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1、*1桥梁工程系桥梁工程系朱尔玉教授朱尔玉教授刘磊副教授刘磊副教授土木建筑工程学院（School of Civil Engineering）第第12章章预应力混凝土拱桥预应力混凝土拱桥n12.1预应力拱桥的特点、类型、组成预应力拱桥的特点、类型、组成n12.1.1：概述：概述n12.1.2：拱桥特点：拱桥特点n12.1.3：拱桥组成和分类：拱桥组成和分类n12.1.4：预应力技术在拱桥中的应用：预应力技术在拱桥中的应用n12.2预应力混凝土拱桥构造预应力混凝土拱桥构造n12.2.1：主拱圈的构造：主拱圈的构造n12.2.2：拱上建筑的构造：拱上建筑的构造n12.2.3：其他细部构造：其他细部构造
2、n一：概述：一：概述：n中国是拱桥的国度，在公元前中国是拱桥的国度，在公元前282年就有了石拱桥的文字记年就有了石拱桥的文字记载，考古发现公元前载，考古发现公元前250年周末的墓穴中就有了砖拱。中国年周末的墓穴中就有了砖拱。中国进入隋，唐，宋，元时期，国力相对强盛，经济发展，桥梁进入隋，唐，宋，元时期，国力相对强盛，经济发展，桥梁建设也取得了辉煌的成就，其中最具代表性的当属公元建设也取得了辉煌的成就，其中最具代表性的当属公元606年建成的河北赵县安济桥。新中国成立后，桥梁建设水平有年建成的河北赵县安济桥。新中国成立后，桥梁建设水平有了新的飞跃，大，中跨径的上承式拱桥陆续被修建。但是，了新的飞跃
3、，大，中跨径的上承式拱桥陆续被修建。但是，此种桥型多为在山区修建，因为，拱桥产生的水平推力是惊此种桥型多为在山区修建，因为，拱桥产生的水平推力是惊人的，把它架在两山之间当然没问题，水平力肯定推不动大人的，把它架在两山之间当然没问题，水平力肯定推不动大山，如果在平原地区普通地质的地方修建此种桥梁，那水平山，如果在平原地区普通地质的地方修建此种桥梁，那水平推力得需要修建很大体积的基础工程才能平衡掉，所以在预推力得需要修建很大体积的基础工程才能平衡掉，所以在预应力技术出现以前，此种桥型在平原地区的竞争力不强，但应力技术出现以前，此种桥型在平原地区的竞争力不强，但随着体外预应力技术的成熟，这种平原地区
4、梁板式桥梁随着体外预应力技术的成熟，这种平原地区梁板式桥梁-统统天下的局面逐渐被打破了天下的局面逐渐被打破了二、拱桥特点n1：跨越能力大，目前钢筋混凝土拱桥最大跨径已达：跨越能力大，目前钢筋混凝土拱桥最大跨径已达500m以以上上n2：构造简单，技术容易被掌握，有利于推广：构造简单，技术容易被掌握，有利于推广n3：外形美观，能与周围环境较好协调，特别是在西部地区，：外形美观，能与周围环境较好协调，特别是在西部地区，山陵沟壑拱桥犹如一条彩虹飞跃两岸。山陵沟壑拱桥犹如一条彩虹飞跃两岸。n4：与一般拱桥相比自重较轻，预应力混凝土拱桥适于在软：与一般拱桥相比自重较轻，预应力混凝土拱桥适于在软地基土上施工
5、，减少了下部结构工程量。地基土上施工，减少了下部结构工程量。n5：受力合理，能充分发挥材料的作用，用料经济：受力合理，能充分发挥材料的作用，用料经济n6：与其他体系桥梁相比，预应力拱桥拱桥造价较低：与其他体系桥梁相比，预应力拱桥拱桥造价较低n7装配化程度高，施工工序少，可充分利用施工单位的现装配化程度高，施工工序少，可充分利用施工单位的现有设备，达到缩短工期、节省人工的目的有设备，达到缩短工期、节省人工的目的三、拱桥组成三、拱桥组成n桥跨结构和下部结构两部分桥跨结构和下部结构两部分n根据行车道位置不同，拱桥的桥跨结构可以做成上承式，中根据行车道位置不同，拱桥的桥跨结构可以做成上承式，中承式和下
6、承式承式和下承式 基本组成拱桥分类n1：按照拱上建筑的形式可以分为：实腹式拱桥及空腹式拱桥n（1）实腹n式拱桥：n（2）空腹式拱桥：nnnnn赵州桥，n又名安济桥n跨径37.02米n全长50.82米n为空腹式n石拱桥2按照拱轴线的型式可分为：圆弧拱桥、抛物线拱桥、按照拱轴线的型式可分为：圆弧拱桥、抛物线拱桥、悬链线拱桥悬链线拱桥n圆弧拱桥：圆弧拱桥：拱圈轴线按部分圆弧线设置的拱桥。优点构造拱圈轴线按部分圆弧线设置的拱桥。优点构造简单，石料规格最少，备料、放样、施工都很简便；缺点是简单，石料规格最少，备料、放样、施工都很简便；缺点是受荷时拱内压力线偏离拱轴线较大，受力不均匀。一般适用受荷时拱内压
7、力线偏离拱轴线较大，受力不均匀。一般适用于跨度小于于跨度小于20m的石拱桥。的石拱桥。n抛物线拱桥：抛物线拱桥：拱圈轴线按抛物线设置的拱桥，是悬链线拱拱圈轴线按抛物线设置的拱桥，是悬链线拱桥的一种特例。优点是弯矩小，材料省，跨越能力较大；缺桥的一种特例。优点是弯矩小，材料省，跨越能力较大；缺点是构造较复杂，如果是石拱桥则料石的规格较多，施工较点是构造较复杂，如果是石拱桥则料石的规格较多，施工较不方便。不方便。n悬链线拱桥：拱圈轴线按悬链线设置的拱桥。优点是受力均悬链线拱桥：拱圈轴线按悬链线设置的拱桥。优点是受力均匀，弯矩不大，节省材料。多适用于实腹拱桥，大跨度的空匀，弯矩不大，节省材料。多适用
8、于实腹拱桥，大跨度的空腹拱桥中也常常采用这种线形布置。（丹河大桥，位于山西腹拱桥中也常常采用这种线形布置。（丹河大桥，位于山西省晋焦高速公路上，省晋焦高速公路上，2000年建成，上部结构为空腹式变截面年建成，上部结构为空腹式变截面悬链线石拱桥，跨径悬链线石拱桥，跨径146米。全长米。全长425.6米）米）3按照有无水平推力可分为：有推力拱桥、无推力拱桥按照有无水平推力可分为：有推力拱桥、无推力拱桥n无推力拱桥：在竖向荷载作用下拱脚对墩台无水平推力作用无推力拱桥：在竖向荷载作用下拱脚对墩台无水平推力作用的拱桥。其推力由刚性梁或柔性杆件承受，属于内部超静定、的拱桥。其推力由刚性梁或柔性杆件承受，属
9、于内部超静定、外部静定的组合体系拱桥。适用于地质不良的桥位处，墩台外部静定的组合体系拱桥。适用于地质不良的桥位处，墩台与梁式桥基本相似，体积较大，只能做成下承式桥，建筑高与梁式桥基本相似，体积较大，只能做成下承式桥，建筑高度很小，桥面标高可设计的很低，降低纵坡，减小引桥长度，度很小，桥面标高可设计的很低，降低纵坡，减小引桥长度，因此可以节约材料。但是，结构的施工比较复杂。因此可以节约材料。但是，结构的施工比较复杂。n有推力拱桥：在竖向荷载作用下拱脚对墩台有水平推力作用有推力拱桥：在竖向荷载作用下拱脚对墩台有水平推力作用的拱桥。水平推力可减小跨中弯矩，能建成大跨度的桥梁。的拱桥。水平推力可减小跨
10、中弯矩，能建成大跨度的桥梁。造型美观，城市桥梁一般优先选用，可做成上承式、中承式造型美观，城市桥梁一般优先选用，可做成上承式、中承式桥。缺点是，对地质要求很高，为防止墩台移动或转动，墩桥。缺点是，对地质要求很高，为防止墩台移动或转动，墩台须设计很大，施工较麻烦。台须设计很大，施工较麻烦。n无推力组合体系拱有推力组合体系拱4按照建筑材料的不同可分为：石拱桥、混凝土拱桥、按照建筑材料的不同可分为：石拱桥、混凝土拱桥、钢拱桥钢拱桥n石拱桥：用石料建造的拱桥，外形美观，养护简便，并可以石拱桥：用石料建造的拱桥，外形美观，养护简便，并可以就地取材，以减低造价。缺点是自重大，跨越能力有限，石就地取材，以减
11、低造价。缺点是自重大，跨越能力有限，石料的开采、加工和砌筑均需要较多的劳动力，且工期较长。料的开采、加工和砌筑均需要较多的劳动力，且工期较长。一般用于小跨径桥梁。一般用于小跨径桥梁。n混凝土拱桥：混凝土拱桥：用混凝土建造的拱桥，包括素混凝土和钢筋混用混凝土建造的拱桥，包括素混凝土和钢筋混凝土两类。其优点是加工和制造较石拱桥方便，工期段；缺凝土两类。其优点是加工和制造较石拱桥方便，工期段；缺点是由于混凝土点是由于混凝土抗拉抗拉强度很低，故其跨越能力小，且混凝强度很低，故其跨越能力小，且混凝土耗费量大。一般用于小跨径桥梁。土耗费量大。一般用于小跨径桥梁。n钢拱桥：上部结构用钢材建造的拱桥类型。其优
12、点是跨越能钢拱桥：上部结构用钢材建造的拱桥类型。其优点是跨越能力大，且自重是三种拱桥中最轻的；缺点是结构复杂，由于力大，且自重是三种拱桥中最轻的；缺点是结构复杂，由于三铰拱钢拱桥一般不用，所以对地基要求高，造价高，且维三铰拱钢拱桥一般不用，所以对地基要求高，造价高，且维护费用高。适用于大跨度桥梁中。护费用高。适用于大跨度桥梁中。5按照主拱的截面形式分类按照主拱的截面形式分类n板拱，肋拱，双曲拱，箱型拱板拱，肋拱，双曲拱，箱型拱n安徽铜黄太平湖提篮拱安徽铜黄太平湖提篮拱n桥净跨桥净跨336米米6、按照铰的多少可分为：两铰、三铰、无铰、按照铰的多少可分为：两铰、三铰、无铰n三铰拱：在拱冠与拱端处均
13、设铰的拱桥，属于静定结构。三铰拱：在拱冠与拱端处均设铰的拱桥，属于静定结构。n两铰拱：拱圈中间无铰而两端设铰与墩台铰接的拱桥，属于两铰拱：拱圈中间无铰而两端设铰与墩台铰接的拱桥，属于外部一次超静定结构。外部一次超静定结构。n无铰拱：无铰拱：又称固端拱桥。拱圈两端嵌固在桥墩上而中间无铰又称固端拱桥。拱圈两端嵌固在桥墩上而中间无铰的拱桥，属于外部三次超静定结构。的拱桥，属于外部三次超静定结构。12.1.4 预应力技术在拱桥中的应用预应力技术在拱桥中的应用n一：钢管混凝土拱桥一：钢管混凝土拱桥n特点：特点：n1：跨越能力大，因其充分发挥了钢管混凝土结构卓越的材：跨越能力大，因其充分发挥了钢管混凝土结
14、构卓越的材料性能，在料性能，在200400m内基本不存在强度和刚度问题。内基本不存在强度和刚度问题。n2：跨径适应能力强。大跨径桥梁的最大跨径为满足通航或：跨径适应能力强。大跨径桥梁的最大跨径为满足通航或跨越深水基础外，绝大多数跨径在跨越深水基础外，绝大多数跨径在150350m，在这个跨境，在这个跨境范围内钢管混凝土拱桥具有独特优势，既能满足常规的通航范围内钢管混凝土拱桥具有独特优势，既能满足常规的通航要求，又能很好的适应各种地形。要求，又能很好的适应各种地形。n3：施工简便，安全可靠。钢管拱桁架在施工阶段有很好模：施工简便，安全可靠。钢管拱桁架在施工阶段有很好模板，又有很好的劲性承重骨架，非
15、常适宜于先进的泵送工艺，板，又有很好的劲性承重骨架，非常适宜于先进的泵送工艺，节省模板，支架和时间节省模板，支架和时间n4：地基适应能力强。钢管混凝土可以设计成有推力的钢骨：地基适应能力强。钢管混凝土可以设计成有推力的钢骨拱，又可设计成无推力的系杆拱。拱，又可设计成无推力的系杆拱。n组成：钢管混凝土拱肋，悬吊结构（立柱，吊杆，横梁，行组成：钢管混凝土拱肋，悬吊结构（立柱，吊杆，横梁，行车道系，横向联系）和下部构造等，钢管混凝土拱肋是主要车道系，横向联系）和下部构造等，钢管混凝土拱肋是主要的承重结构，它承受桥上全部荷载，并将荷载传递给墩台和的承重结构，它承受桥上全部荷载，并将荷载传递给墩台和基础
16、基础n可以做成上承式，中承式或下承式，都做成肋拱桥，拱轴线可以做成上承式，中承式或下承式，都做成肋拱桥，拱轴线常采用二次抛物线或低拱轴系数的悬链线。常采用二次抛物线或低拱轴系数的悬链线。n文惠桥文惠桥,1994年年n建成通车。主桥建成通车。主桥n587米，广西第米，广西第n一座中承式钢管一座中承式钢管n混凝土拱桥。混凝土拱桥。n预应力技术的应用预应力技术的应用n预应力混凝土系杆拱桥预应力索布设：预应力混凝土系杆拱桥预应力索布设：n1：系杆预应力索：系杆是以轴向拉力为主，弯矩为次的结：系杆预应力索：系杆是以轴向拉力为主，弯矩为次的结构它的受力与拱肋、吊杆的刚度相关。拱肋的刚度愈大，构它的受力与拱
17、肋、吊杆的刚度相关。拱肋的刚度愈大，系杆承受的轴向拉力也愈大，同时弯矩减小，而吊杆的刚度系杆承受的轴向拉力也愈大，同时弯矩减小，而吊杆的刚度越大，系杆内力越呈现出等跨连续粱的特征，节点负弯矩和越大，系杆内力越呈现出等跨连续粱的特征，节点负弯矩和节间正弯矩都将变小。系杆是受轴向拉力开裂，因此必须施节间正弯矩都将变小。系杆是受轴向拉力开裂，因此必须施加预应力以抵抗轴向拉力加预应力以抵抗轴向拉力n2：横梁预应力索：横梁预应力索n3：横撑，系梁预应力索：横撑，系梁预应力索n4：吊杆：吊杆是轴向受拉构件，起传递行车道系恒载和活：吊杆：吊杆是轴向受拉构件，起传递行车道系恒载和活载的作用，选择适宜的吊杆结构
18、形式有利于施工和拱肋系杆载的作用，选择适宜的吊杆结构形式有利于施工和拱肋系杆的受力。大刚度的吊杆愈使系杆内力显示出连续梁的特征，的受力。大刚度的吊杆愈使系杆内力显示出连续梁的特征，在钢管混凝土结构内布置粗钢筋或预应力筋抵抗轴向拉力。在钢管混凝土结构内布置粗钢筋或预应力筋抵抗轴向拉力。n5：预应力锚固系统：预应力锚固系统n二：桁架拱桥二：桁架拱桥普通桁架拱和桁式组合拱普通桁架拱和桁式组合拱n（1）普通桁架拱）普通桁架拱n1）特点：兼备桁架和拱式结构的有利因素，能充分发挥材）特点：兼备桁架和拱式结构的有利因素，能充分发挥材料的受力性能，可以采用钢筋混凝土或预应力混凝土材料建料的受力性能，可以采用钢
19、筋混凝土或预应力混凝土材料建造，具有刚度大，质量轻，节省材料，受力合理的特点。桁造，具有刚度大，质量轻，节省材料，受力合理的特点。桁架拱外部通常采用两铰拱，由温度变化，基础位移引起的附架拱外部通常采用两铰拱，由温度变化，基础位移引起的附加内力较小，适合于软弱地基建造；缺点：杆件纤细，模板加内力较小，适合于软弱地基建造；缺点：杆件纤细，模板复杂，浇注和调运要求高。若为钢筋混凝土桁架，其受弯部复杂，浇注和调运要求高。若为钢筋混凝土桁架，其受弯部位和刚性节点处的竖杆，斜杆容易开裂，影响整体刚度和耐位和刚性节点处的竖杆，斜杆容易开裂，影响整体刚度和耐久性，维修保养困难。久性，维修保养困难。n2）主要组
20、成）主要组成n上部结构：桁架拱片（上弦杆，下弦杆，腹杆，拱顶实腹段）上部结构：桁架拱片（上弦杆，下弦杆，腹杆，拱顶实腹段），横向联结系，桥面，横向联结系，桥面n根据腹杆布置和受力特性不同桁架拱片分为：斜腹杆式（斜根据腹杆布置和受力特性不同桁架拱片分为：斜腹杆式（斜压杆式，斜拉杆式，三角式），竖腹杆式压杆式，斜拉杆式，三角式），竖腹杆式用于大跨径预应力混凝土拱桥，它与普通桁架拱的不同之处用于大跨径预应力混凝土拱桥，它与普通桁架拱的不同之处在于上弦杆断点位置不同。桁式组合拱上弦杆断点设在墩台在于上弦杆断点位置不同。桁式组合拱上弦杆断点设在墩台顶部至拱顶之间的某个部位，从断点到墩台顶部形成一个悬顶部
21、至拱顶之间的某个部位，从断点到墩台顶部形成一个悬臂桁架，两断点成为一普通桁架拱，但下弦杆仍保持连续。臂桁架，两断点成为一普通桁架拱，但下弦杆仍保持连续。普通桁架拱上弦杆没有断点，直接简支于墩台。整个结构纵，普通桁架拱上弦杆没有断点，直接简支于墩台。整个结构纵，横向刚度大，施工运营阶段稳定性好。由于上弦断开，使拱横向刚度大，施工运营阶段稳定性好。由于上弦断开，使拱顶正弯矩比同跨普通桁架拱减小顶正弯矩比同跨普通桁架拱减小30%拱片横向联系（2）桁式组合拱：n桁式组合拱桥上部构造的所有构件均采用闭合箱形截面，虽桁式组合拱桥上部构造的所有构件均采用闭合箱形截面，虽然给预制和拼装带来一定的困难，却充分利
22、用了材料性能，然给预制和拼装带来一定的困难，却充分利用了材料性能，n节省了材料，且箱形截面抗弯和抗扭刚度都很大，力学性能节省了材料，且箱形截面抗弯和抗扭刚度都很大，力学性能好，有明显的技术经济效果。跨径不大时，两边肋可以做成好，有明显的技术经济效果。跨径不大时，两边肋可以做成工字型截面，安装就位后再加盖顶、底板，组成单室单箱截工字型截面，安装就位后再加盖顶、底板，组成单室单箱截面，面，n跨径较大时，边肋做成小箱形截面，安装就位后再加盖顶、跨径较大时，边肋做成小箱形截面，安装就位后再加盖顶、n底板，组成底板，组成3室单箱截面。室单箱截面。n桁式组合拱桥的斜杆和竖杆均可以做成桁式组合拱桥的斜杆和竖
23、杆均可以做成2个分离式截面，个分离式截面，n其间用剪刀撑或横系梁加以连接。其间用剪刀撑或横系梁加以连接。n桁式组合拱桥杆件之间的内力传递是通过节点桁式组合拱桥杆件之间的内力传递是通过节点(杆件的交杆件的交n汇处徕完成的。汇处徕完成的。n预应力技术的应用预应力技术的应用大跨径的桁式组合拱桥，一般采用斜拉式桁构，斜杆受拉，因大跨径的桁式组合拱桥，一般采用斜拉式桁构，斜杆受拉，因此，斜杆单箱的几何尺寸，还必须满足布置预应力钢筋的要求。此，斜杆单箱的几何尺寸，还必须满足布置预应力钢筋的要求。竖杆一律为压杆，不需要设置预应力钢筋，因竖杆比斜杆短，竖杆一律为压杆，不需要设置预应力钢筋，因竖杆比斜杆短，相对
24、刚度较大，所以分配的节点弯矩也很大，越短的竖杆节点相对刚度较大，所以分配的节点弯矩也很大，越短的竖杆节点弯矩越大。为了减少节点弯矩，施工过程中通常将竖杆两端截弯矩越大。为了减少节点弯矩，施工过程中通常将竖杆两端截面弱化，切断受力钢筋，增设面弱化，切断受力钢筋，增设x钢筋，作为简易铰，以消除恒钢筋，作为简易铰，以消除恒载节点弯矩，待悬拼合拢、体系转换后再将主筋焊接好，用混载节点弯矩，待悬拼合拢、体系转换后再将主筋焊接好，用混凝土封闭缺口，恢复固结状态。对整个结构而言，各杆件特征凝土封闭缺口，恢复固结状态。对整个结构而言，各杆件特征截面的经济指数截面的经济指数(面积和应力的乘积面积和应力的乘积)之
25、和越小，截面的刚度比之和越小，截面的刚度比就越合理，工程量就越小。就越合理，工程量就越小。12.2预应力混凝土拱桥构造预应力混凝土拱桥构造n12.2.1：主拱圈的构造：主拱圈的构造n一：板拱：在砌筑料石拱圈时，根据受力的需要，构造上应一：板拱：在砌筑料石拱圈时，根据受力的需要，构造上应满足以下几点要求：满足以下几点要求：n（1）拱石受压面的砌缝应是辐射方向，即与拱轴线相垂直。）拱石受压面的砌缝应是辐射方向，即与拱轴线相垂直。这种辐向砌缝一般可做成通缝，不必错缝。这种辐向砌缝一般可做成通缝，不必错缝。n（2）当拱圈厚度不大时，可采用单层拱石砌筑，当拱厚较）当拱圈厚度不大时，可采用单层拱石砌筑，当
26、拱厚较大时可采用多层拱石砌筑，对此要求垂直于受压面的顺桥向大时可采用多层拱石砌筑，对此要求垂直于受压面的顺桥向砌缝错开，其错缝间距不小于砌缝错开，其错缝间距不小于10cm。n（3）在拱圈的横截面内，拱石的竖向砌缝应当错开，其错）在拱圈的横截面内，拱石的竖向砌缝应当错开，其错开宽度至少开宽度至少10cm。n（4）砌缝的缝宽不应大于）砌缝的缝宽不应大于2cm。n（5）拱圈与墩台、空腹式拱上建筑的腹孔墩与拱圈相连接）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态处，应采用特制的五角石，以改善连接处的受力状态n二：肋拱二：肋拱n用两条或多条分离的平行窄拱圈
27、用两条或多条分离的平行窄拱圈即拱肋作为主拱圈的拱称即拱肋作为主拱圈的拱称为肋拱。为肋拱。n在分离的肋拱之间，需设置足够数量和刚度的横系梁，以保在分离的肋拱之间，需设置足够数量和刚度的横系梁，以保证各拱肋的横向稳定性和整体性，可充分发挥钢筋等材料的证各拱肋的横向稳定性和整体性，可充分发挥钢筋等材料的优势，具有较好的经济性，现已在大中型拱桥中广泛使用。优势，具有较好的经济性，现已在大中型拱桥中广泛使用。n拱肋是肋拱桥的主要承重结构，其肋数和间距以及拱肋的截拱肋是肋拱桥的主要承重结构，其肋数和间距以及拱肋的截面形式主要根据桥梁宽度、所用材料、施工方法与经济性等面形式主要根据桥梁宽度、所用材料、施工方
28、法与经济性等方面综合考虑决定方面综合考虑决定n拱肋的截面形式，根据跨度大小和载重等级，可以选用实体拱肋的截面形式，根据跨度大小和载重等级，可以选用实体矩形、工字形、箱形、管形等，如图所示矩形、工字形、箱形、管形等，如图所示矩形截面具有构造简单、施工矩形截面具有构造简单、施工方便等优点，一般仅用于中小方便等优点，一般仅用于中小跨径的肋拱。工字形截面由于跨径的肋拱。工字形截面由于截面核心距比矩形截面大，具截面核心距比矩形截面大，具有更大的抗弯能力，适合于拱有更大的抗弯能力，适合于拱内弯矩更大的场合，因而常用内弯矩更大的场合，因而常用于大中跨径的肋拱桥。箱形截于大中跨径的肋拱桥。箱形截面肋拱的构造及
29、特点与箱形拱面肋拱的构造及特点与箱形拱基本相同。基本相同。管形肋拱是指采用钢管混凝土结管形肋拱是指采用钢管混凝土结构作为拱肋的拱桥，一般有单管构作为拱肋的拱桥，一般有单管式、双管式（哑铃形）和四管式、双管式（哑铃形）和四管（梯形、矩形），如图所示（梯形、矩形），如图所示n三、双曲拱三、双曲拱n主拱圈组成：由拱肋、拱波、拱板及横向联系四部分组成。主拱圈组成：由拱肋、拱波、拱板及横向联系四部分组成。拱肋断面分为倒拱肋断面分为倒T形、形、L形、工字形、槽形以及开口箱等。形、工字形、槽形以及开口箱等。双曲拱从断面上看相当于肋板拱，由于它是由几部分按一定双曲拱从断面上看相当于肋板拱，由于它是由几部分按一
30、定顺序组合而成，其截面受力复杂、整体性差，经过顺序组合而成，其截面受力复杂、整体性差，经过30多年的多年的使用证明，这种桥型还存在一些问题，不少双曲拱都出现了使用证明，这种桥型还存在一些问题，不少双曲拱都出现了较为严重的开裂，使其承载能力受到影响，存在安全隐患，较为严重的开裂，使其承载能力受到影响，存在安全隐患，目前新建拱桥已很少采用。目前新建拱桥已很少采用。n四、箱形拱四、箱形拱n箱形拱的主要特点是：箱形拱的主要特点是：n（）截面挖空率大，与板拱相比，可节省大量圬工体积，（）截面挖空率大，与板拱相比，可节省大量圬工体积，减小重量；减小重量；n（）箱形截面能较好地满足主拱圈各截面承受正负弯矩的
31、（）箱形截面能较好地满足主拱圈各截面承受正负弯矩的需要；需要；n（）由于是闭合空心截面，抗弯和抗扭刚度大，拱圈的整（）由于是闭合空心截面，抗弯和抗扭刚度大，拱圈的整体性好，应力分布较均匀；体性好，应力分布较均匀；n（）单条拱肋刚度较大，稳定性较好，能单箱肋成拱，便（）单条拱肋刚度较大，稳定性较好，能单箱肋成拱，便于无支架吊装；于无支架吊装；n（）预制构件的精度要求较高，吊装设备较多，适用于大（）预制构件的精度要求较高，吊装设备较多，适用于大跨径拱桥的修建。跨径拱桥的修建。n因此，箱形截面是大跨径拱桥一种比较经济、合理的截面形因此，箱形截面是大跨径拱桥一种比较经济、合理的截面形式。式。n1、箱形
32、拱截面形式、箱形拱截面形式n箱形拱截面由底板、箱壁、顶板、横隔板等组成。无支架施箱形拱截面由底板、箱壁、顶板、横隔板等组成。无支架施工时，为了减小吊装重量，将主拱圈分为预制的箱肋和现浇工时，为了减小吊装重量，将主拱圈分为预制的箱肋和现浇混凝土两部分施工。其组合形式有以下几种：混凝土两部分施工。其组合形式有以下几种：n（1）U形肋多室箱组合截面将底板和箱壁预制成形肋多室箱组合截面将底板和箱壁预制成U形拱肋形拱肋（内有横隔板），纵向分段吊装合龙后安装预制盖板，再现（内有横隔板），纵向分段吊装合龙后安装预制盖板，再现浇顶板及填缝混凝土，组成多室箱截面。浇顶板及填缝混凝土，组成多室箱截面。n（2）工字
33、形肋多室箱组合截面）工字形肋多室箱组合截面这种截面是在工字形预制拱肋段（沿拱轴方向一定间距设置横这种截面是在工字形预制拱肋段（沿拱轴方向一定间距设置横隔板）吊装合拢后，相邻工字形肋翼缘板直接对接，并对连接隔板）吊装合拢后，相邻工字形肋翼缘板直接对接，并对连接钢板施焊后即形成拱圈截面。钢板施焊后即形成拱圈截面。（3）单箱多室截面）单箱多室截面这种截面外形为一箱，箱内具有多这种截面外形为一箱，箱内具有多个室，单箱多室截面主要用于不能个室，单箱多室截面主要用于不能采用预制吊装的特大型拱桥。采用预制吊装的特大型拱桥。n2、箱形拱的横向连接、箱形拱的横向连接n为了加强箱壁的局部稳定性，提高拱箱抗扭能力，
34、拱箱内每为了加强箱壁的局部稳定性，提高拱箱抗扭能力，拱箱内每隔一定距离设置一道横隔板。除在箱肋接头处、吊装扣点以隔一定距离设置一道横隔板。除在箱肋接头处、吊装扣点以及拱上腹孔墩（或立柱）处必须设置外，其余部分每隔及拱上腹孔墩（或立柱）处必须设置外，其余部分每隔35m设置一道，其厚度为设置一道，其厚度为6080mm。为减小重量，并便于。为减小重量，并便于施工人员通行，通常将横隔板中间挖空。对于多室箱组合截施工人员通行，通常将横隔板中间挖空。对于多室箱组合截面，为了加强拱箱的整体性，箱与箱之间要做横向连接。横面，为了加强拱箱的整体性，箱与箱之间要做横向连接。横向连接的做法一般有以下几种：向连接的做
35、法一般有以下几种：n（1）对于开口箱肋，在横隔板两侧的箱壁上、下预留孔洞，）对于开口箱肋，在横隔板两侧的箱壁上、下预留孔洞，用短钢筋穿过，与横隔板上的预埋钢板焊接，将拱箱之间的用短钢筋穿过，与横隔板上的预埋钢板焊接，将拱箱之间的混凝土与顶板现浇混凝土一起浇筑，拱箱上的竖向筋外伸，混凝土与顶板现浇混凝土一起浇筑，拱箱上的竖向筋外伸，埋入顶板的现浇混凝土中，并在全拱宽设置通长钢筋网，浇埋入顶板的现浇混凝土中，并在全拱宽设置通长钢筋网，浇筑在顶板上的现浇混凝土中筑在顶板上的现浇混凝土中n（2）对于闭口箱肋，在横隔板位置的顶板上预埋钢板，用）对于闭口箱肋，在横隔板位置的顶板上预埋钢板，用短钢筋搭焊连接
36、，并在底板上预留横向分布钢筋，待拱箱合短钢筋搭焊连接，并在底板上预留横向分布钢筋，待拱箱合龙后，将分布钢筋弯起交叉勾住，再现浇混凝土。龙后，将分布钢筋弯起交叉勾住，再现浇混凝土。n3、箱肋的分段及接头形式、箱肋的分段及接头形式n无支架吊装箱肋，其纵向分段视跨径大小及吊装能力来确定。无支架吊装箱肋，其纵向分段视跨径大小及吊装能力来确定。在吊装能力许可时，分段宜少，但接头必须可靠并满足以下在吊装能力许可时，分段宜少，但接头必须可靠并满足以下要求：要求：n(1)易于操作，便于就位；易于操作，便于就位；n(2)有足够的刚度，保证接头点的固结；有足够的刚度，保证接头点的固结；n(3)受力均匀，避免局部受
37、压或偏心。受力均匀，避免局部受压或偏心。n接头形式有下列几种：接头形式有下列几种：n1)中间接头中间接头n接头处的箱壁、顶板、底板同样局部加厚并预埋接头角钢，接头处的箱壁、顶板、底板同样局部加厚并预埋接头角钢，通过定位角钢临时连接和定位，待全拱合龙后，再在接头角通过定位角钢临时连接和定位，待全拱合龙后，再在接头角钢上加盖钢板焊接，最后用混凝土填封接头。钢上加盖钢板焊接，最后用混凝土填封接头。n2)拱座接头拱座接头一般在墩台帽上预留凹槽，槽深一般在墩台帽上预留凹槽，槽深300400mm，并将拱箱端，并将拱箱端部接头处的箱壁、顶板及底板局部加厚至部接头处的箱壁、顶板及底板局部加厚至200300mm
38、，以，以适应局部应力的需要。凹槽内预埋钢板，待拱箱定位合龙后适应局部应力的需要。凹槽内预埋钢板，待拱箱定位合龙后与拱箱壁、顶板、底板内的预埋钢板焊接，然后用混凝土封与拱箱壁、顶板、底板内的预埋钢板焊接，然后用混凝土封填凹槽，其强度等级不得低于拱座混凝土的强度等级。填凹槽，其强度等级不得低于拱座混凝土的强度等级。n4钢筋的布置n大跨径箱形拱桥的主拱圈设计，在运营阶段一般为压应力控制，混凝土的拉应力较小或无拉应力。对闭口箱肋，这部分受力筋对称通长布置在顶、底板上；对于开口箱，则布置在箱壁上缘和底板上。n钢筋数量主要由箱肋段在吊运和悬挂过程中的受力情况计算确定。n12.2.2拱上建筑的构造n拱上建筑
39、分为实腹式和空腹式两大类。n1、实腹式拱上建筑n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。实腹式拱上建筑一般适用于小跨径的板拱桥。拱腹填料分为填充式和砌筑式两种。填充式拱腹填料通常采用透水性好、土侧压力小的砾石、碎石、粗砂或卵石类粘土等材料分层夯实。n砌筑式拱腹就是在散粒料不易取得时，采用干砌圬工或浇筑贫混凝土。n侧墙设置在拱圈两侧，作用是围护拱腹填料，通常采用浆砌块石或片石，若有特殊的美观要求时，可用料石镶面。n护拱设于拱脚处，一般用现浇混凝土或砌筑块、片石修筑，以便加强拱脚段的拱圈。n2、空腹式拱上建筑n1）拱式拱上建筑n拱式拱上建筑构造简单，外形美观，但
40、重量较大，一般多用于圬工拱桥，腹孔对称布置，每半跨的腹孔总长不宜超过主拱跨径的1/41/3。腹孔墩由底梁、墩身和墩帽组成。腹孔墩可采用横墙式或排架式两种。n2）梁式拱上建筑n采用梁式腹孔拱上建筑，可使桥梁造型轻巧美观，减小拱上重量和地基承压力，以便获得更好的经济效果。大跨径混凝土拱桥一般都采用梁式腹孔拱上建筑。梁式腹孔结构又分为简支、连续或框架式三种，如图所示。（1）简支腹孔（纵铺桥道板梁）是大跨径拱桥拱上建筑主要采用的形式。（2）连续腹孔（横铺桥道板梁）主要用于肋拱桥，适合于建筑高度受限制的拱桥。（3）框架腹孔框架腹孔在横桥向根据需要设置多片，每片之间通过系梁形成整体。n12.2.3拱桥的其
41、他细部构造1、拱上填料、桥面及人行道拱上填料作用：一方面能起到扩大车辆荷载分布面积的作用，另一方面还能够减小车辆荷载对拱圈的冲击作用，但同时也增加了拱桥的恒载重量。拱桥行车道部分其构造与梁桥相似。2、伸缩缝与变形缝作用：为使结构的受力与设计相符，避免拱上建筑不规则开裂。位置：实腹拱伸缩缝多做成直线形。拱式空腹拱桥在紧靠墩台的腹拱铰上方设置伸缩缝，且贯通全桥宽，而其余两拱铰上方设置变形缝。n3、排水及防水n作用：将雨水及时排出，保证结构耐久性n1）桥面排水，为便于桥面排水，行车道应根据不同的路面材料设置1.5%3.0%的横坡（单幅桥为双向坡，双幅桥为单向坡），人行道则设置与行车道反向的1%横坡。
42、n2）防水设施n实腹式拱桥防水层应沿拱背护拱、侧墙铺设。单孔桥，不设泄水管，积水沿防水层流至两个桥台后面的盲沟排出路堤，多孔拱桥，在1/4跨径处设泄水管。n空腹式拱桥中带实腹段的拱式腹拱桥，防水层沿腹拱上方和主拱圈实腹段的拱背铺设，泄水管宜布置在1/4跨径附近。n防水层在全桥范围内不宜断开，当通过伸缩缝或变形缝处应妥善处理，使其既能防水又可以适应变形，其构造可见图。n4、拱铰n拱铰的形式按照铰所处的位置、作用、受力大小、使用材料等条件综合考虑。n目前常用的有以下几种形式：n1）弧形铰n弧形铰一般用钢筋混凝土、混凝土、石料等做成。它由两个具有不同半径弧形表面的块件组成，一个为凹面（半径为R2），
43、一个为凸面（半径为R1）R2与R1的比值常在1.21.5范围内取用。铰的宽度应等于构件的全宽，沿拱轴线的长度取为拱厚的1.151.20倍。主要用于主拱圈的拱铰。n2）铅垫铰n中小跨径的板拱或肋拱，可以采用铅垫铰。铅垫铰用厚度1520mm的铅垫板外部包以锌、铜（1020mm）薄片做成。垫板宽度为拱圈厚度的n1/41/3，在主拱圈的全部n宽度上分段设置。铅垫铰也n可用作临时铰。n3）平铰n对空腹式的腹拱圈，由于跨径较小，可以采用构造简单的平铰。n4）不完全铰n对于小跨径或轻型的拱圈以及空腹式拱桥的腹孔墩（柱）铰，目前常用不完全铰。5）钢铰钢铰通常做成理想铰。钢铰除用于少数有铰钢拱桥的永久性铰结构外
44、，更多的是用于施工需要的临时铰。如钢管混凝土拱拱桁架架设或劲性骨架混凝土拱桥劲性骨架安装时，多采用这种铰n5：预应力桁式组合拱桥体系细部构造n桁式组合拱桥杆件之间的内力传递是通过节点(杆件的交n汇处）来完成的。n一般采用空心节点，即：各杆件边线交汇处一律以圆弧过n渡，杆件截面重叠部分不是全部填实，而是根据受力和设置预应力钢筋的需要，将腹杆的上下板、侧板分别或部分伸入上、下弦，并对节点部分适当加强，相互交叉重叠的大部分截面仍然挖空。腹杆伸入上、下弦的原则：斜杆中布置预应力索的两壁，伸至上弦顶面和下弦底面，以便张拉锚固；不布置预应力索的两壁，伸入上、下弦截面中部。竖杆的四壁伸入上、下弦中分别与斜杆
45、伸入部分相交，这样既保证了受力需要，又减少了工程数量和结构自重。节点处上、下弦一律设置箱隔板，以加强横向刚度。n桁式组合拱桥桁片预制构件之间的接头，除拱顶采用湿接n头外，其余均采用半干性接头。上、下弦及斜杆构件之间采用搭接，竖杆构件之间采用对接。无论搭接或是对接，接头处的受力钢筋一律用电焊连通，产生的缝隙用钢板填塞后灌环氧树脂砂浆，接头处缺口用同标号混凝土封闭。跨径不大的桁式组合拱桥，上弦预制构件接头处均采用在截面上、下缘受力钢筋伸出为准，一般与边箱顶、底板的厚度相同。下弦截面也采用上、下开口。斜杆构件接头处，视预应力钢筋在截面上布置情况而定，当预应力钢筋布置在截面上、下缘时，采用上、下开口；
46、当预应力钢筋布置在截面左、右两侧时，采用四周开口。竖杆接头处均采用四周开口。采用四周开口的接头，截面上、下缘和腹板上的钢筋全部伸出焊接，确保构件之间的连接强度和整体性。n桁式组合拱桥的预应力一般采用粗钢筋轧丝锚体系，粗n钢筋只能布置成直索，不能设弯索n上弦受力与连续梁相似，每个节点上弦支点受负弯矩控制，跨中受正弯矩控制，因此，预应力钢筋布置在截面的上、下缘。由于负弯矩较大，故上缘预应力钢筋布置较多，下缘较少，大致比例为1.4：116：1。断缝至拱顶区段的上弦部分，施工阶段受拉，体系转换后受压，如果节点弯矩较大，也可以保留一部分永存预应力筋，以克服节点应力。除了上弦布置通长预应力钢筋外，在一些受
47、力较复杂的部位还可布置短预应力钢筋，以克服应力，如：拱顶区段的下缘，设置预应力钢筋以克服正弯矩；断缝处的斜杆和竖杆节点附近，设置短预应力钢筋以克服较大节点弯矩引起的拉应力；空、实腹相交处设置竖向预应力钢筋，以加强空、实腹段连接的整体性。上弦预应力钢筋在桥台尾张拉锚固，斜杆预应力钢筋除断缝处斜杆在下端张拉锚固外，其余均在上端张拉锚固。桁式组合拱桥在主孔两个断缝处必须设置伸缩缝，在这个位置，上弦桁片、底板、桥面铺装、人行道板、栏杆等都必须断开，以形成一道随温度变化能自由伸缩的缝。在桥台尾与两岸引道相连处也必须断开，以便伸缩。第三节 预应力混凝土拱桥计算拱轴线的选择拱轴线型拱轴线型选择原则选择原则：
48、尽可能降低由于荷载产生的弯矩值。：尽可能降低由于荷载产生的弯矩值。合理拱轴线合理拱轴线：拱轴线与各种荷载的压力线相吻合；拱圈截面拱轴线与各种荷载的压力线相吻合；拱圈截面上只有轴向力，无弯矩及剪力作用，应力均匀，上只有轴向力，无弯矩及剪力作用，应力均匀，能充分利用材料强度和圬工材料的良好抗压性能，能充分利用材料强度和圬工材料的良好抗压性能，这样的拱轴线称为合理拱轴线这样的拱轴线称为合理拱轴线。拱轴线选择应满足：拱轴线选择应满足：1、尽量减小拱圈截面弯矩，使截面在附加内、尽量减小拱圈截面弯矩，使截面在附加内力影响下各主要截面的应力相差不大，并不出力影响下各主要截面的应力相差不大，并不出现拉应力；现
49、拉应力；2、对于无支架施工，不用临时性施工措施，、对于无支架施工，不用临时性施工措施，能满足各施工阶段的要求；能满足各施工阶段的要求；3、计算方法简便；、计算方法简便；4、线型美观，便于施工；、线型美观，便于施工；压力线作为拱轴线压力线作为拱轴线公路拱桥恒载所占比重大，一般采用恒载公路拱桥恒载所占比重大，一般采用恒载压力线作为拱轴线；压力线作为拱轴线；特殊情况，活载较大时，如铁路拱桥，可特殊情况，活载较大时，如铁路拱桥，可用恒载加一半活载的压力线作为拱轴线。用恒载加一半活载的压力线作为拱轴线。我国拱桥常用的拱轴线型我国拱桥常用的拱轴线型1、圆弧线圆弧线圆弧线拱，线型最简单，施工最方便。圆弧线拱
50、，线型最简单，施工最方便。但是在一般情况下，圆弧形拱轴线与结构但是在一般情况下，圆弧形拱轴线与结构重力压力线偏离较大，使拱圈各截面受力重力压力线偏离较大，使拱圈各截面受力不够均匀。因此圆弧线常用于不够均匀。因此圆弧线常用于1520m以以下的小跨径拱桥。对于大跨径的预制装配下的小跨径拱桥。对于大跨径的预制装配式钢筋混凝土拱桥，有时简化施工，也有式钢筋混凝土拱桥，有时简化施工，也有采用圆弧线拱轴线的。采用圆弧线拱轴线的。拱轴方程为：拱轴方程为：2、抛物线在竖向均布荷载作用下，拱的合理拱轴线是二次抛物线。对于结构重力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