第1章拱式桥梁的结构与设计[最新].docx

第1章 拱式桥梁的构造与设计第一节拱式桥梁的组成与分类1.1.1拱桥的受力特点在竖向荷载作用下，两端支承处除有竖向反力外，还会产生水平,正是这个水平推力，使拱内产生轴向压力，拱桥(Arch Bridge)并大大减小了跨内推力(Horizontal Thrust)弯矩图1.1为三皎拱在竖向荷载作用下的内力计算图图1.1 三皎拱内力计算图式由〈〈结构力学》可知，拱圈内任意截面 D的内力为：Mx =VA.x-P(x_a)_HA.y = MHA.y 1-1Hx = Ha Vx=Va-R 1-2轴向力： Nx = Hxcos Vxsin 1-3剪力： Qx =Hxsin -Vxcos 1-4从式(1-1)不难发现，由于水平推力的影响，使拱圈截面内的弯矩要比同等跨径承受相 同荷载的简支梁截面弯矩 M0要小，主拱圈以受压为主，从而使主拱圈材料得到充分发挥，跨越能力增大，可以充分利用抗压性能较好的与工材料 (石料、混凝土、砖等)来建造拱桥这里中为拱圈截面在x处的水平倾角1.1.2拱桥的基本特点由上可知，拱桥是一种受力优越的结构，在条件适宜的情况下，修建拱桥是经济合理 的拱桥的建筑材料来源丰富，可以修建成拷工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢拱桥和组合材 料的拱桥，如钢管混凝土拱桥。

拱桥的优点在于：跨越能力较大，目前钢筋混凝土拱桥最大 跨径为420m 钢拱桥为518m能就地取材，与其他体系桥梁相比，拱桥的造价是较低的； 拷工及钢筋磴拱桥耐久性好，养护、维修费用少；拱桥外形美观，能与周围环境较好协凋， 特别是在西部地区，山陵沟窒，在此建造拱桥，犹如一条彩虹飞跃两岸；构造简单，技术容 易被掌握，有利于推广拱桥的缺点在于 ：自重较大，由于水平推力的存在，对地基条件要求较高，相应增大了下部构造工程量，同时，对连续多孔的大、中型桥梁，为防止一孔破坏 而影响全桥安全，需采用较复杂的措施或设置单向推力墩， 增加了造价；其次是拱桥的施工，无论是有支架施工（如拷工拱桥）还是无支架施工（如钢筋混凝土拱桥），一直是影响拱桥发展 和造价的重要因素； 与梁式桥相比，上承式拱桥的建筑高度较高， 尤其在平原地区，为满足桥下净空要求，必须抬高桥面标高， 使两岸接线增长，或便桥面纵坡增大， 既增加工程量又对行车条件不利尽管如此，拱桥的优点仍很突出， 仍然是我国公路和城市桥梁的一种主要桥梁形式， 尤其是西部地区，地质、地形条件适宜，建材丰富，非常适合于修建各种形式的拱桥随着设 计理论、计算方法和施工技术的提高，拱桥的跨径也在不断增大，如何减轻拱桥结构自重、 改进施工方法，开发和使用高强混凝土， 已成为修建和发展拱桥的重要问题。

我国在箱形拱桥的基础上，发展和独刨了刚架拱桥、 预应力混凝土组合柿架拱桥、 钢管混凝土拱桥和劲性骨架混凝土拱桥等新型拱桥 尤其是钢管混凝土拱桥， 以其突出的优点在国内迅速崛起 短短十年中，国内已建和在建钢筋混凝土拱桥愈加显示出了强大生命力和竞争力1.1.3拱桥的组成拱桥和其他体系桥梁一样，也是由桥跨结构和下部结构两部分组成根据行车道位置不同，拱桥的桥跨结构可以做成上承式、中承式和下承式 3种，如图1-2所示图1-2a） 上承式；b）中承式；c）下承式上承式拱桥的桥跨结构由主拱圈 （肋）及其上面的拱上建筑所构成 拱圈是拱桥的主要承重结构，承受桥上的全部荷载，并通过它把荷载传递给墩台及基础由于主拱圈是曲线形， 车辆荷载无法直接在弧面上行驶，所以在行车道系与主拱圈之间需要有传递荷载的构件和填 充物，这些主拱圈以上的行车道系和传载构件或填充物称为拱上建筑 拱上建筑可做成实腹式（图1-3）或空腹式（图7-2a）,相应称为实腹式拱和空腹式拱 在图1-3中，表示出拱桥的主要组成部分、主要尺寸和名称图1-3 实腹式拱桥l 一主拱圈；2 一拱顶；3 一拱脚；4 一拱轴线；5 一拱腹；6 一拱背;一起拱线；8一桥台；9一桥台基础；10—锥坡；11 一拱上建筑;Lq 一净跨径；L 一计算跨径；f0 一净矢高；f 一计算矢高中、下承式拱桥的桥跨结构组成见 1-5节。

拱桥的下部构造包括桥墩、 桥台和基础，用以支承桥跨结构， 将桥跨结构的全部荷载传 至地基，并与两岸路堤相联结1.1.4 拱桥的主要分类拱桥的类型多种多样，构造各有差异，根据分类方式不同可以分为：按照主拱圈所使用的建筑材料可分为坷■工拱桥、 钢筋混凝土拱桥和钢拱桥， 组合材料拱桥，如钢管混凝土拱桥；按照主拱圈的截面形式可分为板拱桥、肋拱桥、双曲拱桥和箱形拱桥；按拱上建筑的形式可分为实腹式拱 桥及空腹式拱桥；按拱轴线的形式，可分为圆弧线拱桥、抛物线拱桥和悬链线拱桥；按照桥面位置可以分为上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥；按有无推力，可分为有推力拱桥和无推力拱桥第二节拱式桥梁的结构体系与总体布置1.2.1拱式桥梁的结构体系拱式桥梁结构体系按照主拱圈与行车系结构之间相互作用的性质和影响程度， 可分为简单体系拱桥和组合体系拱桥两大类1）简单体系的拱桥在简单体系拱桥中，拱上建筑（上承式拱）或拱下悬吊结构（中、下承式拱）不与主拱一起 承受荷载，桥上的全部荷载由主拱圈单独承担， 墩台或基础承受拱的水平推力 按主拱圈的 静力特点，简单体系拱又可以分为 3种，如图1-4所示图1-4拱圈的静力图式1 ）三饺拱（图1-4a）属外部静定结构，由温度变化、支座沉陷等原因引起的变化不会在洪圈内产生附加内力， 计算时无须考虑体系弹性变形对内力的影响， 适用于需采用拱式桥梁， 而地基条件又差的桥址上。

由于拱皎的存在，减小了结构的整体刚度，减低了抗震能力，同时皎的构造复杂，施 工困难，维护费用高，一般较少采用德国曾经修建过一座最大跨径为 107m的三皎拱，国 内较少采用，仅在公路空腹式拱桥拱上建筑的边腹拱采用三皎拱2 ）两皎拱（图1-4b ）属外部一次超静定结构，由于取消了拱顶的拱皎，增强了结构的整体刚度，适用于地基 基础可能发生位移的情况或坦拱中， 与无皎拱相比，可以减小基础位移、温度变化、混凝土收缩、徐变等引起的附加内力 目前，世界上最大跨径的两皎拱是日本的外津桥， 跨径170013 ）无皎拱（图1-4c ）属外部三次超静定结构，在自重和外荷载作用下，拱圈内的弯矩分布比两皎拱均匀， 材料用量省无皎拱整体刚度大，构造简单，施工方便，维护费用低，在实际工程中运用最为 广泛由于无皎拱是超静定结构，温度变化、墩台位移、结构变形、混凝土收缩、徐变等会 在拱圈内引起较大的附加内力， 因此要求建造在地基条件较好的地方 目前，世界上最大跨径的钢筋混凝土拱桥已达 420m钢拱桥则达51801（2）组合体系的拱桥在组合体系拱桥中， 行车道系的行车道梁与拱组合， 共同受力根据行车系与主拱的组合方式，组合拱可分为无推力的和有推力的两类。

1 ）无推力的组合体系拱拱的推力由系杆承受，墩台不承受水平推力根据拱肋和系杆的刚度大小和吊杆的布置 形式可以分为：① 具有竖直吊杆的柔性系杆刚性拱 系杆拱（ Tied Arch ）（图1-5a ）;② 具有竖直吊杆的刚性系杆柔性拱一一蓝格尔拱（图 1-5b ）;③ 具有竖直吊杆的刚性系杆刚性拱一一洛泽拱（图 1-5c ）当以上3种采用斜吊杆代替竖直吊杆时，统称为尼尔森拱，如图 1.5d） , e） , f） o2 ）有推力的组合体系拱这种组合体系拱没有系杆，由单独的梁和拱共同受力， 拱的推力仍由墩台承受 图1.6a ） 为刚性梁柔性拱（倒蓝格尔拱）；图1.6b）为刚性梁刚性拱（倒洛泽拱）1.2.2 总体布置拱桥的总体布置原则与其他体系桥梁一样， 应按照1.4节的有关要求进行由于结构体系直接影响结构的构造尺寸， 因此在拱桥的总体布置中， 主要确定结构体系及结构形式； 桥梁的长度、跨径、孔数；矢跨比、拱圈宽度与高度、墩台尺寸、基础形式与埋置深度；桥上 及桥头引道的纵坡等这里主要介绍拱桥总体布置的一些特点图1.5无推力的组合体系拱a)系杆拱；b）蓝格尔拱；c）洛泽拱d）,e）,f） 尼尔森系杆拱图1.6有推力的组合体系拱a） 倒蓝格尔拱；b）倒洛泽拱（1）确定拱桥的设计标高和矢跨比拱桥的主要设计标高有 4个，即桥面标高、拱顶底面标高、起拱线标高和基础底面标高, 如图1.7所示。

图1.7拱桥标高及桥下净空图拱桥的桥面标高，代表着所建桥的高度， 特别在平原区，使两端的引桥或接线工程显著增加， 将提高桥梁的总造价；反之，遭受洪水冲毁的危险，而且还会影响到今后桥下通航的正常运营，挽救的缺陷，故桥面标高必须综合考虑有关因素，正确合理地决定建在山区河流上的拱桥， 由于两岸公路路线的位置一般较高， 线的纵面设计所控制对跨越平原区河流的拱桥， 其桥面标高高度一般由桥下净空所控制 和桥下通航的正常运营，桥下必须留有足够的排泄设计洪水流量的净空在相同的纵坡情况下，标高会 如果将桥修矮了，不但会 致使桥梁建成后带来难以故桥面标高往往由两岸路为保证桥梁的安全对无皎拱，可以将拱脚置于设汁水位以下，但通常淹没深度不得超过净矢高 f0的2/3为保证漂浮物的通过,在任何情况下，拱顶底面标高应高出设计洪水位 1.0m对通航河流，通航孔的最小桥面高度， 除应满足以上要求外， 还应满足对不同航道等级所规定的桥下净空界限的要求 （图1.7）设计通航水位，应按一定的设计洪水频率进行计算 体计算见〈〈桥涵水文》），并与航道部门具体协商决定对有淤泥的河床，桥下净空尚应适当加高确定桥面标高后，由桥面标高减去拱顶处的建筑高度 （包括拱顶处的拱圈高度和拱上建筑高度），就可以得到拱顶底面标高。

拟订起拱线标高时，为了减少墩台基础底面的弯矩， 节省墩台的坷■工数量，一般宜选择低拱脚的设计方案但对于有皎拱，拱脚需高出设计洪水位以上 0.25m为防止冰害，有皎或无皎拱，拱脚均应高出最高流冰面 0.25m当洪水带有大量漂浮物时，若拱上建筑采用立柱时，宜将起拱线标高提高，使主拱圈不要淹没过多，以防漂浮物对立柱的撞击或挂留有 时为了美观的要求，应避免就地起拱，而应使墩台露出底面一定的高度基础底面的标高，主要根据冲刷深度、地基承载能力等因素确定2）矢跨比确定当拱顶、拱脚标高确定后，根据跨径，即可确定拱的矢跨比矢跨比是拱桥的一个重要特征数据，它不但影响主拱圈内力，还影响拱桥施工方法的选择同时， 还关系到拱桥的外形能否与周围景观相协调拱的恒载推力Hg与垂直反力Vg之比值，随矢跨比的减小而增大当矢跨比减小时，拱的推力增加，反之则减小推力大， 相应在主拱圈内广生的轴向力也大，对主拱圈本身的受力状况是有利的，但对墩台基础不利同时，矢跨比小，弹性压缩、混凝土收缩徐变和温度 变化等附加内力均较大，对主拱圈不利在多孔情况下，矢跨比小的连拱作用较矢跨比大的 显著，对主拱圈不利然而，矢跨比小却能增加桥下净空，降低桥面纵坡，对拱圈的砌筑和 混凝土的浇注比较方便。

因此，在设计时，矢跨比的大小应经过综合比较、选择通常，对砖、石、混凝土双曲拱桥，矢跨比一般为 1/4〜1/8，不宜小于1/8 ;箱形拱桥的矢跨比，一般为1/6〜1/10 ,但拱桥的最小矢跨比不宜小于 1/12一般将矢跨比大于或等于1/5的拱称为陡拱，矢跨比小于 1/5的称为坦拱3） 不等跨分孔的处理多孔拱桥最好选用等分孔的方案。