第五章混凝土拱桥

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1、第五章 混凝土拱桥本章主要内容拱桥的现状和发展 拱桥的结构体系及总体布置 钢管混凝土拱桥 拱桥的设计及计算 拱桥施工第一节 拱桥的现状和发展拱桥国外 ：石拱，木拱十八世纪 铸铁拱十九世纪钢拱钢筋混凝土拱国内 ：石拱，木拱双曲拱桁架拱钢筋混 凝土拱刚架拱 桁式组合拱钢管拱 新型组合体系拱1964年70年代80年代80年代中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）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（L=420m）， 广州丫 髻沙特大桥（L360m）， 193

2、2建成的澳大利亚悉 尼钢拱桥（L 503m ）。四川万县长江大桥 钢管混凝土劲性骨架箱型混凝土结构 广州丫髻沙特大桥中承式钢管混凝土拱桥 1932澳大利亚503m悉尼钢拱桥2、拱桥的受力特点承重结构：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，对地基要求高；）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，

3、或设 置单向推力墩，增加了造价；）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：200 600m范围内，拱桥仍然是悬索桥和斜拉桥的竞 争对手第二节 拱桥的结构体系及总体布置一、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示：拱桥的基本图示一般上承式拱桥，桥跨结构是由主拱圈、拱 上建筑等组成。上承式拱桥1-主拱圈 2-拱顶 3-拱脚 4-拱轴线 5-拱腹 6-拱背 7-起拱线 8-桥台 9-基础 10-锥坡 11-拱上建筑L0 - 净跨径 L -计算跨径 f0 - 净矢高 f -计算矢高 f/L - 矢跨比二、拱桥的主要类型及其特点拱桥建桥

4、材料圬工拱桥，钢筋混凝土拱桥，钢拱桥拱轴线型式圆弧拱桥，抛物线拱桥，悬链线桥桥面位置上承式拱桥，中承式拱桥，下承式拱桥结构体系分简单体系拱桥：三铰拱，两铰拱，无铰拱组合体系拱桥：无推力拱桥，有推力拱桥主拱圈截面形式形式拱上建筑形式实腹式拱桥，空腹式拱桥板拱桥，肋拱桥，双曲拱桥，箱形拱桥拱桥按受力图式的分类三铰拱：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，会产生附加内力， 一般希望修建在地基良好处。跨径增大， 附加力影

5、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1、板拱桥：主拱圈采用矩形实体截面。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。（二）按照主拱的截面型式分类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

6、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，因此，只宜在中小 跨径桥梁中采用。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。三 拱铰当拱桥主拱圈按两铰拱或三铰拱设计，需设置永久性拱铰 。当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

7、、不完全铰及钢铰等：（1）弧形铰（2）铅垫铰（3）平铰（4）不完全铰四、拱上建筑的构造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。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冲 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构造简单，施工方便，但填料数量较 多，恒载较重，小跨径拱桥中多采用空腹式。大

8、、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（三）桥面系与立柱桥面系：板梁、肋梁、刚架式、连续梁或简支梁立柱（横墙）：支承在主拱上。（四）拱上结构的伸缩缝、变形缝伸缩缝：避免拱上结构受到墩台的约束不能自由变形而 在两者间设置的贯通缝。变形缝：避免拱上结构与主拱共同作用而设置的断缝， 一般无缝宽。五、拱桥墩台 （一）桥墩型式1.重力式桥墩2.柱式桥墩3.单向推力墩（1）悬臂墩 （2）斜撑墩 （3）重力式墩（二）桥台型式1.重力式U形桥台2.齿槛式桥台3.空

9、腹式桥台4.组合式桥台第三节 拱桥的设计与计算一、拱桥的总体布置总 体 布 置确定桥梁长度及分孔确定桥梁的设计标高和矢跨比正确处理不等分孔问题桥面标高，拱定底面标高 ，起拱线标高，基础标高混凝土拱桥矢跨比1/41/8 箱型拱桥矢跨比1/61/10采用不同的矢跨比 采用不同的拱脚标高 调整拱上建筑的重力 采用不同的拱跨结构拱 桥 的 计 算拱轴线的选择与确定成桥状态的内力分析和强度、刚度、稳定验算施工阶段的内力分析和定验算温度、收缩徐变拱脚变位活载内力内力调整拱上建筑的计算二、拱桥的计算三、拱轴线形式（1）圆弧线 （2）抛物线 （3）悬链线 （4）其他：高次抛物线（四次、六次）拱轴线的形状直接影

10、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。四、实腹拱悬链线拱轴线设拱轴线为恒载压力线，则拱顶截面的内力为： 弯矩 Md=0剪力Qd=0恒载推力为Hg对拱脚截面取矩，有:（1） 半拱恒载对拱脚的弯矩 。 对任意截面取矩，有：(2）y1以拱顶为原点，拱轴线上任意点的坐标 ；Mx 任意截面以右的全部恒载对

11、该截面的弯矩值 。对式（2）两边对x取两次导数，可得：（3）由上式可知，为了计算拱轴线（压力线）的一般方程，需首先知道恒载 的分布规律，对于实腹式拱，其任意截面的恒载可以用下式表示：拱顶处恒载强度； 拱上材料的容重。由上式，取y1=f，可得拱脚处恒载强度 g j 为：其中 ：称为拱轴系数。这样gx可变换为：将上式代入式（3），并引参数:则：可得 ：令则上式为二阶非齐次微分方程。解此方程，得到的拱轴线（压力线）方程为 ：上式为悬链线方程。其中ch k为双曲余弦函数：对于拱脚截面有：=1，y1=f，代入式 可得：通常m为已知，则可以用下式计算k值：反双曲余弦函数对数表示当m=1时 gx=gj，可以

12、证明，在均布荷载作用下的压力线为二次抛 物线，其方程变为：五、空腹拱拱轴线“五点重合法” 在1/4L处，=1/2,拱轴系数m与竖坐标yr有以下关系 ：因为所以（a）计算步骤： （1）拟定拱圈与拱上结构各部分尺寸； （2）计算主拱及拱上结构各部分重量； （3）计算yr； 所有作用力对拱脚力矩为零的条件，有：按作用力对拱1/4L点力矩为零的条件，有：（4）然后利用（a）式计算m值，如计算的m与拟定 的m值不符，则修正m值重新计算，直到两者误差 小于容许值。六、拱内力计算恒载内力拱轴线与压力线相符不考虑弹性压缩弹性压缩拱轴线与压力线不相符拱轴线与压力线不相符产生次内力不考虑弹性压缩弹性压缩温度变化产

13、生的附加内力混凝土收缩、徐变产生的附加内力拱脚变位产生的附加内力水浮力引起的内力计算其它内力（七）、内力调整悬链线无铰拱桥在最不利荷载组合时，常出现拱脚负弯矩或 拱顶正弯矩过大的情况。为了减小拱脚、拱顶过大的弯矩， 可以从设计施工方面采取一些措施调整拱圈内力。内力调整假载法调整内力用临时铰调整内力改变拱轴线调整内力1、假载法实腹式拱桥假载法主要是通过调整拱轴系数m，从而改变拱 轴线达到改变主拱圈受力性能。空腹式拱的内力调整空腹式拱轴线的变化是通过改变l/4截面处的纵坐标来 实现的，调整时注意用假载法调整拱轴线不能同时改善拱顶、拱脚两个控制截面的 内力。同时对其它截面内力也产生影响，调整时应全面

14、考虑。2、用临时铰调整内力拱圈施工时，在拱顶、拱脚用铅垫板做成临时铰，拆除拱架后，由于临时铰的存在，拱圈成为静定的三铰拱，待拱 上建筑完成后，再用高标号水泥沙浆封固，成为无铰拱。由于拱在恒载作用下是静定的三铰拱，拱的恒载弹性压缩以及封铰前已发生的墩台变位均不产生附加内力，从而 减小拱中弯矩。3、改变拱轴线调整内力在空腹式拱中，由于悬链线与压力线之间的偏离，可以不同程度的减小拱顶、拱脚的过大弯矩。根据这个道理，可在恒 载压力线的基础上，根据桥的实际需要叠加一个正弦波的调整 曲线作为拱轴线，采用逐次渐进法调整，使恒载、弹性压缩和 混凝土收缩等固定因素作用下，拱顶、拱脚两截面的总弯矩趋 近于零。要达

15、到以上目的，要求调整的拱轴线,并使拱轴线与压力线具有相同的弹性中心。（八）、利用有限元进行拱桥计算有限元程序专门程序大型通用程序Super SAPADINANASTRANASYS1、概述发展2、单元划分（九）、拱上建筑的计算拱上建筑与拱分开各自独立计算拱上建筑与主拱联合作用计算对主拱圈作用偏于对拱上建筑偏于必须考虑施工程序一般采用程序计算安全不安全（十） 、主拱检算检算控制截面强度刚度稳定施工阶段的主拱计算稳定性验算拱是以受压为主的构件，无论是施工过程中，还是 成桥运营阶段，除要求其强度满足要求外，还必须对其 稳定性进行验算。拱的稳定性验算分为纵向（面内）和 横向（面外）两方面。大、中跨径拱桥是否验算纵、横向稳定与施工过程有关：有支架施工，其稳定与落架时间有关，拱上建筑砌筑完后落架，可不验算纵向稳定当主拱圈宽度较大（如小于跨度的1/20），则可不验算拱的横向稳定性随拱桥所用材料性能的改善和施工技术的提高，拱桥跨径不断增大 ，主拱的长细比越来越大，施工和成桥运营状态稳定问题非常突出。