拱桥的设计

5.3拱桥的设计

一、拱桥的总体设计

在通过必要的桥址方案比较，确定了桥位之后，再根据当地水文、地质等具体情况，合理地拟定桥梁的长度、跨径、孔数、桥面标高、主拱圈的矢跨比等，这些是拱桥总体设计的主要内容。有关确定桥长和桥梁分孔的一般原则，前面已经做了介绍，这里只进一步阐明在具体设计拱桥中如何确定设计标高和矢跨比的问题。

（一）、确定拱桥的主要设计标高

拱桥的标高主要有四个：桥面标高、拱顶

底面标高、起拱线标高和基础底面标高。

1.桥面标高

①由两岸线路的纵断面设计来控制；

②要保证桥下净空能满足宣泄洪水或通

航的要求。对于无铰拱，可以将拱脚置于设计

水位以下，但通常淹没深度不得超过矢高的

2/3。

2.拱顶底面标高

当桥面标高确定后，由桥面标高减去拱顶填料厚度，就可得到拱顶上缘的标高，减去主拱圈的厚度，可以推出拱顶底面标高。为了保证漂流物能正常通过，在任何情况下，拱顶底面应高处计算水位（设计洪水位计入雍水、浪高等）1.0m。

3.起拱线标高

拟定起拱线标高，为了减小墩台基础底面的弯矩，节省墩台的圬工数量，一般宜选择低拱脚的设计方案。

对于有铰拱桥，拱脚需要高出计算水位以上0.25m。

为了防止冰害，有铰或无铰拱的拱脚均应高出最高流冰面0.25m。

当洪水带有大量漂流物，若拱上建筑采用立柱时，应当将起拱线标高提高，使主拱圈不要淹没过多，以防漂浮物对立柱的撞击或挂留。

4.基础底面标高

主要根据冲刷深度、地基承载能力等因素确定。

（二）、确定拱桥的矢跨比

①恒载的水平推力H g与垂直反力V g之比值，随矢跨比的减小而增大。

②推力大，拱圈内轴向力也大，对拱圈受力有利，对墩台基础不利。

③无铰拱：拱圈内的附加内力，拱愈坦(即矢跨比越小)，附加内力越大。④矢跨比过大，拱脚区段过陡，施工困难，不美观。

砖、石、混凝土板拱桥及双曲拱桥：1/6～1/4，不宜小于1/8

箱形拱桥：1/8～1/6

钢筋混凝土桁架拱、刚架拱桥：1/10～1/6，不宜小于1/12

（三）、不等跨连续拱桥的处理方法

连续拱桥最好选用等跨分孔方案，但受地形、地质、通航等条件限制时，也可以采用不等跨的方案。为了减小因结构重力引起推力不平衡对桥墩和基础的偏心作用，可以采用以下措施：

（1）采用不同的矢跨比

在相邻两孔中，大跨径用较陡的拱（矢跨比较大），小跨径用较坦的拱（矢跨比较小）（2）采用不同的拱脚标高

大跨径孔的矢跨比大，拱脚降低，减小了拱脚水平推力对

基底的力臂。大、小跨的恒载水平推力对基底的弯矩得到平衡。

但拱脚不在同一水平，使桥梁外形欠美观，构造也复杂。

（3）调整拱上建筑的恒载重量如要满足美观要求等，可

用调整拱上建筑的重量来减小相邻孔间的不平衡推力。于是大跨径可用轻质的拱上填料或空腹式拱上建筑，小跨径用重质的拱上填料或实腹式拱上建筑，以改变恒载重量来调整拱桥的恒载水平推力。

三种措施中，从桥梁外观考虑，以第三种为好，在设计中，可将几种措施同时采用。如仍不能达到完全平衡推力的目的，则需设计成体型不对称的或加大桥墩和基础尺寸来解决。

二、拱轴线形的选择

拱轴线的形状：

①直接影响着拱圈的承载能力；

②影响结构耐久性、经济合理性和施工安全性等。

合理拱轴线：与拱上各种荷载作用下的压力线相吻合，这时拱圈截面只受轴向压力，而无弯矩作用，从而能充分利用圬工材料的抗压性能。一般说来，以结构重力压力线作为设计

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拱轴线，可以认为基本适宜的。

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（一）、拱轴线应满足四方面的要求：

①尽量减小拱圈截面的弯矩，使主拱圈在计入弹性压缩、均匀温降、混凝土收缩等影响下各主要截面的应力相差不大、且最大限度减小截面拉应力，最好是不出现拉应力；

②对于无支架施工的拱桥，应满足各施工阶段的要求，并尽可能少用或不用临时性施工措施；

③计算方法简便，易为生产人员掌握；

④线型美观，便于施工。

（二）、目前常用拱轴线型有：

(1)圆弧线

线型最简单，施工最方便，容易掌握。但拱轴线与恒载压力线偏离较大，使拱圈截面受力不均匀。

圆弧线常用于15～20m以下的小跨径拱桥。

(2)悬链线

实腹式拱桥恒载强度下的拱圈压力线是一条悬链线。因此实腹式拱桥采用悬链线作拱轴线。

对于空腹式拱桥，恒载压力线与拱轴线偏离。但这对拱圈控制载面的内力是有利的。为了设计方便，空腹式拱桥也广泛采用悬链线作为拱轴线。

悬链线是目前我国大、中跨径拱桥采用最普遍的拱轴线型。

(3)抛物线

在竖向均布荷载作用下，拱的合理拱轴线是二次抛物线。对于恒载强度接近均布的拱桥，例如矢跨比较小的空腹式钢筋混凝土拱桥的拱轴线可用二次抛物线。钢筋混凝土桁架拱和刚架拱等轻型拱上结构拱桥的拱轴线也用二次抛物线。大跨径拱桥如果拱上建筑布置很特殊(腹拱跨径特别大)，为了使拱轴线与恒载压力线基本吻合，采用高次抛物线(如四

次或六次抛物线)作为拱轴线的。但计算工作量过大，计算难度大，很少采用。总之，小跨径拱桥可采用实腹式圆形拱或实腹式悬链线拱；

大、中跨径拱桥可采用空腹式悬链线拱；

轻型拱桥或矢跨比较小的大跨径钢筋混凝土拱桥可以采用抛物线拱。

三、拱上建筑的布置

（一）、拱圈宽度的确定

取决于桥面净空的宽度

中、小跨径拱桥：拱圈宽度等于桥面净空宽度减去栏杆宽。 大跨径桥或跨径较小、桥面特宽的城市桥梁：拱圈宽度小于桥宽。

公跨拱桥主拱圈宽度一般均大于跨径的1/20。《桥规》规定当主拱圈宽跨比＜1/20时，则应验算拱的横向稳定性。 （二）、主拱圈高度的拟定

根据跨径大小、荷载等级、主拱圈材料规格等条件决定 (1)石拱桥

中、小跨径石拱桥主拱圈高度可按下式进行估算： 式中：L 0—主拱圈净跨径(cm)；

d —主拱圈高度(cm)；

m —系致，取4.5～6

k —荷载系数,一般为1.0～1.2

大跨径的石拱桥，也可由其它经验公式进行估算：10(20)d m k L =+

式中：1m ——系数，一般为0.016～0.02，跨径越大，矢跨比越小，系数取大值； (2)箱形拱、双曲拱、桁架拱和刚架拱桥

确定箱形拱、拱肋中距≯2.0m 的双曲拱、拱片中距≯3.0m 的桁架拱和刚架拱时，由经验公式计算主拱圈肋的高度。估算的经验公式为：0

()L H a k b

=+ 式中： H ——主拱圈(肋)的高度(cm)；

a 、

b ——系数，根据主拱圈的构造型式不同取值；

30d m k L =?

k——荷载系数。

思考题

1.拱桥的主要特点。

2.拱桥的分类及适用条件

3.如何确定拱桥的设计标高和矢跨比？

4.如何处理不等跨问题？

5.何为合理拱轴线？试述圆弧线、悬链线、抛物线的适用条件。如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！

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