桥梁工程第4章 PPT

2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧1上一页下一页第四章圬工与钢筋混凝土拱桥4.1 概述4.1.1 拱桥的特点及其适用范围4.1.2 拱桥的组成4.1.3 拱桥的分类4.2 拱桥设计和构造4.2.1 拱桥总体设计4.2.2 简单体系拱桥的构造4.2.3 组合体系拱桥设计和构造4.3 拱桥计算4.3.1 简单体系拱桥的计算4.3.2 组合体系拱桥计算要点返回2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧2上一页下一页4.1.1 拱桥的特点及其适用范围拱桥是桥梁工程中使用广泛且历史悠久的一种桥梁结构类型。

拱桥与梁桥的受力性能有着本质区别，拱桥可以利用钢筋混凝土等材料来修建, 也可以利用抗压性能较好而抗拉性能较差的圬工材料来修建。

拱桥的主要优点是：①跨越能力大。

②抗风稳定性强，结构整体性好。

③能充分利用圬工和钢筋混凝土等材料。

④耐久性好，而且养护、维修费用低。

⑤构造简单，有利于广泛应用。

⑥建筑艺术造型简洁美观。

拱桥的主要缺点是：①下部结构的工程量大，要求有良好的地基条件。

②对于多孔连续的大、中跨径的拱桥，需要采用特殊的措施以承受不平衡的推力，增加了造价。

③与梁式桥相比，上承式拱桥的建筑高度较高，对行车不利。

④传统的拱桥施工工序多，难度大，费用高，工期长。

拱桥在桥梁设计方案中常被选用。

返回2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧3上一页下一页4.1.2 拱桥的组成-1拱桥同样由桥跨结构及下部结构两大部分组成。

拱桥的桥跨结构由主拱圈(肋、箱)，传力结构和桥面系组成。

桥面系和传力结构，在上承式拱桥中统称为拱上结构；实腹式拱桥属上承式拱桥，其传力结构包括侧墙和拱腔填料等。

继续2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧4上一页下一页4.1.2 拱桥的组成-2空腹式拱桥的传力结构包括支承桥面系的纵、横梁系和立柱(上承式)或吊杆(下承式)。

在下承式拱桥中传力结构称为悬吊结构；对于中承式拱桥既有拱上结构，也有悬吊结构。

在简单体系拱桥中，主拱是拱桥的主要承重构件，传力结构不与主拱一起共同承受荷载。

在组合体系拱桥中，传力结构与主拱刚性联成整体拱片，以共同承受荷载。

拱桥的下部结构由桥墩、桥台及基础组成，用以支承桥跨结构，将桥跨结构的荷载传递至地基，并与两岸路堤相连接。

返回2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧5上一页下一页4.1.3 拱桥的分类按建筑材料分：圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、预应力混凝土拱桥、钢拱桥(钢桁架拱、钢箱肋拱、钢管混凝土拱)； 按传力结构的形式分：实腹式拱桥、空腹式拱桥；按主拱轴线形式分：圆弧线拱桥、抛物线拱桥、悬链线拱桥； 按桥面构造的位置分：上承式拱桥、下承式拱桥、中承式拱桥；按拱脚有无水平推力分：推力拱桥、无推力拱桥；按拱桥的结构体系分：简单体系拱桥、组合体系拱桥；按主拱截面形式分：板拱桥、肋拱桥、箱形拱桥、双曲拱桥； 按矢跨比的大小分：矢跨比大于或等于1/5 的拱称为陡拱，矢跨比小于1/5 的拱称为坦拱。

返回2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧6上一页下一页1.简单体系拱桥简单体系拱是指拱上全部荷载由主拱圈(肋)单独承担，拱的传力结构不参与受力，只算作荷载的拱桥结构体系。

三铰拱属于外部静定结构。

一般用于大、中跨径空腹式拱上建筑的腹拱，不宜用来作为主拱。

在软土地基或寒冷地区修建拱桥时可以采用三铰拱。

两铰拱属外部一次超静定结构，其特性界于三铰拱与无铰拱之间。

因地基条件较差而不易修建无铰拱时，可考虑采用两铰拱。

钢桁架拱通常采用两铰拱结构形式。

无铰拱属外部三次超静定结构。

一般在地基条件良好处修建，是大跨径桥梁的主要桥形之一。

返回2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧7上一页下一页2.组合体系拱桥组合体系拱桥一般由拱和梁、桁架或刚架等两种以上的基本结构体系组合而成，拱桥的传力结构与主拱按不同的构造方式形成整体结构，以共同承受荷载，其力学性能和经济指标往往优于同等设计条件的单一结构体系。

根据构造方式及受力特点，组合体系拱桥可分为桁架拱桥、刚架拱桥、桁式组合拱桥和拱式组合体系桥等四大类。

返回2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧8上一页下一页(1)桁架拱桥又称拱形桁架桥，由拱和桁架两种结构体系组合而成。

结构整体性强，受力合理。

其中斜杆式桁架拱是采用较多的一种形式，分为斜压杆式、斜拉杆式和三角形式三种，其中斜拉杆式采用最多。

桁架拱桥对软土地基有较好的适应性。

桁架拱桥的构件除桥面外大部分都可预制安装。

一般以20m ～50m 中等跨径为宜。

采用预应力桁架拱桥可提高跨越能力。

返回2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧9上一页下一页(2)刚架拱桥刚架拱桥也是一种有推力的拱桥。

其外形与桁架拱桥相似，但构造比桁架拱桥简单，整个桥跨没有竖杆,只有少量的斜杆，构件少，节点也少。

返回刚架拱桥结构整体好,刚度大,结构整体受力合理，自重轻,用钢量少,可预制安装,施工简便,工期短，对地基承载力要求低。

刚架拱桥还具有适用性强，结构线条简单，造型美观，经济效益好等优点，已在我国得到了广泛应用。

目前，我国刚架拱桥跨径已达90m，一般认为以50m 左右的跨径为宜。

2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧10上一页下一页(3)桁式组合拱桥桁式组合拱桥是由两端的悬臂桁架梁和中段的桁架拱组成的拱梁组合体系，也是一种有推力结构。

主孔桁架一般采用斜杆式，可分为三角形式、斜压杆式和斜拉杆式三种，主孔的悬臂重量将通过上弦拉力传递给边孔。

拱上建筑与主拱联合受力，整体性好，纵横向刚度大；悬臂桁架与桁架拱的上弦在节间处断开，可减小上弦杆拉力； 悬臂桁架在施工期与营运期受力一致。

桁式组合拱桥对大跨径桥梁，具有良好的经济效益。

返回2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧11上一页下一页(4)拱式组合体系桥拱式组合体系桥是将拱肋和系杆组合起来，共同承受荷载，可充分发挥各构件的材料强度。

拱式组合体系桥可做成有推力的拱式组合体系桥和无推力的拱式组合体系桥，如系杆拱、蓝氏拱、洛式拱、尼式拱；也可以做成上承式、中承式或下承式三种型式。

返回2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧12上一页下一页2.按照主拱截面型式分类1)板拱桥 板拱桥的主拱是在整个桥宽内连续的矩形截面。

按照截面型式可分为实体板拱、空心板拱。

实体板拱可建成等截面圆弧拱、等截面或变截面悬链线拱。

主拱可使用砖石块砌筑、也可用混凝土或钢筋混凝土浇筑。

板拱桥通常用于地基条件较好的中、小跨径的石砌或混凝土预制块砌筑的拱桥或混凝土和钢筋混凝土拱桥。

返回2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧13上一页下一页肋拱桥、箱形拱桥、双曲拱桥2)肋拱桥的主拱由两条或两条以上分离的、高度较大的拱肋组成，拱肋之间由横系梁相联。

与板拱相比，肋拱用较小的截面获得更大的抗弯能力，较多地减轻了主拱重量，使拱肋内力中恒载影响减小，活载影响增大，并出现较大弯矩，故宜采用钢筋混凝土结构。

肋拱桥跨越能力较大，适用于大、中跨拱桥。

3）箱形拱桥的主拱外形与空心板拱相似。

与板拱相比，可节省大量的圬工体积，减轻重量，降低上、下部结构的造价；中性轴基本居中，能够较好地适应各截面正负弯矩的变化；闭合箱形截面的抗弯、抗扭刚度较其它形状截面要大，主拱的整体性和稳定性好，截面应力比较均匀；预制箱室的宽度较大，操作安全，易于保证施工质量。

适合于50m 以上的大跨径拱桥。

4）双曲拱桥的主拱是由拱肋、拱波、拱板和横向联接系等四部分组成，是一种特殊的预制装配式肋板拱。

双曲拱结构存在众多的接缝与接触面，截面整体性较差。

目前在大跨径拱桥中，双曲拱桥有被箱形拱桥取代的趋势。

返回2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧14上一页下一页4.2.1 拱桥总体设计拱桥总体设计主要是确定桥梁的长度、跨径、孔数、设计标高、矢跨比等。

1.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。

继续2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧15上一页下一页矢跨比的确定主拱的矢跨比，对于板拱桥、双曲拱桥一般为1/4～1/6，不宜小于1/8；肋拱桥、箱形拱桥一般为1/6～1/8，不宜小于1/10；桁架拱桥一般为1/6～1/10，刚架拱桥一般为1/7～1/10，桁式组合拱桥一般为1/6～1/9,都不宜小于1/12；拱式组合体系桥柔性系杆刚性拱一般为1/4～1/5，刚性系杆柔性拱一般为1/5～1/7，刚性系杆刚性拱一般为1/5～1/6.5。

继续2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧16上一页下一页2.不等跨的处理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。

在选用不等跨拱桥时可采取如下措施: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。

继续2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧17上一页下一页3.拱轴线型的选择-1简单体系拱桥最理想的拱轴线应与各种荷载作用下主拱各截面上轴向压力作用点的连线(称为压力线)相吻合，使主拱只承受轴向压力而无弯矩的作用，主拱截面应力分布均匀，可充分利用材料的强度，这样的拱轴线称为合理拱轴线。

由于拱桥的恒载内力占总内力的比重较大，通常将不考虑主拱弹性压缩的恒载压力线作为合理拱轴线。

组合体系拱桥的主拱和传力结构组成整体结构，表面上无合理拱轴线问题，但为使整体结构受力合理，一般应尽可能按恒载压力线来选择拱轴线。

目前，拱桥常用的拱轴线型有圆弧线、抛物线、悬链线等三种。

1)圆弧线。

线型简单,施工方便,易于制作。

常用于20m以下的小跨径拱桥。

继续2008-6-1南京工业大学土木工程学院交通工程系—罗韧18上一页下一页3.拱轴线型的选择-22)抛物线对于恒载分布比较均匀的拱桥,如矢跨比较小的空腹式拱桥和轻型拱桥等,可以采用二次抛物线作为拱轴线。