桥梁工程-拱桥的设计与构造

第一节普通型污工及钢筋混凝土上承式拱桥设计与构造第一章拱桥的设计与构造上承式拱桥可分为普通型上承式拱桥和整体上承式拱桥。普通式上承式拱桥：由主拱圈、拱上传载构件或填充物、桥面系组成，主拱圈是主要承重构件。整体式上承式拱桥：这类拱桥是由主拱片（指由拱圈与拱上传载构件组成的整体结构）、桥面系组成，主拱片是主要承重构件。第一章拱桥的设计与构造普通上承式拱桥万县长江公路大桥整体型上承式拱桥江界河桥桁式组合拱桥一、主拱圈第一章拱桥的设计与构造根据截面形式分为板拱、板肋拱、肋拱、箱形拱、双曲拱等。（一）板拱板拱是指主拱（圈）采用整体实心矩形截面的拱。按主拱所采用的材料不同，可分为石板拱、混凝土板拱、钢筋混凝土板拱等。1、板拱主拱的截面宽度、厚度和变化规律（1）板拱的宽度拱圈宽度小于桥面宽度的拱圈，称为窄拱圈。拟定拱圈宽度时，要使桥面悬出长度适当；一般悬出1.0~2.5m。考虑采用窄拱圈时，为使拱圈横向稳定性满足要求，拱圈宽度不宜小于跨径的1/20。第一章拱桥的设计与构造（2）拱圈的厚度等厚度的小跨径石板拱，初拟厚度时可按下列经验公式：对变厚度的小跨径石板拱桥，拱顶厚度可按下式估算：3045hmkl0(1)dhal钢筋混凝土拱：拱顶厚度一般采用跨径的1/60~1/70。拱脚厚度估算，，对于中小跨径无铰拱，可取为（1.2~1.5）。第一章拱桥的设计与构造dh/cosjdjhh12tan(2/)jfljhdh（3）拱圈的截面变化规律截面变化规律等截面（常用）变截面（构造复杂）第一章拱桥的设计与构造拱截面正应力yMNAI其中N自拱顶向拱脚逐渐增大；但M变化复杂与结构体系和截面惯性矩I有关，下图为结构体系和截面惯性矩对弯矩的影响第一章拱桥的设计与构造无铰拱通常采用的一种惯性矩变化是从拱脚向拱脚逐渐增大，计算公式可采用Ritter公式：[1(1)]cosdIIn式中：I拱圈任意截面的惯性矩；拱顶截面惯性矩；拱圈任意截面的拱轴水平倾角；n拱厚变化系数，可用拱脚处=1求得；dIcosdjjInI第一章拱桥的设计与构造1、石板拱按照砌筑主拱圈的石料规格不同，分为料石板拱、块石板拱、片石板拱以及乱石板拱等。石板拱对石料质量、强度等级、形体尺寸、砂浆与砌筑工艺有要求。拱圈砌筑构造要求（1）错缝（2）限制砌缝宽度第一章拱桥的设计与构造拱石编号第一章拱桥的设计与构造第一章拱桥的设计与构造3、混凝土板拱混凝土板拱采用整体现浇和预制砌筑。整体浇注板拱混凝土等级不低于C25；预制块混凝土的强度等级不得低于C30，砌筑砌块所用砂浆不得低于M10。4、钢筋混凝土板拱配筋纵向受力钢筋：最小配筋率0.2%~0.4%，上下翼缘通常布置。箍筋：应将上下主筋连接起来。第一章拱桥的设计与构造（二）板肋拱板肋拱是由板和肋组成整体拱圈截面的拱。图板肋拱横截面第一章拱桥的设计与构造（三）肋拱肋拱是指用两条或多条平行窄拱桥—即拱肋作为主拱圈的拱。肋拱具有自重轻，恒载内力小的优点，可以充分发挥钢筋混凝土等材料的性能，大中型拱桥中得到广泛应用。1.肋拱截面形式的选择矩形截面工字截面箱型界面管状截面拱肋自重大小截面特性压、弯、扭施工方便性轮廓美观性钢管混凝土拱桥第一章拱桥的设计与构造2.肋拱的轮廓尺寸钢筋混凝土拱肋矩形截面工字性截面箱型截面肋高肋宽h=(1/40~1/60)Lb=(0.5-2.0)hh=(1/25~1/35)Lb=(0.4-0.5)h参考工字形断面参考箱拱截面设计，考虑箱拱数量少的因数后计算确定第一章拱桥的设计与构造（三）箱拱箱拱：主拱圈由多箱室构成的拱，箱形拱通常采用预制拼装施工。钢筋混凝土箱形拱主要特点截面挖空率大中性轴居中抗弯和抗扭刚度大，整体性好制作要求高，吊装设备多第一章拱桥的设计与构造钢筋混凝土箱板拱拱圈截面尺寸拟定拱圈高度拱圈宽度箱肋宽度顶底板和腹板0100xlhh:拱圈高度（m):拱圈净跨径（m):常数，0.7~0.9m0lx一般取桥宽的1.0~0.6倍一般不小于跨径的1/20与吊装能力有关，一般1.2~1.7m顶底板厚度一般为15cm~22cm两外腹板一般为12cm~15cm内外腹板一般为4cm~5cm为保证安全，应进行压溃及局部应力验算第一章拱桥的设计与构造箱拱内横隔板设置考虑箱拱横格板作用设置位置设置厚度提高抗扭能力，保证箱壁的局部稳定性；帮助集中力在箱内的扩散。箱肋段端部、吊点、拱上立柱处其余部为每隔3m-5m设一道6~8cm第一章拱桥的设计与构造箱拱间的横向连接细节横向接头的作用：保障各预制箱形拱肋形成拱圈的整体受力能力。二、拱铰第一章拱桥的设计与构造（1）当拱桥主拱圈按两铰拱或三铰拱设计主拱圈；（2）按构造要求需要采用两铰拱或三铰拱的腹拱圈；（3）需设置铰的矮小腹孔墩，即将铰设置在墩上端与顶梁和下端与底梁的连接处；（4）在施工过程中，为消除或减小主拱圈的部分附加内力，以及对主拱圈内力作适当调整时，需要在拱脚处设置临时铰。拱桥中铰的设置两铰拱三铰拱构造要求：两铰或三铰腹拱矮小腹孔墩设铰临时铰临时铰无铰拱腹拱第一章拱桥的设计与构造第一章拱桥的设计与构造不完全拱铰拱铰的主要类型有：弧形铰、铅垫铰和平铰等。弧形铰平铰第一章拱桥的设计与构造三、拱上建筑的构造拱上建筑普通上承式拱桥：桥面系和传承构件或填充物统称拱上建筑整体式上承式拱桥：桥面系拱上建筑的作用：(1)拱桥的重要组成部分，（2）约束主拱圈由温度变化和混凝土收缩等引起的变形。拱上建筑的形式一般分为实腹式和空腹式两大类（一）实腹式拱上建筑第一章拱桥的设计与构造实腹式拱桥实腹式拱桥建筑由填料、侧墙、护拱、变形缝、防水层、泄水管以及桥面系组成。结构特点：构造简单、施工方便，调料数量较多，恒载较多。受力特点：拱上建筑与拱圈共同受力。（二）空腹式拱上建筑第一章拱桥的设计与构造空腹式拱桥建筑由多腹孔结构和桥面系组成。分拱式和梁式。空腹式（拱式空腹）拱上建筑第一章拱桥的设计与构造空腹式（梁式空腹）拱上建筑第一章拱桥的设计与构造1.拱式拱上建筑(1)结构特点：构造特点，外形美观，质量大。(2)受力特点：拱上建筑与拱圈共同受力。(3)布置：对称布置在拱上建筑高度所容许的自拱脚向拱顶一定范围内。拱式拱上建筑第一章拱桥的设计与构造（4）腹孔和腹孔墩腹孔对称布置在主拱圈建筑高度所容许的自拱脚，一般每半跨不宜超过主跨径1/4-1/3。腹孔跨数或跨径随径随桥跨大小而不同，对中小跨径的拱桥，一般为3-6孔。腹孔墩由底梁、墩身和墩帽组成；分横墙式和排架式。横墙式腹孔墩排架式腹孔墩第二章拱桥的设计与构造（a)将腹拱的拱铰直接支承在墩(台）上（b)跨过墩顶，使桥墩两侧的腹孔相连（5）腹拱圈：石砌、预制混凝土或现浇混凝土圆形弧拱。（6）腹拱与墩台的连接有两种做法：第一章拱桥的设计与构造2.梁式拱上建筑特点：使桥梁造型更加轻巧美观，减轻拱上重力和地基承压力，以便获得更好的技术经济效果。（1)简支腹拱特点：结构体系简单，基本上不存在主拱与拱上建筑（结构）的联合作用，受力明确。第二章拱桥的设计与构造（2)连续腹拱（横浦桥道板梁）特点：桥道板横置，拱上建筑与主拱共同作用明显，建筑高度小；但结构整体性及刚度较低，容易形成单板受力，长期动荷载作用下容易开裂且振感强烈。连续腹拱布置（3)框架腹拱（横浦桥道板梁）特点：腹拱与主拱的联合作用特别明显，受力不够明确。框架腹拱布置（三）拱上立柱与主拱圈、盖梁的连接第二章拱桥的设计与构造立柱现浇接头（四）拱顶填料、桥面铺装及人行道第二章拱桥的设计与构造一般情况下，主拱圈及腹拱圈的拱顶填料厚度（包括桥面厚度）不宜小于30cm。当填料厚度（包括路面厚度）等于或大于50cm。设计计算中不计汽车冲击荷载。拱圈桥面铺装应根据桥梁所在的公路等级、使用要求、交通量大小以及桥型等条件综合考虑确定。（五）伸缩缝与变形缝第二章拱桥的设计与构造通常变形较大的位置设置伸缩缝，而相对变形较小处设置变形缝。对小跨径实腹式拱桥，伸缩缝设在两脚脚的上方，并在桥宽方向贯通全宽和侧墙全高及至行人道。小跨径实腹式拱桥伸缩缝拱式腹孔的伸缩缝和变形缝对拱式空腹拱桥，通常紧靠墩台的第一个腹拱做成三铰拱，并在紧靠墩台的铰拱上方设置伸缩缝，并贯同全桥，而其余两拱铰上方设置变形缝。对大跨径实腹式拱桥，还应将靠拱顶的腹拱做成两铰或三铰拱，并在拱上设变形缝，以使拱上建筑更好的适应主拱和变形。第二章拱桥的设计与构造梁式空腹式拱桥伸缩缝设置对梁式腹孔，通常是在桥台和墩顶立柱处设置标准伸缩缝，而在其余立柱处采用桥面连接。第一章拱桥的设计与构造（四）排水和防水第二章拱桥的设计与构造图拱桥桥面排水装置第二章拱桥的设计与构造图防水层与腹拱泄水管的设置第二节整体型上承式钢筋混凝土拱桥设计与构造第二章拱桥的设计与构造桁架拱桥整体型上承式拱普通桁拱桥桁式组合拱刚架拱桥整体式上承式拱桥：由拱片（指由拱圈与拱上传载构件组成的整体结构）与桥面系组成的整体，分不出主拱圈和拱上结构，主拱片是主要承重结构。一、桁架拱桥（一）普通桁拱桥普通桁架拱：普通桁架拱桥由桁架片、横向联结系和桥面联组成（如下图）。第二章拱桥的设计与构造桁架拱桥上部构造示意图第二章拱桥的设计与构造受力特征：（1）桁架拱在荷载作用下具有水平推力，使跨间弯矩减小，跨中实腹段以压为主，具有拱的受力特征。（2）拱与拱上结构共同受力，各杆件主要承受轴力，具有桁架受力特征。优点：（1）桁架拱桥可采用钢筋混凝土和预应力混凝土材料建造，且结构刚度大、质量轻、节省材料，受力合理，结构轻巧。（2）通常采用两铰体系，基础位移、温度变化等产生的附加内力相对无铰拱要小、适合于软弱地基。（3）主要采用预制装配，工序少，工期短，桥梁重量轻。缺点：杆件纤细、模板复杂、浇注和吊装要求高。若为钢筋混凝土桁架，其受弯部位和刚结点常有开裂。第二章拱桥的设计与构造1、普通桁架拱立面布置：根据构造不同，桁架拱可以分为斜（腹）杆式、竖（腹）杆式、桁肋式三种。（1）斜（腹）杆式三角形式带竖杆的三角形式斜压杆式斜拉杆式第二章拱桥的设计与构造（2）竖（腹）杆式（3）桁肋式第二章拱桥的设计与构造1、普通桁架拱主要构造及尺寸拟定（1）矢跨比：其净矢跨比一般在1/6~1/10之间选用。（2）合理拱轴线：下弦杆的合力拱轴线应是在恒载作用下使下伸斜杆的拉应力为零或在容许范围内的轴线。（3）桁架拱片的节间长度：节间长度一般不宜大于计算跨径的1/8~1/12，且不超过5m。（4）桁架拱片的片数及间距：20~50m的桁架拱桥，拱片间距以2~3.5m为宜。采用微弯板桥面时，双车道可采用3~4片，采用空心板桥面时，则可采用2~3片。（5）实腹段长度：实腹段长度l1在计算跨径的0.3~0.5倍之间选用。第二章拱桥的设计与构造（6）下弦杆截面面积，初拟时采用下列经验公式估算：00002.2akBlAfRl（7）实腹段中央截面高度，初拟时可取净跨径的1/40~1/50，也可采用下列经验公式估算：0(200)70lhk（8）上弦杆与桥面板组合后的高度h1由上弦杆最大节间长决定，一般为最大节间长度的1/6~1/8。第二章拱桥的设计与构造（9）桁拱片宽度b在25~50cm之间，跨径较小，拱片较多时可取较小值。（10）斜杆和竖杆等腹杆常用矩形截面，宽度为b3和b4,一般小于或等于拱片的宽度；高度分别为h3和h4,一般为下弦杆高度的1/1.5~1/2，通常取20~40cm。（11）桁架拱片中的节点构造在整个构造占重要位置，其形式与腹杆有关。需特别注意的是：(a)各杆件应在节点处交于一点，以免产生附加弯矩。(b)相邻杆件外缘交角应以圆弧或者直线过度，过渡段不得出现锐角与直角，避免应力集中。(c)设置节点块包络筋，其伸入弦杆的锚固长度应满足要求，节点块范围箍筋加密（间距不大于10cm）。(d)腹杆主筋应伸过杆件轴线交点一定长度，对拉杆应≥30d，并带弯钩，对压杆应≥20d。(e)采用预制装配时，现浇节点块应将预制杆端面包入不小于4cm。第二章拱桥的