的中部，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。在布置行车道时，要设置横向断缝，避免拱肋的变形引起桥面被拉坏。二、拱肋的总体设计参数大跨度钢桁架拱桥的主要设计参数有：矢跨比；拱轴线的选取；拱顶和拱脚高度的选择。矢跨比•主要根据桥址的地形、地质条件、桥下净空要求等因素确定。拱肋矢跨比常用范围在1/4~1/7，钢桁架拱桥矢跨比通常在1/4~1/5。•矢跨比越小，拱脚水平推力越大，对于无推力拱来说，会增加系杆的用量；地质条件差时，可采用较大矢跨比以减少水平推力。•矢跨比过大，拱圈部分用钢量会增加，并且抗倾覆能力及抗震能力会减弱。拱轴线最理想拱轴线是与拱上各种荷载的压力线吻合，截面只承受压力而无弯矩，可以充分利用材料强度。常见的拱轴线形式：圆弧线、二次抛物线、悬链线、多次抛物线等。拱肋的拱顶与拱脚高度选择•根据拱肋高度的变化，分为等高度拱肋和变高度拱肋•跨径较大时采用变高度拱肋，以适应拱肋内力分布并节省工程量。※拱肋高度的选择：拱脚高度根据施工过程中产生的最大内力控制；拱顶高度不宜取得过高，一是会影响桥梁的建筑高度，并且对于桁式拱桥还会增加腹杆的自由长度，不利于受压杆件的稳定。