拱桥

桥梁结构分析－拱桥1桥梁结构分析－拱桥桥梁结构分析－拱桥2§1概述§2拱桥的分类§3常见拱桥的构造特点§4单跨悬链线无铰拱的设计桥梁结构分析－拱桥3§1概述1.1拱桥的起源1.2拱桥的基本特点1.3拱桥的组成桥梁结构分析－拱桥41.1拱桥的起源世界上对拱结构的起源众说不一自然界溶洞天然拱崩落的堆石拱砌墙开洞，逐渐由“假拱”演变而成中国：墓葬结构及仅存实物，拱由梁与侧柱演变为三、五、七等折边拱，演变为圆拱。桥梁结构分析－拱桥5中国现存最早，并保存良好的是隋代赵州安济桥（赵州桥）。桥为敞肩圆弧石拱，拱圈并列28道，净跨径37.02m，矢高7.23m，上狭下宽总宽9m。主拱圈等厚1.03m，主拱圈上有护拱石。1、石拱桥安济桥（赵州桥）桥梁结构分析－拱桥7中国石拱因南北河道性质及陆上运输工具不同，构造不同：北方大多为平桥（或平坡桥），实腹厚墩厚拱。南方水网地区则为驼峰式薄墩薄拱。河网密布，软土地基，石拱桥亦尽量减轻重量因建造为薄墩薄拱。桥梁结构分析－拱桥8薄拱的拱厚最小者仅及拱跨的1/66.7，而一般拱厚则为1/20左右。现存枫桥（清代建）也是薄拱。薄墩之薄，相邻两拱圈拱石相接，特别是三孔连拱薄墩桥，中孔大、边孔小，两岸以踏步上桥。桥成驼峰形，造型美观。桥梁结构分析－拱桥9中国的木拱桥起始自宋。宋代张择端的《清明上河图》，在画面高峰处有北来都城汴京（现河南开封）跨汴水的一座木拱桥，名为虹桥。为了漕运，水中无桥墩，桥采用了“贯木”架桥，即大木穿插叠架为木拱。虹桥桥跨约18．5m，拱矢约4．2m，桥面总宽9．6m。桥毁于金元之际，几百年来一直认为是绝唱。2、木拱桥虹桥桥梁结构分析－拱桥111.2拱桥的基本特点拱桥与梁桥的区别：外形不同、受力性能有差别。圬工拱桥的优点：跨越能力大能就地取材桥梁结构分析－拱桥12能耐久，养护、维修费用少外型美观构造较简单圬工拱桥的缺点自重大，水平推力大，对地基要求高有支架施工时，施工耗时桥梁结构分析－拱桥13连拱拱桥设置构造复杂的单向推力墩，增加了造价上承式拱桥对标高要求高，城市少用拱桥发展石拱桥钢拱桥钢筋混凝土拱桥钢管混凝土拱桥1.3拱桥的组成石拱桥的主要组成与名称起拱面净矢高拱石拱圈厚度主拱圈拱背拱座(五角石)拱腹拱脚计算矢高计算跨径净矢径行车道（桥面）拱上建筑拱顶拱轴线桥梁结构分析－拱桥15拱桥的结构组成桥跨结构（上部结构）主拱圈拱上结构下部结构桥墩桥台基础桥梁结构分析－拱桥16拱轴线：主拱圈截面的形心线跨径：各孔净跨径的总和计算跨径：每孔拱两个拱脚截面形心之间的水平距离。净跨径：每孔拱两个拱脚截面最低点之间的水平距离。净矢高：拱顶截面下缘至相邻两拱脚截面形心线的距离。拱桥结构术语桥梁结构分析－拱桥17计算矢高：拱顶截面形心至相邻两拱脚截面形心线的垂直距离。矢跨比：矢高与跨径之比，设计时一般取净矢高f0与净跨径l0之比为矢跨比（或称净矢跨比）坦拱：f0/L0（矢跨比）1/5陡拱：f0/L0（矢跨比）≥1/5桥梁结构分析－拱桥18拱的计算跨径与计算矢高00sin(1cos)2jjllddff三铰拱内力计算简图桥梁结构分析－拱桥20三铰拱与等跨简支梁内力比较三铰拱的反力（内力和反力上标加o的为简支梁，不加o的为三铰拱）fMfalPlYXXYlaPYYlalPYolABAoBBoAA2)2(2)(桥梁结构分析－拱桥21令，则内力为：ABHXXxxxxxxxxsincoscossinoooMMHyNQHQQH桥梁结构分析－拱桥22三铰拱的竖向反力与简支梁相同，但在竖直荷载作用下，三铰拱会产生水平反力，而简支梁中没有水平反力的存在。三铰拱在竖直荷载作用下的水平反力引起拱内力中出现了轴力，同时降低了弯矩与剪力。桥梁结构分析－拱桥23§2拱桥的分类2.1按主拱圈的建筑材料分类圬工拱桥钢筋混凝土拱桥钢拱桥钢管混凝土拱桥桥梁结构分析－拱桥242.2按行车道位置分类上承式车道（桥面系）在拱肋之上的称为上承式上承式主要用于峡谷和桥面标高较高的桥梁传统的石拱桥因主拱圈为板式结构，只能采用上承式上承、下承及中承式拱桥车行道主拱立柱桥台(墩)吊杆车行道桥台(墩)吊杆车行道主拱桥台(墩)主拱立柱桥梁结构分析－拱桥26上部结构由主拱圈、拱上建筑组成拱上建筑：实腹式或空腹式实腹拱桥：构造简单、自重大，适用于中、小跨度；空腹拱桥：结构合理、自重较小、利于泄洪，是大、中跨拱桥常用的形式。上承式拱桥构造：桥梁结构分析－拱桥27下承式拱桥的桥跨结构由拱肋、悬吊结构和横向联结系三部分组成。车辆在两片（三片）拱肋之间行驶，需要用吊杆将桥面系悬挂在拱肋下。桥面系和这些传力构件称为悬吊结构。下承式拱桥构造：桥梁结构分析－拱桥28行车平面位于肋拱矢高的中间部位，桥面系一部分用吊杆悬挂在拱肋下，一部分用立柱支撑在拱肋上。中承式拱桥构造桥梁结构分析－拱桥29三种类型拱桥的适用范围：下承式或中承式拱桥一般是在桥梁建筑高度受到限制时考虑，其拱圈只能使用肋拱形式。中、下承式主要用于地势平坦、桥面标高受限制或基础较差的拱桥之中。桥梁结构分析－拱桥302.3按照结构体系分类2.3.1简单体系的拱桥拱圈的静力图式（c）无铰拱（b）双铰拱（a）三铰拱桥梁结构分析－拱桥31三铰拱：静定，无附加应力，铰构造复杂，桥面在铰处需设置伸缩缝，桥面纵坡在伸缩缝处折角，不利行车与养护。两铰拱：介于二者之间无铰拱：三次超静定，刚度大，构造简单，附加应力大。广泛用于石拱桥和钢筋混凝土拱桥之中，尤其是基础较好、跨径较大时。2.3.2拱梁组合桥（1）无推力的拱梁组合桥柔性系杆刚性拱—系杆拱刚性系杆柔性拱—朗格尔拱刚性系杆刚性拱—洛泽拱用斜吊杆来代替竖直吊杆时称为尼尔森拱。桥梁结构分析－拱桥33（2）有推力的组合体系拱桥刚性梁柔性拱（倒朗格尔拱）刚性梁刚性拱（倒洛泽拱）桥梁结构分析－拱桥34系杆拱中拱肋与桥墩固结，不设支座采用预应力钢绞线作为拉杆来平衡拱的推力，拉杆独立于桥面系之外，不参与桥面系受力，而桥面系为局部受力构件。这种结构由于拱和墩联接处为刚结点，属刚架结构，又带有系杆，故称之为刚架系杆拱。2.3.3刚架系杆拱桥梁结构分析－拱桥35刚架系杆拱示意图单跨下承式多跨下承式带悬臂中承式2.4按照主拱的截面形式分类桥梁结构分析－拱桥37§3常见拱桥的构造特点3.1石板拱一、总体布置石拱桥的主拱圈以石料建造。跨径小于20m，拱上建筑常做成实腹式。跨径大于20m，拱上建筑一般为空腹式。实腹式拱桥构造图实腹式拱桥侧面图实腹式拱桥横截面图空腹式拱桥构造图桥梁结构分析－拱桥41料石拱(粗料石)：石料标号不得小于300号、对于大中桥砂浆指标不小于75号，对于小桥砂浆不小于50号。块石拱：加工要求较高，采用较少。片石拱：节省劳力，可降低工程造价，因此较多采用。石拱圈形式：等截面圆弧拱，等截面或变截面悬链线拱二、主拱圈桥梁结构分析－拱桥42粗料石砌筑拱时，拱石需要随拱轴线和截面形式不同而分别进行编号，以便于拱石的加工。等截面圆弧线拱圈，截面相等，单心圆弧线，拱石规格较少，编号较简单变截面拱圈，由于截面发生变化，使拱石类型较多，编号较复杂，给施工带来很大的麻烦石板拱的主拱圈以等截面为主桥梁结构分析－拱桥43等截面圆弧拱的拱石编号桥梁结构分析－拱桥44变截面拱圈的拱石编号桥梁结构分析－拱桥45受压面的砌缝应是辐射方向，即与拱轴线相垂直。一般可做成通缝，不必错缝。拱圈厚度不大时，可采用单层拱石砌筑，拱厚较大时可采用多层拱石砌筑。要求垂直于受压面的顺桥向砌缝错开，其错缝间距不小于0.10m。石拱圈构造上的要求：桥梁结构分析－拱桥46拱圈横截面内，拱石的竖向砌缝应当错开，其错开宽度至少0.10m，在纵向或横向剪力作用下，可避免剪力单纯由砌缝内的砂浆承担，增大砌体的抗剪强度和整体性。砌缝的缝宽不应大于0.02m。桥梁结构分析－拱桥47拱圈与墩台、空腹式拱上建筑的腹孔墩与拱圈相连接处，应采用特制的五角石，以改善连接处的受力状况。五角石不得带有锐角，以免施工时易破坏和被压碎。为了简化施工，也常采用现浇混凝土拱座及腹孔墩底梁来代替制作复杂的五角石。拱石砌缝及五角石及混凝土拱座、底梁桥梁结构分析－拱桥49用块石或片石砌筑拱圈时，应选择较大的平整面与拱轴线相垂直，并使石块的大头向上，小头向下。石块间的砌缝必须相互交错，较大的缝隙应用小石块嵌紧。砌缝用砂浆或小石子混凝土灌满。桥梁结构分析－拱桥50三、拱上建筑实腹式拱上建筑：侧墙、拱腹填料、护拱以及变形缝、防水层、泄水管和桥面等部分跨径较小的石板拱，常采用实腹式拱上建筑。构造简单、施工方便，填料的数量较多、恒载较重。桥梁结构分析－拱桥51空腹式拱上建筑：大、中跨桥的拱桥，特别是当矢高较大时,实腹式拱上建筑的填料用最多、重量大，因而以采用空腹式拱上建筑为宜。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。桥梁结构分析－拱桥52桥墩（台）上腹拱的布置方式桥梁结构分析－拱桥53腹拱墩构造形式桥梁结构分析－拱桥543.2钢筋混凝土肋拱与箱拱桥一、肋拱的主拱肋由两条或多条分离的平行拱肋，以及在拱肋上设置的立柱和横梁支承的行车道部分组成。为了保证肋拱桥的横向整体稳定性，两肋外缘距离不小于L/20，肋宽／横系梁间距不小于1/20（规范要求）。桥梁结构分析－拱桥55中小跨径：矩形｛高=（1/40～1/60）L，宽=0.5～2.0高}大跨径：工字形{高=（1/25～1/35）L，宽=0.4～0.5高，腹板厚0.3～0.5米}比矩形的高分离的拱肋间须设置横系梁。肋拱适合大中跨径拱桥。桥梁结构分析－拱桥56肋拱桥桥型图桥梁结构分析－拱桥57肋拱桥的拱肋截面形式桥梁结构分析－拱桥58二、箱拱的主拱圈箱拱或箱形拱的主拱圈全宽采用一个箱（通常为单箱多室），主拱圈为整体薄壁箱形结构。适用于大跨径，挖空率可达50～70%。自重轻。抗弯抗扭刚度大，横向整体性好，稳定性好。吊装要求高，一般在跨径50m以上。桥梁结构分析－拱桥59拱高：H=L/100+（0.6～0.7）米，箱宽：1.3m～1.6m壁厚：0.08～0.10m底厚：0.1～0.14m横隔板间距5m，厚0.06～0.08m（顶板边为0.06－0.08m）安装：开口箱+现浇——重量轻闭口箱——抗扭刚度大桥梁结构分析－拱桥60箱形拱闭合箱的构造箱拱预制施工构造示意图三、钢筋混凝土肋拱、箱拱的拱上建筑梁（板）拱上建筑桥梁结构分析－拱桥63腹孔墩构造型式四、桥例铁路丰沙线永定河七号桥总体布置（中承式）桥梁结构分析－拱桥65重庆万县长江大桥总体布置图桥梁结构分析－拱桥66重庆万县长江大桥主拱圈截面构造图40406203801600/23804040700406202530404020φ402×1630×2030×2040150100300215φ30010032030730/230700601600/25408080160160380380桥梁结构分析－拱桥67宜宾小南门桥桥梁结构分析－拱桥683.3钢筋混凝土双曲拱、桁架拱和刚架拱一、双曲拱主拱圈：拱肋、拱波、拱板、横向联系施工时化整为零，集零为整受力。于1964年在江苏无锡诞生，桥造在东亭，故名东拱桥，跨径9m，为三肋二波砖结构。文革期间发展迅速，约造44余座，最大跨径150米。桥梁结构分析－拱桥69河南前河大桥：L=150m，f0/L0=1/10，7＋2×0.6m，汽－15，拖－60，拱宽7.8m，变截面悬链线，高2.2－2.7，1969年建成。湖南汀江大桥：主桥长1250米，宽20米，最大跨径76米，引桥282米，规模最大。目前已不修建，维修加固与加宽问题突出。桥梁结构分析－拱桥70截面合理，省材料施工无支架，