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1、圬工和钢筋混凝土拱桥,第一章 概述,第一节 拱桥的基本特点及其适用范围1、拱桥的发展,古代拱桥：拱轴曲线造型的千变万化，其中最具有代表意义的是建于公元 595-605年的赵州桥（如图1所示，跨径L=37m）,图1 赵州桥,当代拱桥：结构型式与施工方法的丰富多彩，如97年 建成的重庆万县长江大桥（图2所示，L=420m），广州丫髻沙特大桥（图3，L360m），1932建成的澳大利亚悉尼钢拱桥（图4，L 503m）等。,2、拱桥的受力特点,图 4 1932澳大利亚503m悉尼钢拱桥,承重结构：主拱,拱桥的基本图示,支承处不仅产生竖向反力，还产生水平推力，从而使拱主要受压,3、主要优缺点：主要优点
2、跨越能力大；能充分做到就地取材；耐久性好，养护、维修费用小；外形美观；构造较简单，有利于广泛采用。,主要缺点：1）是有推力的结构，而且自重较大，因而水平推力也较大，增加了下部结构的工程量，对地基要求也高；2）施工方面的缺点多；3）由于水平推力较大，在连续多孔的大、中桥中，为防止一孔破坏而影响全桥的安全，需要采取较复杂的措施，或设置单向推力墩，增加了造价；4）上承式拱桥的建筑高度较高。拱桥的缺点正在逐步得到改善和克服：200600m范围内，拱桥仍然是悬索桥和斜拉桥的竞争对手。,第二节 拱桥的组成及主要类型,一、拱桥的基本组成,根据行车道的位置，拱桥可以分成：上承式、下承式和中承式三种类型如下图所
3、示：一般上承式拱桥，桥跨结构是由主拱圈、拱上建筑等组成。（1）主拱圈：主要承重构件；（2）拱上建筑：桥面系和传力构件或填充物 下部结构：桥墩、桥台、基础,拱桥的基本图示,二、拱桥的主要类型及其特点,1、按主拱圈与行车系之间相互作用的性质和影响程度，分简单体系拱桥和组合体系拱桥,拱桥按受力图式的分类,简单体系拱桥：行车系结构不参与主拱的受力，主拱以裸拱为主要承重结构。,三铰拱：静定结构，在地基差的地区可采用。但构造复杂，施工困难，整体刚度小，主拱圈一般不采用。,无铰拱：三次超静定结构。拱的内力分布较均匀，材料用量较三铰拱省；构造简单，施工方便，整体刚度大，实际中使用广泛。但超静定次数高，会产生附
4、加内力，一般希望修建在地基良好处。跨径增大，附加力影响变小，故钢筋混凝土无铰拱仍是大跨径桥梁的主要型式之一。,两铰拱：一次超静定结构，介于三铰拱和无铰拱之间。,（一）按照结构体系分类,2、组合体系拱桥,组合体系拱桥：在拱式桥跨中，行车系与拱组合，共同受力。常用的有以下几种形式：,无推力拱（使用较广泛）：拱的推力由系杆承受，墩台不受水平推力。,有推力拱：此种组合体系拱没有系杆，有单独的梁和拱共同受力，拱的水平推力任由墩台承受。,3、拱片桥 属有推力拱,仅用于上承式拱桥,1）沿拱轴线：（1）等截面（2）变截面,等截面,等宽变高度截面,等高变宽度截面,（二）按照主拱的截面型式分类,1、板拱桥：主拱圈
5、采用矩形实体截面。构造简单、施工方便，使用广泛。自重较大，不经济，通常在地基较好的中小跨径圬工拱桥中采用。,2、肋拱桥：肋拱桥由两条或两条以上分离式拱肋组成承重结构的拱桥，拱肋之间靠横向联系梁连接成整体而共同受力。这种桥横截面面积较小，节省材料，自重轻，跨越能力大，多用于较大跨径的拱桥。可以用圬工、钢筋混凝土、钢材建造。,2）横截面,3、双曲拱桥：主拱圈横截面由一个或数个小拱组成，其主拱圈在纵向和横向均呈曲线形。通常有拱肋、拱波、拱板和横向联系等几部分。,公路双曲拱桥采用最多的是多肋波的截面形式；对于跨径和荷载较小的单车道桥可采用单波的形式。,双曲拱桥施工工序多，组合截面的整体性差，易开裂，因
6、此，只宜在中小跨径桥梁中采用。,叶爱君,4、箱形拱桥：箱形拱桥拱圈横截面由几个箱室组成。截面挖空率大，可达全截面的50%-70%，较实体板拱桥可减少圬工用料与自重，适用于大跨度拱桥。截面抗扭刚度大，横向整体性和稳定性好，特别适用于无支架施工。,箱形拱闭合箱的构造,第二章 拱桥的设计与构造,第一节 拱桥的总体布置,总体布置的主要内容：拟采用的结构体系及结构型式；桥梁的长度、跨径、孔数、桥面标高；拱的主要几何尺寸，如矢跨比、桥梁高度、宽度、外形、墩台及其基础型式和埋置深度、桥上及桥头引道的纵坡等。,一、确定桥梁长度及分孔水文水力、地形地质、技术经济等二、确定拱桥的主要设计标高和矢跨比 1.拱桥的标
7、高主要有四个：桥面标高、拱顶底面标高、起拱线标高和基础底面标高,说明：起拱线标高，一般选用低拱脚的设计方案,2.确定拱桥的矢跨比（）,（1）影响主拱圈内力、构造形式、施工方法及美观（2）分析：矢跨比小：拱的恒载水平推力Hg与垂直反力Vg之比值增大,拱的推力增加，主拱圈内产生的轴向力增大，对主拱圈受力有利，对墩台基础不利。附加内力较大，对主拱圈不利。连拱作用显著，对主拱圈也不利。无铰拱附加内力大。在多孔情况下，连拱作用显著，对主拱圈也不利。过大：施工困难（3）矢跨比取值范围 上承式砖、石、混凝土拱桥和双曲拱桥：1/8 1/4，1/8；箱形：1/8 1/5;宜1/12 钢筋混凝土刚架、桁架拱：1/
8、10 1/6，且1/12桥规规定：钢筋混凝土拱桥的矢跨比，宜采用1/5l/8。陡拱：矢跨比大于等于1/5；坦拱：矢跨比小于1/5。有研究表明，在其他条件相同的前提下，拱桥稳定系数最高的矢跨比为1/3。,3.不等跨连续拱桥的处理方法,1）连续拱桥不等跨分孔时，为什么要做特殊处理？2）不等跨连续拱桥可采用哪些处理方法？（1）采用不同的矢跨比（2）采用不同的拱脚标高（3）调整拱上建筑的恒载重量（4）采用不同类型的拱跨结构,第二节 主拱的构造,一、板拱 拱轴型式：圆弧拱、等截面 或变截面悬链线拱等。无铰拱、双铰拱和三铰拱。按主拱材料不同分为石板拱、混凝土板拱和钢筋混凝土板拱等。,上承式拱桥由主拱(圈)
9、、拱上传载构件或填充物、桥面系组成，主拱(圈)是主要承重结构。,根据主拱(圈)截面型式不同主要分为板拱、肋拱、箱形拱、双曲拱等,1、板拱主拱截面宽度、厚度及变化规律 主拱截面宽度实腹式板拱桥及拱式腹拱的空腹式板拱桥：拱圈宽度决定于桥面宽度。,注意：板拱拱圈宽度一般不宜小于计算跨径的1/20，以保证横向稳定性，否则，应验算拱圈横向稳定性。,主拱厚度及变化规律可采用等厚度或变厚度，其值主要根据桥梁跨径、矢高、建筑材料、荷载大小等因素通过试算确定。尺寸初拟：钢筋混凝土板拱：hd：一般采用跨径的1/651/75，跨径大时取小值。若为变厚度拱，其拱脚厚度hj可按hj=hd/cosj估算，对中小跨径无铰拱
10、，hj可取为(1.21.5)hd。中、小跨径石板拱：按经验公式估算2、石板拱的构造 按料石规格，分为料石板拱、块石板拱、片石板拱及乱石板拱等。材料要求,变截面拱圈的拱石编号,等截面圆弧拱的拱石编号,拱石编号,（1）拱石受压面的砌缝应是辐射方向，即与拱轴线相垂直。此缝一般可做成通缝，不必错缝。（2）当拱圈厚度不大时，可采用单层拱石砌筑，否则采用多层拱石砌筑，要求垂直受压面的顺桥向砌缝错开，错缝间距不少于10cm。（3）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10cm。（4）砌缝的宽度不应大于2cm。（5）拱圈与墩台、空腹式拱上建筑与拱圈连接处，应采用特制的五角石，以改善连接处的受
11、力状况。,3.施工要求：,拱石的砌缝 五角石及混凝土拱座、底梁,横系梁,立柱,纵梁,拱肋,二、肋拱,1.材料：混凝土、钢筋混凝土或钢管混凝土，也可选用石材2.拱肋数目和间距 主要根据跨径、宽度、肋型、材料性能、荷载等级、施工条件、拱上结构与经济性等综合选定。为保横向稳定，两外侧拱肋外缘间距l/20 一般在吊装能力满足要求的情况下，宜采用少肋型式。通常，桥宽在20m以内时可采用双肋式，当桥宽在20m以上时，可采用三肋(多肋)拱或分离的双肋拱。,3.拱肋截面矩形：构造简单、施工方便 肋高h（1/401/60）l；肋宽（0.52.0）h 适用：小跨径工字形：肋高h（1/251/35）l；肋宽（0.4
12、0.5）h 腹板厚3050cm 适用：大、中跨径箱型：肋高：h（1/401/55）l 适用：跨径大，桥面宽管形：肋高：h（1/451/65）l 适用：钢管混凝土拱桥,4、横系梁的设置位置：三铰拱、双铰拱设铰处，拱上建筑的立柱下方。尺寸：高度取0.81.0倍拱肋高，宽度取0.60.8倍拱肋高,钢筋混凝土肋拱桥与板拱桥相比，优点在于：能较多节省混凝土用量，减轻拱体重量减少桥墩、桥台的工程量同时恒载对拱肋内力的影响减小，活载影响增大，可以充分发挥钢筋的抗拉性能。,三、双曲拱桥 主拱圈的组成：拱肋、拱波、拱板、横向联系,1、主拱圈截面形式 据桥梁跨度、宽度、设计荷载大小、材料类型和施工工艺等情况可采用
13、：（1）多肋多波形式：多用（2）单波的形式：用于小跨径,2、拱肋：（1）作用：主拱圈的重要组成部分，施工中作为砌筑拱波和浇筑拱板的支架（2）要求：强度、刚度、稳定性（3）截面形式：要求所选截面有利于增强主拱圈的整体性，制作简单，施工安全。,（4）一般为钢筋混凝土构件，支架现浇或分段预制安装,分段接头位置,3、拱波（1）作用：主拱圈的组成部分，拱板混凝土浇筑时的模板（2）一般用混凝土预制成圆弧形（不低于C20），多肋多波：矢跨比：1/31/5；净跨：1.32.0m 厚：68cm 宽：0.30.5m单波：矢跨比：1/31/6 净跨：35m,4、拱板（1）作用：“集零为整”，加强拱圈整体性（2）现浇
14、混凝土（不低于C20）,5、横向联系构件（1）作用：使拱肋变形在横桥向均匀，避免拱波顶纵裂，保证横向稳定（2）形式：横系梁和横隔板（3）布置：拱顶、腹孔墩下、接头处，间距35m。,四、箱形梁箱形拱包括箱形板拱和箱形肋拱箱形截面拱的主要特点：,截面挖空率大，大量减少体积，减轻重量抗扭刚度大，横向稳定性好、整体性强能够适应正负弯矩变化的要求,充分利用材料吊装时构件的刚度大、稳定性好，方便施工,1、箱形截面的组成方式 可为单室箱或多室箱，每一闭合箱又由箱壁、顶板、底板及横隔板组成,2、拱圈截面尺寸拟定 高度h：取决于拱跨及混凝土强度（目前常用C30C40），初拟可取h(1/551/75l，或由经验公
15、式得：,宽度：可采用窄拱圈形式，取桥宽的0.61.0倍，悬挑可达4.0m，为保横向稳定，一般跨径的1/20,第四节 拱上建筑的构造,按照拱上建筑采用的不同构造方式，可将拱桥分为实腹式拱桥和空腹式拱桥两种。一、实腹式拱上建筑1、组成：侧墙、拱腹填料、护拱、变形缝、防水层、泄水管及桥面等2、特点：构造简单，施工方便，恒载重3、适用：小跨径拱桥,4、拱腹填料的做法：（1）填充式：拱腹填料：砾石、碎石、粗砂或卵类粘土，亦可用轻质材料侧墙：设于两侧，围护填料，按挡土墙设计，采用浆砌块、片石，也可采用钢筋混凝土护壁式侧墙。（2）砌筑式拱腹填料：干砌圬工或浇筑贫混凝土侧墙：用贫混凝土浇筑时，可不设侧墙而用砂
16、浆饰面或设镶面5、护拱：,腹孔,腹孔墩,二、空腹式拱上建筑组成：除与实腹式相同者外，还有腹孔和腹孔墩腹孔型式：拱式腹孔和梁式腹孔,腹孔墩,腹孔,1、拱式拱上建筑特点：构造简单，外形美观，重量较大，多用于圬工拱桥布置：一般对称布置在靠近拱脚侧的一定区段内（1/3-1/4跨径范围），一般3-6跨，也有采用全空腹型式跨径：根据主拱的受力条件确定，中小跨径，大跨径（1/8-1/15）l,腹拱圈：石砌、混凝土预制或现浇的板拱常用圆弧拱矢跨比常用1/2-1/5厚度：跨径小于4m时，石板拱为30cm，混凝土板拱为15cm。跨径大于4m时，依据板拱方法确定。在拱上建筑需要设置伸缩缝或变形缝的地方应设铰(三铰或
17、两铰)，其余为无铰拱。,腹孔与墩台的连接：a、将腹拱的拱脚直接支承在墩（台）上；b、跨越墩顶，使两侧腹拱圈相连,2、梁式腹孔特点：减轻拱上重量，降低拱轴系数，改善拱圈在施工过程中的受力状况，获得更好的经济效果。跨径及布置：要求同拱式，一般采用全空腹式拱上建筑,腹孔结构形式（或桥道梁的形式）,简支,连续,连续刚架,新桥规明确指出：为适应拱圈变形，空腹式拱上建筑的板或梁宜采用简支结构。,3、腹孔墩分为横墙（立墙）式和排架（立柱）式（1）横墙式：实体墙或横向挖孔材料：石料、混凝土预制块砌筑或现浇混凝土横墙厚度：浆砌片、块石时0.6m砼浇筑，腹拱圈厚度的一倍底梁尺寸：每边尺寸较横墙宽5cm，高度以使较
18、矮一侧为5cml0cm为原则来确定。适用：基础较好，河流有飘浮物，多用于砖、石拱桥,（2）排架式：盖梁和立柱组成的排架或刚架材料：钢筋混凝土立柱：截面都用矩形顺桥向：250400mm横桥向：500900mm适用：河流无飘浮物或流冰的混凝土拱桥,说明：（1）两种形式都设“底梁”（2）盖梁（或墩帽）：一般整根预制或现浇拱式腹孔中，截面倒T型或削脚矩形梁式腹孔中，截面用矩形（3）侧面垂直（或不超过30：1）（4）上、下端设铰,拱桥细部构造,（1）填料的作用扩大车辆荷载作用面积；减小车辆荷载冲击作用（2）厚度：不宜小于 0.3m，大于0.5m 时不计冲击,一、拱上填料、桥面和人行道,第五节 拱桥的其它
19、细部构造,在大跨径钢筋混凝土拱桥或地基条件很差的情况下，为了进一步减轻拱上建筑重量，可以减薄填料厚度，甚至可以不用填料，直接在拱顶上修建混凝土路面。这时应注意采取措施保证主拱圈的横向整体性能，计算时还应计入汽车荷载的冲击力。,二、伸缩缝与变形缝（1）为什么要设伸缩缝和变形缝？实际的受力情况符合计算图式，避免拱上建筑不规则开裂（2）伸缩缝和变形缝有什么区别？伸缩缝：宽度 2cm 3cm，缝内填入用锯末沥青按 1：1 的质量比制成预制板，也可用沥青砂等其他材料填缝；变形缝：不留缝宽，可干砌、用油毛毡隔开或用低标号砂浆砌筑。,（3）各种拱桥结构中，分别如何设置？通常在相对变形（位移或转角）较大的位置
20、设置伸缩缝，在相对变形较小处设置变形缝。实腹式：伸缩缝设在两拱脚上方,拱式空腹拱桥：通常将紧靠墩(台)的第一个腹拱做成三铰拱，并在紧靠墩(台)的拱铰上方设置伸缩缝，而其余两拱铰上方设置变形缝。另外，对特大跨径拱桥，还应将靠拱顶的腹拱做成两铰或三铰拱，并在拱铰上方也设置变形缝。,梁式或板式腹孔：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续。,三、排水及防水层 1、桥面水的排除：同梁式桥2、渗入拱腹内的水排除：防水层、泄水管3、防水层和泄水管的埋设方式：（与上部结构形式有关）（1）实腹实拱桥防水层：泄水管：,（2）空腹式拱桥防水层：泄水管：,说明：（1）防水层在全桥范围不宜断
21、开，通过变形缝和伸缩缝应妥善处理。（2）防水层类型（3）泄水管材料：铸铁管、混凝土管、陶瓷管,四、拱桥中铰的设置 通常拱桥中有三种情况需要设置铰。1、主拱圈按两铰拱或三铰拱设计时；2、空腹式拱上建筑，其腹拱圈按构造要求需要采用两铰拱或三铰拱，或高度较小的腹孔墩上、下端与顶梁、底梁连接处需设铰时；3、施工过程中，为消除或减小主拱圈底部分附加内力，以及对主拱圈内力作适当调整时，往往在拱脚或拱顶设临时铰。,铰的分类：永久性铰，临时性铰,常用的铰的型式：1）弧形铰材料：石、砼、钢筋砼 构造：R2(凹）：R1(凸）=1.2-1.5 宽：等于构件宽 长：（1.15-1.2）倍厚度适用：主要用于主拱圈,2）
22、平铰适用：空腹式拱上建筑的腹拱圈,垫 23 层油毛毡或铺一层低标号砂浆或干砌,3）不完全铰适用：小跨径或轻型的拱圈（主要是腹拱圈）、（立）柱铰,4）铅垫铰适用：中小跨径的板拱或肋拱，临时铰,5）钢铰适用：有铰钢拱桥，多数用于临时铰,另、拱桥实例介绍,我国公路桥中70%为拱桥。我国多山，石料资源丰富，拱桥取材以石料为主。,1）圬工拱桥（石拱桥以及拱圈不配钢筋的混凝土拱桥，跨越能力较小）,2）双曲拱桥（中国首创的一种拱桥型式）,3）肋拱桥,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。,1983 台湾台北关渡
23、桥（L=165m）中承式5孔连续系杆拱桥，中间孔跨度为165m，两侧孔跨度为143m及44m，拱圈为抛物线。,1990江苏丹阳云阳桥（L=70m）跨越京杭大运河，无粘结预应力系杆拱，3根拱肋，矢度1/5，拱轴系数m=1.0，单箱高1.5m，行车道刚性纵梁和无粘结预应力柔性系杆分开。预制安装法施工.,1992 广东开平三埠桥（L=60m）单拱肋预应力混凝土系杆拱，单拱肋置于车行道中央分隔带上。,1994台湾台北碧潭桥（L=160m）桥面由预制预应力混凝土单箱组成，并配以Y型悬臂拱圈，形成主跨为160m及2x100m无推力拱桥。引桥跨度分别为85m及57m，全桥以简洁明快的弧形曲线构成，与远山近水
24、相协调。,1990四川宜宾小南门桥(=240m)主桥系中承式钢筋混凝土肋拱桥，矢度1/5，是当时国内跨径最大的钢筋混凝土拱桥。该桥采用劲性钢骨架施工法，缆索吊装。,4）箱 拱桥,1979四川省宜宾市金沙江大桥（L=150m）中国采用缆索吊装施工、跨径最大的钢筋混凝土箱形拱。主拱圈箱高2.0m，箱宽7.60m，矢跨比1/7，全拱圈横向分5个箱室；纵向分5段预制，缆索吊装就位后再组合成整体箱。,1989四 川涪陵乌江大桥（L=200m）桥高84m，矢跨比1/4，主拱圈采用3室箱。涪陵乌江大桥采用转体法施工，先在两岸上、下游组成3m宽的边箱，待转体合拢后吊装中箱顶、底板，最后组成3室箱。,1997四
25、川万县长江大桥劲性骨架钢筋混凝土箱形拱桥,5）刚架拱桥,1989江苏无锡100米下甸桥 变截面，四分点附近截面高度最大，分别向拱脚、跨中减小。取消斜撑，拱上建筑采用23m预应力混凝土简支梁以过渡。,1993江西德兴130米太白桥 采用转体施工。,6）桁架拱桥,1976浙江宁海75米越溪桥 主孔为净跨75m的预应力混凝土桁架拱，拱矢度1/9；边孔为净孔40m的双曲拱，,1971浙江余杭50米里仁桥 钢筋混凝土斜拉杆式桁架拱桥。拱圈矢跨比为1/8。全桥布置4片拱片，在上弦杆覆盖微弯板混凝土桥面。预制拱片卧置叠浇，分段用浮吊起吊、翻身和吊装，在三分点处设临时支托，浇筑湿接头混凝土。,7）桁式组合拱桥
26、中国首创的一种桥型，它除保持桁式拱结构用料省、竖向刚度大等特点外，更具有桁梁的特性和可以采用悬臂法施工、施工阶段和运营阶段的受力趋于一致等优点。,1990四川自贡160米牛佛沱桥 桁式组合拱为三室箱形截面，桁架片按节段分件预制，采用人字扒杆悬拼安装。,8）钢管混凝土拱桥,1998浙江义乌80米宾王桥 单肋钢管混凝土系杆拱桥，中跨矢跨比1/5，矢高15.6m；边跨矢跨比1/4.5，矢高11.87m。,1990四川旺苍115米东河桥 下承式钢管混凝土预应力系杆拱桥，矢度1/6。两片拱肋间用直径800mm横撑连接以保持其稳定性。活载作用下拱脚的水平推力由系杆及桥墩共同承担。钢管拱肋实际上是一种复合材料，在破坏荷载作用下，钢管不仅起纵筋的作用，而且对混凝土起螺旋箍筋的作用，以提高构件的承载能力。在施工阶段，钢管起着劲性骨架的作用。,360m 广州丫髻沙特大桥三跨连续自锚式中承式钢管混凝土拱桥。以高强预应力钢铰线作为系杆，拱座基础只有较小水平推力。主拱采用中承式双肋悬链线无铰拱，矢跨比为1/4.5。每片拱肋由6750钢管混凝土组成，由横向平联板、腹杆连接成为钢管混凝土桁架。边拱采用上承式双肋悬链线半拱，每片拱肋由钢筋混凝土单箱单室截面组成。转体施工法。,1932澳大利亚503m悉尼钢拱桥,1977美国518.2m New River桥,9）钢拱桥,
