拱桥的构造与设计.ppt

《拱桥的构造与设计.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《拱桥的构造与设计.ppt（79页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、第二章 上承式拱桥,第一节 上承式拱桥的构造与设计,普通型上承式拱桥:主拱、拱上传力构件、桥面系,上承式拱桥,整体型上承式拱桥:主拱片和桥面系,一、主拱的构造与尺寸拟定,（一）普通型上承式拱桥,根据主拱圈截面形式可分为：板拱、板肋拱、肋拱、双曲拱、箱形拱等。,1、板拱,板拱是指主拱（圈）采用整体实心矩形截面的拱。按照主拱所采用的材料，可分为石板拱、混凝土板拱和钢筋混凝土板拱等。,(1)石板拱 主拱圈用料石、块石和砖石砌筑而成. 用粗料石砌筑时,所选用的拱石要随拱轴线和截面形式不同而分别进行编号,以方便加工和施工.等截面拱桥拱石编号简单,易于加工;变截面拱桥拱石编号复杂,拱石选择和加工不便.,砌

2、筑所用石料应石质均匀,不易风化和无裂纹.石料强度等级不得低于C30,砌筑用砂浆对大中跨径不得低于C7.5,小跨径不得低于C5. 根据拱圈的受力特点(主要承压,其次是弯矩)和需要,拱圈砌筑需满足下列构造要求. 1.错缝 横向砌缝必须错开且不小于10CM,竖向错缝以及各层的横向砌缝必须错开且不小于10CM. 2.限制砌缝宽度 料石拱不大于2CM,块石拱不大于3CM,片石拱不大于4CM,采用小石子混凝土砌筑时,块石砌缝不大于5CM.,小跨径等截面石板拱的拱圈厚度可按下式子估算:,(2)混凝土板拱 1.素混凝土板拱:用于缺乏合格天然石料的地区，可以采用整体现浇，也可以预制砌筑。整体现浇混凝土拱圈拱内收

3、缩应力大受力不利，同时，供架、模板木树用量大下期长，质量不易控制，故较少采用。预制砌筑就是将混凝土板拱划分成若干块件，然后预制混凝土块件，最后将块件砌筑成拱。预制砌块在砌筑前应有足够的养护期，以消除或减少混凝土收缩的影响：,2.钢筋混凝土板拱:构造简单,外表整齐,轻巧美观,拱圈的厚度,拱脚厚度,其中,拱圈截面的变化规律,截面变化规律,等截面（常用）,变截面（构造复杂）,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。,拱截面正应力,无铰拱通常可用惯性矩从拱顶向拱脚逐渐增大的变化（见下图），计算公式可采用Ritter公式：,上式中：

4、I为任意截面的惯性矩； Id为拱顶截面的惯性矩； 为任意截面的拱轴线倾角； n拱厚变化系数，可用拱脚处的边界条件=1求得：,钢筋混凝土板拱的构造,Ij和j分别为拱脚截面的惯性矩和倾角,纵向受力钢筋：最小配筋率0.2%0.4%,2、板肋拱,肋拱：拱圈截面由板和肋组成的拱桥。,2)、肋拱,肋拱：用两条或多条分离的平行窄拱圈即拱肋作为主拱圈的拱具有自 重轻，恒载内力小，可以充分发挥钢筋混凝土等材料的性能，在 大中型拱桥中得到广泛应用,肋拱截面形式,矩形，肋高h(1/401/60)L，宽b=(0.52.0)h,工字形截面肋高h(1/251/35)L，宽b=(0.40.5)h,管形肋拱,箱形肋拱（后面介

5、绍）,箱形肋拱拱肋尺寸根据受力需要确定，初拟时一般肋高取为跨径的1501/70，肋宽取为肋高的1.02.0倍；箱形肋之间的横系梁除具有增强肋拱横向整体稳定性外，还可起到横向分布荷载的作用，要求具有足够的强度和刚度，并与拱肋固结,横系梁常用钢筋混凝土材料，,3、箱形拱,箱形拱：主拱圈由多室箱构成的拱，箱形拱通常采用预制拼装 施工。,截面挖空率大,可达50%60%,中性轴居中,可抵抗正负弯矩,适应主拱圈各截面弯矩变化需要,抗弯和抗扭刚度大，整体性好,应力分布均匀,制作要求高，吊装设备多,多条闭合箱肋组成的多室箱形截面,拱圈截面尺寸拟定,拱圈高度,h拱圈高度 L0 净跨度 取为0.60.8,拱圈宽度

6、,箱肋宽度,与吊装能力有关，一般1.2m1.7m,顶底板及腹板,顶底板厚度一般为15cm22cm 两外腹板一般为12cm15cm 内箱腹板一般为4cm5cm 为保证安全，应进行压溃及局部应力检算,拱桥细部构造,设置位置：,拱箱横隔板,作用：提高抗扭能力，保证箱壁的局部稳定性,箱肋段端部、吊点、拱上空墩处 其余部为每隔3m5m设一道,厚度：6cm8cm,4)双曲拱桥 双曲拱桥的构造特点是施工中将拱桥化整为零，预制、组合拼装与现浇混凝土相结合。主要构件有拱肋、拱波、横梁或拉条以及拱上建筑的各种部件。,2.整体型上承式拱桥,包括桁架拱桥和刚架拱桥 进一步减轻了结构自重,增强了桥梁结构的整体性,充分发

7、挥装配式桥梁工业化程度高,施工进度快等优点,扩大了拱桥的使用范围. 1)桁架拱桥 又称拱形桁架桥,是一种有水平推力的桁架结构,桁架拱片、横向联结系和桥面组成.桁架拱片由上、下弦杆、腹杆、和实腹段组成,(1)结构形式:斜(腹)杆式、竖(腹)杆式、桁肋式、组合式,(2)结构特点: 荷载作用下有水平推力,使跨中实腹段弯矩减小,偏心受压,具有拱的受力特点.同时它相当于把普通型上承式拱的传载构件与拱肋连成整体,拱与拱上结构共同受力,各杆件主要承受轴力,所以又具有桁架的受力特点.多采用两铰结构,附加内力小,适用于软弱地基. (3)结构构造 (1)桁架拱片,主要尺寸,a、桁架拱片的节间间距一般小于跨度的1/

8、81/12； b、桁架拱片实腹段长度一般为跨度的0.30.5倍； c、下弦杆常采用等截面（一般为矩形），高为跨度的1/801/100) d、上弦杆截面形式与桥面构造有关； e、腹杆一般采用矩形截面，高度为下弦杆高度的1/1.51/2；,节点构 造要点,a、各杆件应在节点交于一点，以免产生附加弯矩； b、相邻杆件外缘交角应以园弧或曲线过度；,c、节点配筋要求,b、桁架拱横联接,桥面板构造,桁架片的连接 a、桁架纵向之间及墩台之间的连接,2)刚架拱桥,上部结构由刚架拱片、横向联结系和桥面系组成。主要承重结构刚架拱片一般由跨中实腹段的主梁、空腹段的次梁、主拱腿（斜撑）、次拱腿构成。,二、拱上建筑的构

9、造,对于普通型上承式拱桥，其主要承重结构主拱圈是曲线，车辆无法通过，需要在桥面系与主拱之间设置传递荷载的构件或填冲物，这些传递荷载的构件或填充物称为拱上建筑。,拱上建筑是拱桥的一部分，依其结构形式的不同而参与主拱共同受力的程度也不同；同时，拱上建筑在一定程度上能约束主拱圈由温度变化及混凝土收缩徐变等引起的变形，而主拱圈变形又使拱上建筑产生附加力。 拱上建筑类型分实腹式拱桥，空腹式拱桥两大类,（一）、实腹式拱桥,实腹式拱上建筑由拱腔填料、侧墙、护拱和桥面系等部分组成。 拱背填料一般用来支承桥面，有传递荷载和吸收冲击力的作用，一般有填充式和砌筑式两种。 侧墙承受填料和车辆荷载所产生的侧向压力，一般

10、用浆砌块石或片石，为了美观可用料石镶面。实腹式拱桥一般都用片、块石浆砌护拱，以加强拱脚段的主拱，同时为了便于敷设防水层和排除渗入拱腔的积水，护拱一般做成斜坡式。,大、中跨径拱桥多采用空腹式。空腹式拱上建筑由多孔腹孔结构和桥面系主成：以利于减小恒载，并使桥梁显得轻巧美观。根据腹孔的结构形式，空腹式拱上建筑又分为拱式和梁式两种。,（二）、空腹式拱桥,1、拱式拱上建筑,2、梁式拱上建筑,简支腹孔,连续腹孔,框架腹孔,三 其他细部构造,1.拱上填料、桥面及人行道 2.伸缩缝与变形缝 3.排水与防水层 4.拱桥中铰的设置,拱上立柱与主拱圈、盖梁的连接,伸缩缝与变形缝,拱铰,1.按两铰拱或三铰拱设计的主拱

11、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,即将铰设在其与顶梁和底梁的连接处 4.在施工过程中为消除或减小主拱圈的部分附加内力时需设置临时的拱铰。 拱铰的类型主要有：弧形铰、铅垫铰、平铰、不完全铰及钢铰等：,铅垫铰,平铰,不完全铰及钢铰,四 拱桥的设计,1.拱桥的总体布置:拟订结构体系及结构形式;拟订桥梁的长度、跨径、孔数、拱的主要几何尺寸、桥梁的高度、墩台及基础形式和埋置深度、桥上及桥头引道的纵坡等. (1)确定桥梁长度:泄洪需要 与路堤连接需要 (2)分孔:结合结构体系和施工条件,选择单孔或多孔;多孔分孔 时,考虑通航要求,经济分孔,地形地质条件等因素. (

12、3)确定设计高程 桥面高程:纵断面设计控制,考虑排洪、航道等级等因素 拱顶底面高程:桥面高程-拱顶建筑高度 起拱线高程:由失跨比要求确定 基础底面高程:根据冲刷深度、地基承载力等因素确定,(4)矢跨比的确定 主拱矢跨比(f/l)是拱桥设计的主要参数之一。恒载的水平推力与垂直反力之比(H/V) ，随着主拱矢跨比的减小而增大。 主拱矢跨比越小，产生的推力越大，在主拱内产生的轴向压力也越大，对主拱的受力状况有利；因温度变化、材料收缩、墩台位移等原因在主拱内产生的附加内力会增大，对主拱不利；对于多孔拱桥，连拱作用会更显著，对主拱也不利。 主拱矢跨比过大时，拱脚区段过陡，给主拱的砌筑或浇筑带来困难。当上

13、承式拱桥的桥面标高和跨径确定后，主拱矢跨比将影响桥下净空和拱脚标高。 主拱矢跨比必须根据地形、地质、水文、路线标高和桥梁结构型式等各方面因素综合考虑决定。,对于板拱桥、双曲拱桥一般为1/41/6，不宜小于1/8；肋拱桥、箱形拱桥一般为1/61/8，不宜小于1/10；桁架拱桥一般为1/61/10，刚架拱桥一般为1/71/10，桁式组合拱桥一般为1/61/9,都不宜小于1/12；拱式组合体系桥柔性系杆刚性拱一般为1/41/5,刚性系杆柔性拱一般为1/51/7,刚性系杆刚性拱一般为1/51/6.5。,2.不等跨连续拱桥的处理方法:为了便于施工和平衡桥墩上所承受的推力，多孔拱桥最好选用等跨分孔方案。但

14、当受地形、地质、通航等条件的限制,或引桥很长,考虑桥面纵坡协调一致时,或对桥梁的美观有特殊要求时,可采用不等跨分孔,不等跨拱桥,相临孔恒载推力不等,使桥墩和基础增加了恒载的不平衡推力.在采用柔性墩的多孔连续拱桥中,需考虑由此引起的连拱作用,使计算和构造复杂.为减小不平衡推力,改善桥墩、基础的受力状况,节省材料和造价,可采用如下措施:,1)采用不同的矢跨比，使相邻孔在恒载作用下的不平衡推力尽量减小。 2)采用不同的拱脚标高，使大跨和小跨的恒载水平推力对基底产生的弯矩接近平衡。 3)采用不同类型的拱跨结构或材料,以调整大、小跨由恒载产生的水平推力,使之接近平衡。 上述措施可以综合使用，如果仍不能达

15、到完全平衡恒载推力的目的，则需加大墩台和基础尺寸或设计成不对称形式。,桥梁与道路结构,3.拱轴线的选择与确定,拱轴线的形状直接影响主截面的内力分布与大小，选择拱轴线的原则，是要尽可能降低荷载产生的弯矩。最理想的拱轴线是与拱上各种荷载作用下的压力线相吻合，使拱圈截面只受压力，而无弯矩及剪力的作用，截面应力均匀，能充分利用圬工材料的抗压性能。实际上由于活载、主拱圈弹性压缩以及温度、收缩等因素的作用，实际上得不到理想的拱轴线。一般以恒载压力线作为设计拱轴线。,线形最简单，施工最方便。但圆弧拱轴线一般与恒载压力线偏离较大，使拱圈各截面受力不够均匀。常用于1520m以下的小跨径拱桥。圆弧线的拱轴方程为：

16、,（一）圆弧线,（二）抛物线拱,在竖向均布荷载作用下，拱的合理拱轴线是二次抛物线。对于恒载集度比较接近均布的拱桥（如矢跨比较小的空腹式钢筋混凝土拱桥，或钢筋混凝土桁架拱和刚架拱等轻型拱桥），往往可以采用抛物线拱。其拱轴线方程为：,4.其他形式:高次抛物线 某些大跨径拱桥中,由于拱上建筑布置的特殊性,为了使拱轴线尽可能与结构自重压力线相吻合,长采用高次抛物线.,红星桥跨越深谷，桥高达65m，主拱跨径108m，副拱跨径分别为24.5m、9m及7m，全长155.8m。采用三铰双曲拱，左右采用8次抛物线的不对称拱线。,空腹式拱桥的恒载从拱顶到拱脚不再是连续分布的（如下图），其 恒载压力线是一条不光滑的

17、曲线，难于用连续函数来表达。目前最 普遍的还是采用悬连线作为空腹拱的拱轴线，仅需拱轴线在拱顶、 跨径的四分之一点和拱脚处与压力线重合。,（三）、悬链线桥,实腹式拱桥的恒载集度从拱顶到拱脚均匀增加，其压力线是一条悬 链线（如下图）。一般采用恒载压力线作为实腹式拱桥的拱轴线,第二节 中、下承式钢筋混凝土拱桥的设计与构造,一、概述 当桥梁的建筑高度受到严格限制时，若采用上承式拱桥往往有困难，可采用中、下承式拱桥满足桥下净空要求；在不等跨的多孔连续拱桥中，为了平衡左右桥墩的水平推力，将较大跨径一孔的矢跨比加大，做成中承式拱桥，可以减小大跨的水平推力；在平坦地形的河流上，采用中、下承式拱桥可以降低桥面的

18、高度，有利于改善桥梁两端引道的工程数量。应注意的是中下承式拱桥是推力拱，宜选择较好的地基。有时为了满足当地景观和美学的需要,特别是多孔连续的中、下承式拱桥,以其波浪形起伏、构件轻巧给人以美感.,茅草街桥,2.下承式拱桥 桥跨结构由拱肋、悬吊结构和横向联结系三部分组成.用吊杆将纵横梁系统悬挂在拱肋下,在纵横梁系统上支承车道板,组成桥面系.,水门大桥,新城黄河桥,二、中下承式拱桥的基本组成和构造,1、拱肋 中下承式拱桥的拱肋一般采用无铰拱,以保证其刚度.拱肋截面形式根据跨径的大小、荷载的等级和结构的总体尺寸,可以选用矩形、工字形、箱形或管形.,矩形截面施工简单,用于中小跨径.肋高约为跨径的1/40

19、1/70,肋宽约为肋高的0.51.0倍. 工字形和箱形截面常用于大跨径的拱桥,拱顶肋高采用如下经验公式:,2、横向联系:保证两片拱肋的横向刚度和稳定以承受作用在拱肋、桥面及吊杆上的横向水平力.,卢浦大桥一字横撑,天津彩虹桥-K形对角撑,成昆线迎水河桥 x形,茅草街桥,3、悬挂系统:包括吊杆和桥面系,吊杆将纵梁和横梁系统悬挂在拱肋下,桥面荷载通过吊杆和桥面系将作用力传递到拱肋上,(1)吊杆 刚性吊杆截面一般为矩形，采用预应力混凝土；除承受轴力外，还必须抵抗上下节点处的局部弯矩。为了减小刚性吊杆承受的弯矩，其截面尺寸在顺桥方向应设计得小一些，而在横桥向为了增加拱肋的稳定性，尺寸应该设计得大一些。,

20、柔性吊杆,柔性吊杆一般采用高强钢丝索或冷轧粗圆钢制作，只承受轴力。关键是保证钢索的耐久性，防止钢丝的锈蚀非常重要。,2、横梁的构造,桥面横梁,固定横梁：为桥面系与拱肋相交处的横梁，其截面尺寸与 刚度远比其它横梁大。,普通横梁：通过吊杆悬挂在拱肋下的横梁,刚架横梁：中承式拱桥通过立柱支承在拱肋上的横梁,1)固定横梁,1988广东广州流溪桥 （L=90m） 钢筋混凝土箱肋中承式拱，拱矢度1/4.5，全桥采用喷塑装修工艺，建筑宏伟壮丽，已成为公园的重要景观。,2)普通横梁,3)刚架横梁（见拱上刚架的构造）,3、桥面板及纵梁的构造,4、拱上门式刚架的构造,1988广东广州流溪桥 （L=90m） 钢筋混

21、凝土箱肋中承式拱，拱矢度1/4.5，全桥采用喷塑装修工艺，建筑宏伟壮丽，已成为公园的重要景观。,第三节 拱式组合体系桥的设计与构造,拱式组合体系为在拱式桥跨结构中，将梁和拱两种基本结构组合起来，共同承受荷载，充分发挥梁受弯，拱受压的特点。根据拱肋和行车道的联接方式不同，拱式组合体系可划分为有推力拱和无推力拱两种类性。无推力拱又称系杠拱，为本课主要介绍内容。,一 概述,1.简支梁拱组合式桥梁 只用于下承式,外部静定结构,内部高次超静定.,主要类型,柔性系杠刚性拱,系杆仅受拉 拱肋受压和弯,严格讲：,一般要求:,柔性系杆拱是无推力组合拱桥中出现得较早的一种类型，但是在向更大跨度发展和承受更重荷载时

22、，必须加大拱肋截面尺寸，柔性系杠和拱肋的联接部位更趋于复杂化，与其它拱式组合体系相比，用料多，施工不便，因而较少在大跨重载情况下使用。,刚性系杆柔性拱,系杆受拉和弯 拱肋主要受压,这种体系以梁为主要承重结构，相当于把桁架弦杠与梁组合起来，以梁为受力主体，曲线桁架对梁加劲。,刚性系杆刚性拱,系杆、拱肋受力介于以上两者之间,拱肋和系杆都有一定的抗弯刚度，荷载引起的弯矩在拱肋和系杠之间按刚度分配，共同承受纵向力和弯矩。设计荷载较大的桥梁采用.以上三种组合体系中，当用斜吊杠代替竖杠时，又称尼尔森体系,2.连续梁拱组合式桥梁,单悬臂组合式桥梁 单悬臂织合式桥梁只适用于上承式，采用转休施工特别方便。单悬臂

23、梁拱组合式桥梁实际是将实腹梁挖空，用立柱代替梁腹板，原腹板剪力主要由拱肋竖向分力及加劲梁剪力平蘅.,1.拱肋,柔性系杆刚性拱：与普通中下承式拱相同,刚性系杆柔性拱：可将拱肋高h从（1/1001/120)l压缩到（1/1401/160)l，若采用刚性吊杆，则横向刚度较大的拱肋、吊杆与系杆组成半框架，一般情况下可不设横梁。,刚性系杆刚性拱：拱肋高 h（1/501/80)l,二、拱式组合体系桥的基本组成和构造,二、系杆,构造原则：一方面要考虑系杆与拱肋联接，保证系杆能很好地与拱肋共同受力；另一方面又要避免桥面行车道因阻碍系杆受拉而遭到破坏。构造上处理方法有：,在行车道设置横向断缝,系杠采用型钢刚或扁钢制造,采用独立的钢筋混凝土系杆 预应力系杆,