大跨度拱桥设计计算及工程实例

建桥材料 圬工拱桥，钢筋混凝土拱桥，钢拱桥
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
拱 桥 主拱圈截面形式 板拱桥，肋拱桥，双曲拱桥，箱形拱桥 分 类 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 拱上建筑形式 实腹式拱桥，空腹式拱桥
§ 7.1 拱桥的基本组成和受力特点
7.1.1 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。
拱桥的基本图示
上承式拱桥
上承式拱桥
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
强度验算
利用内力包络图进行主拱强度验算，拱脚、拱顶、拱跨3l/8、 l/4是主要控制截面，根据结构设计原理和桥规进行验算。
拱圈强度验算:
《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61-2005）
➢
➢
无计铰算拱由和车0S双道d (铰i荷m1拱载G的i引SG计i起K 算的可Q拱1S不的Q1考K正虑弯拱c矩jn上2时 建Q，j S筑Q拱jk 与)顶主，Rd拱(拱R圈mk跨,的1d/联)4合应作乘用以。
7.2.2 组合体系拱桥——拱肋与纵梁连接方式
下承式梁拱组合体系
拱梁固结； 拱梁铰接； 梁以体外索的形 式锚固在拱的两端， 桥面系通过横梁与 吊杆连接，将桥面 荷载传递给拱肋。
§ 7.3 拱桥的总体思路与构造
7.3.1 拱桥的总体构思
1）上承式拱桥的总体构思
有推力拱桥； 拱圈是主要受力构件； 桥面系不参与拱圈的整体受力，而作为局部受力构件设计。
适用：大、中跨径 （3）箱型：
适用：跨径大，桥面宽 （4）管形：
适用：钢管混凝土拱桥
钢管混凝土拱桥简介
横撑
钢管混凝土拱肋
立柱（或吊杆）
下部构造 行车道系
§ 7.3 拱桥的总体思路与构造
7.3.2 主拱的构造
3）箱形拱
箱形拱桥主拱圈截面挖空，以较少的材料可获得较大的截 面抵抗矩，减轻自重，节省材料。
简单体系拱桥构造简单、受力明确，全部荷载由拱肋承受。 按照拱圈的静力体系分为： 三铰拱：静定，无附加应力，铰构造复杂，少用。 无铰拱：三次超静定，刚度大，构造简单，附加应力大，混
凝土拱多采用无铰拱。 两铰拱：介于二者之间，钢拱采用较多。
§ 7.2 拱桥的结构体系
7.2.2 组合体系拱桥
无推力组合体系拱桥
（3）刚性系杆刚性拱 拱肋和系杆均承担一定的弯矩，体系整体刚度大。 拱肋高度（1/50~1/80）L。
§ 7.3 拱桥的总体思路与构造
7.3.2 主拱的构造
1）板拱
主拱圈截面采用矩形实体截面的拱桥称板拱桥。 在中、小跨径的圬工拱桥中采用。 在较薄的拱板上增设纵向肋以提高拱圈抗弯刚度，即构成
板肋拱。
板拱
§ 7.3 拱桥的总体思路与构造
7.3.2 主拱的构造
2）肋拱
肋拱桥是将板拱划分成多条分离的、截面高度较大的拱肋， 肋间用横系梁联结。
这种形式以较小的截面面积获得较大的截面抵抗矩，减轻
了结构自重，多用于大、中跨径的拱桥。
§ 7.3 拱桥的总体思路与构造
7.3.2 主拱的构造
2）肋拱
拱肋截面 （1）矩形：构造简单、施工方便 （2）工字形：
§ 7.3 拱桥的总体思路与构造
7.3.1 拱桥的总体构思 1）上承式拱桥的总体构思
（3）跨径布置
三跨拱桥，理想的边中跨比值应使中墩在恒载作用下的水 平推力平衡。则边中跨比为：
§ 7.3 拱桥的总体思路与构造
7.3.1 拱桥的总体构思 1）上承式拱桥的总体构思
（4）拱轴线的选择
圆弧线：线形简单，施工方便。主要用于20m以下的拱桥。 抛物线：可采用二次抛物线；为使拱轴线与恒载压力线吻
拱
桥
的
主
要
组
l0 - 净跨径 l -计算跨径
成
f0 - 净矢高
部
分 f -计算矢高
f/l - 矢跨比
§ 7.1 拱桥的基本组成和受力特点
7.1.1 拱桥的基本组成
拱桥的主要技术名词
净跨径（l0） 每孔拱跨两个起拱线之间的平距
计算跨径（l）相邻两拱脚截面形心之间的平距 （即拱轴线两端点之间的平距）
0 Nd 0.9( fcd A fsd As)
§ 7.4 拱桥的计算
横向稳定
拱的横向稳定性验算，目前尚无成熟的计算办法，工程 上常用与纵向稳定相似的公式来验算拱的横向稳定性：
Nj
NL
m
NL——拱横向失稳时的平均临界轴力； Nj——按承载能力极限状态组合计算的平均轴力； γm——横向稳定安全系数，一般取值为4~5。
合，可采用高次抛物线。 悬链线：最常采用的拱轴线。
§ 7.3 拱桥的总体思路与构造
7.3.1 拱桥的总体构思 1）上承式拱桥的总体构思
（5）矢跨比
矢跨比：拱肋的矢高与跨径的比值。矢跨比减小，拱桥水 平推力增加，反之推力减小。
矢跨比影响拱桥整体刚度。矢跨比在1/4~1/6之间时，拱 桥刚度较大。
2）中、下承式拱桥的总体构思
➢ 当主拱圈宽度较大（如大于跨度的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。
§ 7.4 拱桥的计算
纵向稳定
对于长细比不大，且 f/l 在0.3 以下的拱，其纵向稳定性验算一般 可以表达为强度校核的形式:
折减系数0.7，拱脚应乘以0.9，中间各个截面的正弯矩折减系
➢ 算一SR拱般dd——顶无——、铰作构拱拱用件跨桥效承3，应载l/的能拱8数、组力脚，合设拱和可设计跨拱用计值l顶/直值4是和线主拱插要脚人控四法制个确截截定面面。；；大对跨于度中拱、桥小应跨验径 拱γ桥0—，—拱结跨构l的/4重截要面性可系不数验，算按；下列特要大求跨取径值拱桥，除以上四个截面
浙江省嵊州大桥 主桥采用下承式钢管混泥土单杆拱桥。
两跨，跨径长136米。
§ 7.1 拱桥的基本组成和受力特点
7.1.2 拱桥的受力特点
支座处存在水 平推力 拱内 产生轴向压力 弯矩减少 偏心受压应力 较均匀。 300~800m范 围内，可以与斜 拉桥竞争。
§ 7.2 拱桥的结构体系
7.2.1 简单体系拱桥
拱脚在中墩处固结，拱、梁通过立柱和拱顶实体段连接 共同承受荷载。应用交广泛。 在恒载作用下，通过张拉系杆来平衡主拱的水平力； 成桥后，由于拱脚固结，水平位移被约束，在活载及其他荷 载作用下，拱脚产生水平推力，形成部分有推力拱桥体系。
§ 7.2 拱桥的结构体系
7.2.2 组合体系拱桥
有推力组合体系拱桥
7.3.1 拱桥的总体构思 1）上承式拱桥的总体构思
（2）桥梁设计高程
桥面高程：由总体路线设计确定。 拱顶高程：桥面高程-拱顶处的建筑高度。 起拱线高程：为减轻墩底偏心弯矩，宜采用较低的起拱
线高程。 ✓ 有ห้องสมุดไป่ตู้拱桥：起拱线一般高于设计洪水位0.25m；严寒地区
桥梁，起拱线不应低于流冰水位0.25m； ✓ 无铰拱桥：防止漂浮物撞击，拱圈不宜淹没太多； ✓ 美观角度，拱座一般露出地面一定高度。 基础底面高程：根据冲刷深度、地基承载力等计算确定。
箱形截面抗扭刚度很大，整体性和稳定性都较好，但施工 制作较复杂。适用于大跨径拱桥。
§ 7.3 拱桥的总体思路与构造
7.3.2 主拱的构造
3）箱形拱
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
多条工字形肋
单箱多室截面
多条U形肋
多条闭合箱肋
§ 7.4 拱桥的计算
拱桥计算的主要内容
大跨度拱桥设计计算及工程实例
本章的主要内容
7.1 拱桥的基本组成和受力特点 7.2 拱桥的结构体系 7.3 拱桥的总体构思与构造 7.4 拱桥的计算 7.5 拱桥的施工 7.6 工程实例
§ 7.1 拱桥的基本组成和受力特点
7.1.1 拱桥的基本组成
上部结构： （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
➢梁和拱共同受力，拱的推力完全由墩台承担。 ➢梁分担一部分荷载，拱脚推力小于简单体系拱桥。
§ 7.2 拱桥的结构体系
7.2.2 组合体系拱桥——拱肋与纵梁连接方式
中承式梁拱组合体系
中边跨纵梁在拱 肋连接处断开； 边跨梁与拱肋固 结，中跨梁与拱肋 连接处断开； 拱梁完全刚性连 接，共同承担荷载。
§ 7.2 拱桥的结构体系
ad——外几，何需参视数截设面计值配，筋当情无况可，靠另数行据选时择，截可面采用进几行何验参算数。标准值ak
§ 7.4 拱桥的计算
稳定验算
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;
§ 7.3 拱桥的总体思路与构造
7.3.1 拱桥的总体构思 1）上承式拱桥的总体构思
（1）桥长及分孔
按照水文计算、通航要求以及技术经济指标确定，可采用 单跨拱桥或多跨拱桥形式；
为避开深水区或不良地质地段，可采用不等跨布置； 一般采用单跨拱桥来跨越高山峡谷、水流急的河道。
§ 7.3 拱桥的总体思路与构造
荷载一部分由纵梁承担，一部 分通过吊杆传递给主拱肋承担。 ➢柔性系杆刚性拱（系杆拱） ➢刚性系杆柔性拱（蓝格尔拱） ➢刚性系杆刚性拱（洛泽拱） ➢用斜吊杆时称为尼尔森拱