第四章拱桥

第四章拱桥 第三章拱桥 内容提要：在本章内主要介绍圬工及钢筋混凝土拱桥。除了介绍拱桥的基本特点适用范 围外，重点放在肋拱桥的构造和结构细节上，对其它类型拱桥（如桁架拱桥、刚架拱桥等），只介绍些构造特点 学习的基本要求： 1、了解拱桥的基本特点及其适用范围 2、掌握拱桥的组成及主要类型 3、掌握拱桥的构造 4、了解拱桥的发展趋势——轻型化 第一节概述 拱式桥——一种既古老又年轻的桥梁型式。说拱桥是一种既古老又年轻的桥梁型式是 非常名副其实的。古代人类在拱桥的修建就已经达到很高的造诣。保留至今的古代桥梁多半是拱桥。伴随着科学技术的进步，拱桥作为六大桥型之一，至今仍然充满旺盛的活力。虽然在已经达到的跨度上，拱桥不及悬索桥与斜拉桥，但作为通行现代交通工具的桥梁型式之一，当选择大跨度桥梁的桥型时，在目前比较常遇的200～600跨度范围内，拱桥仍然是悬索桥与斜拉桥的竞争对手。而在中、小跨度领域，则只要是有民间工匠的地方，就有条件修建拱桥。因此古往今来，拱桥一直遍布世界各国大小城镇和乡村僻野。在世界各地人们所见到的数不清的大小拱桥中，有的历史印迹斑斓，有的民族与地方乡土特色浓重，有的充满现代气息。特别在中国，公路桥梁中60%为拱桥，以赵州桥等为代表的古代拱桥在世界上更享有很高的评价。中国拱桥历史之久，式样之多，数量之大，形态之美与发展之快，均为当今世界所瞩目。 一、拱桥的基本特点及其适用范围 1、拱桥的基本特点 拱桥在竖向荷载作用下，支承处不仅产生竖向反力，而且还产生水平推力。由于这个水平推力的存在，拱的弯矩将比相同跨径的梁的弯矩小很多，而使整个拱主要承受压力。这样，拱桥可充分利用抗压性能较好而抗拉性能较差的圬工材料（石料、混凝土、砖等）来修建。又称为圬工拱桥。 2、拱桥的适用范围 拱桥的跨越能力由几十米发展到几百米。钢筋混凝土拱桥的最大跨径为420m，钢管砼拱桥的最大跨径为360m，石拱桥的最大跨径为155m，钢拱桥的最大跨径为518m。 二、拱桥的组成及主要类型 1、拱桥的主要组成 拱桥的上部结构包括拱圈（主要承重结构）和拱上建筑（桥面系、传力构件或填充物）。 拱桥的下部结构包括墩台、基础、拱铰（有铰拱，主拱圈与墩帽或台帽间设置能传递荷载，又允许结构变形的拱铰）。拱圈的上曲面称为拱背，下曲面称为拱腹。 2、按结构受力图式分类 （一）三铰拱：主拱圈一般不采用三铰拱。因为由于铰的存在，构造复杂，施工困难，且拱的整体刚度下降。常作 为空腹式拱上建筑的腹拱。 （二）无铰拱：在实际中使用最广泛。因为整体刚度大，施工简便，构造简单。但不适用于地基条件较差的情况，因为墩台沉陷位移会在拱内产生较大的附加内力。 （三）两铰拱：特点介于三铰拱与无铰拱之间。当地基条件较差不宜修建无铰拱时，可考虑修建两铰拱。 3、按主拱圈截面形式分类 （一）板拱桥：横截面为矩形，其特点是构造简单、施工方便、自重大。适用于地基条件较好的中小跨径圬工拱桥。 （二）肋拱桥：横截面为两条（或四条）分离的拱肋，肋与肋之间由横系梁相连。适用于较大跨径的拱桥。 （三）双曲拱桥：主拱圈在纵向及横向均呈曲线形，但施工程序多，组合截面整体性差，易开裂，现已很少采用。 （四）箱形拱桥：横截面为闭口箱形截面。其抗扭刚度大，整体性稳定性好，但施工制作较复杂，适用于大跨径桥梁。 第二节拱桥的构造 一、主拱圈的构造 1、板拱：通常为石拱桥。有等截面拱和变截面拱。拱石进行编号、砌缝错开，以增加整体性。“五角石”——拱圈与墩台、空腹式拱上建筑的腹孔墩与拱圈相连处，采用五角石，改善受力。现在为了简化施工，常采用砼拱座及砼腹孔墩底梁来代替五角石。 2、肋拱：截面形式有矩形、工字形、箱形等。拱肋可采用砼、钢筋砼、钢管砼、钢材、石料等来建造。 [石肋拱桥——湖南凤凰乌巢河桥]：我国石料资源丰富，建造石拱桥是我国宝贵的民族传统。其特点是就地取材，造价低廉，但需要搭设拱架施工。建于1990年，跨度120m的湖南凤凰乌巢河大桥，是当今世界上跨度最大的石砌拱桥。主拱圈由两条分离式矩形石肋和8条钢筋混凝土横系梁组成。 [钢筋混凝土肋拱桥——四川万县长江大桥]：钢筋混凝土肋拱桥的主拱圈由两条或多条分离式的钢筋混凝土拱肋组成。是大跨度拱桥常用的一种型式。四川万县长江大桥主桥采用钢筋混凝土箱形拱肋，净跨420m，在同类桥梁中跨度居世界第一。 3、双曲拱：是中国首创的一种新型拱 桥，其主拱圈在纵向和横向均呈曲线形，故称“双曲”拱桥。它的拱圈是由拱肋、拱波、拱板、横隔板等小型构件预制装配而成。这样做的最大好处是施工安装时“化整为零”，而承受 荷载是又“集零为整”。它最初在60年代发源于江苏无锡，很快一度风靡全国。但将拱圈“化整为零”难免会带来拱圈整体性差并容易开裂的缺点，特别是活荷载较大的铁路双曲拱桥。在建成的数百座双曲拱桥中，大部分拱圈开裂，变形，故现在已很少采用。 4、箱形拱：拱圈截面为单室箱（窄桥）或多室 箱（常用）。每一个闭合箱又由箱壁（侧 板）、顶板（盖板）、底板及横隔板组成。 二、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和空腹式两种。一般情况下，小跨径拱桥多采用实腹式。大、中跨径拱桥多采用空腹式，以利于减小恒载，并使桥梁显得轻巧美观。 1、实腹式拱上建筑 实腹式拱上建筑由侧墙、拱腹填料、护拱以及变形缝、防水层、泄水管和桥面等部分 组成。 拱腹填料的做法，可分为填充和砌筑两种方式。填充的方式是在拱圈两侧用块石或片石砌筑侧墙，可用粗料石或细料石镶面。填充用的材料通常采用碎、砾石、粗砂或卵石夹粘土并加以夯实。砌筑的方式是采用干砌圬工或浇筑贫砼作为拱腹填料。当采用贫砼时，往往可以不另设侧墙。 在多孔拱桥中，为了便于敷设防水层和排出积水，又设置了护拱。护拱一般用现浇混凝土和砌筑片块石修筑。它同时还起着加强拱圈的作用。 2、空腹式拱上建筑 空腹式拱上建筑除具有实腹式拱上建筑相同的构造外，还具有腹孔和腹孔墩。 腹孔：分为拱型腹孔和梁板式腹孔。一般对称布置（偶数跨），做成等跨的，利于受力，方便施工。也有做成奇数跨的。 腹孔墩：分为横墙式和立柱式。横墙式多用于砖石拱桥，通常用石料或混凝土预制块砌筑。也可在横墙上挖孔，以减轻自重，便于检修人员通行。立柱式多用于钢筋混凝土拱桥。由盖梁、立柱、底梁组成，以分散应力。 [实腹式拱桥——欧洲中世纪古老的拱桥]：欧洲石拱桥艺术最盛于罗马时代。大多是半圆形拱，跨度一般都小于25m。桥墩都特别厚，约为拱宽的1/3，以承受拱的推力，因此每一孔都能独立存在。这和我国古代北方的石拱桥十分相似。 [空腹式拱桥——美国空腹式钢筋混凝土肋拱桥]：该桥在腹拱及立柱的造型方面完全融入了房屋建筑的艺术和风格，其具体处理的精美细腻程度令人赞叹。 三、其它细部构造 1、拱上填料与桥面、人行道 拱上填料，一方面能起扩大车辆荷载分布面积的作用，同时还能够减小车辆荷载的冲击作用，但也增加了拱桥的恒载。一般情况下，主拱圈或腹拱圈的拱顶处，填料厚度（包括路面厚度）均不宜小于0.3m。如填料厚度>=0.5m的拱桥，设计时可不计汽车荷载的冲击作用。拱桥 行车道与人行道的桥面铺装要求与梁桥的基本相同。 2、伸缩缝和变形缝 通常在相对变形（位移或转角）较大的位置设置伸缩缝，而在相对变形较小处设置变形缝。伸缩缝的宽度一般为0.02~0.03m，通常是在施工时将预制板（锯木屑与沥青压制而成）嵌入砌体或埋入现浇混 凝土中。变形缝则不留缝宽，可用干砌或油毛毡隔开即可。 实腹式拱桥：伸缩缝通常设置在两拱脚的上方，并在横桥方向跨越全宽和侧墙的全高及至人行道结构。 空腹式拱桥：一般将紧靠桥墩（台）的第一个腹拱圈做成三铰拱，并在靠墩台的拱铰上方的侧墙上，设置伸缩缝，在其余两铰上方的侧墙，设置变形缝。 3、排水及防水层 关于桥面雨水的排除，除桥梁设置纵坡和横坡外，一般可沿桥面两侧缘石边缘设置泄水管。透过桥面铺装渗入到拱腹内的雨水，应由防水层汇集于预埋在拱腹内的泄水管排出。如果是单孔实腹式拱桥，可不设泄水管，积水沿防水层流至两个桥台后面的盲沟，然后由盲沟排出路堤。泄水管可采用铸铁管、混凝土管或陶瓷（瓦）管。防水层由2~3层油毛毡与沥青胶交替贴铺而成。 4、铰的设置 主拱圈按两铰拱或三铰拱设计时——弧形铰 空腹式拱上建筑，其腹拱圈采用两铰拱或三铰拱时——平铰、不完全铰（假铰） 在施工过程中，往往在拱脚或拱顶设临时铰，施工结束时，加以封固。 第六章拱桥的设计 6.1、拱桥的总体布置 6.2、拱轴线型选择和拱上建筑物的布置 6.3、拱圈截面变化规律及截面尺寸拟定 6.1、拱桥的总体布置 1、桥址方案比较确定桥位； 2、根据地质、通航等确定桥梁长度、跨径、孔数、桥面设计标高、主拱圈矢跨比； 3、确定桥梁的设计标高和矢跨比： 桥面标高 拱顶底面标高 起拱线标高 基础底面标高 4、根据跨径、拱顶、拱脚标高确定矢跨比（f/l) 6.2 拱轴线型选择和拱上建筑物的布置 一、拱轴线型 选择原则： 尽可能降低由于荷载产生的弯矩值。 合理拱轴： 拱轴线与各种荷载的压力线相吻合；拱圈截面上轴向力，无弯矩作用，应力均匀； 拱轴线选择应满足： 1、尽量减小拱圈截面弯矩，使截面在附加内力影响下各主要截面的应力相差不大，并不出现拉应力；