拱橋的設計與施工PPT42

拱橋橋是是一一種種既既古古老老又又年年輕輕的的橋橋梁梁形形式式，，雖雖然然在在已已經經達達到到的的跨跨度度上上，，拱拱橋橋不不及及懸懸索索橋橋和和斜斜拉拉橋橋，，但但做做為為現現代代五五大大橋橋型型之之一一，，當當選選擇擇大大跨跨度度橋橋梁梁時時，，在在目目前前比比較較常常遇遇到到的的200～600m跨度度范范圍圍內內，，拱拱橋橋仍仍然然是是懸懸索索橋橋和和斜斜拉拉橋橋的的競競爭爭對對手手。。而而在在中中、、小小跨跨度度領領域域更更具具特特色色。。我我國國公公路路橋橋梁梁中中約約有有60%為拱拱橋橋。。根根據據理理論論推推算算，，鋼鋼拱拱橋橋的的極極限限跨跨徑徑可可達達1200m左右右，，混混凝凝土土拱拱橋橋的的極極限限跨跨度度可可達達500m左右右。。一、、拱拱橋橋的的組組成成與與類類型型在豎豎直直平平面面內內以以拱拱作作為為上上部部結結構構主主要要承承重重結結構構的的橋橋梁梁稱稱為為拱拱橋橋。。拱拱橋橋與與梁梁橋橋不不僅僅外外形形不不同同，，更更重重要要的的是是兩兩者者的的受受力力性性能能有有原原則則差差別別。。在在豎豎向向荷荷載載作作用用下下，，拱拱的的兩兩端端支支承承處處除除豎豎向向反反力力外外，，還還有有水水平平推推力力。。由由于于水水平平推推力力的的作作用用，，使使拱拱橋橋的的彎彎距距將將比比相相同同跨跨徑徑的的梁梁橋橋彎彎矩矩小小得得多多，，拱拱圈圈截截面面上上以以承承受受壓壓力力為為主主。。拱橋橋的的主主要要優(yōu)優(yōu)點點有有：：1）能能充充分分做做到到就就地地取取材材，，可可節(jié)節(jié)省省鋼鋼材材和和水水泥泥；；2）能能耐耐久久，，養(yǎng)養(yǎng)護護費費用用少少；；3）構構造造較較為為簡簡單單；；4）外外形形美美觀觀；；拱橋橋的的主主要要缺缺點點有有：：1）自自重重較較大大，，相相應應水水平平推推力力較較大大，，對對地地基基條條件件要要求求高高；；2）建建橋橋時時間間較較長長；；3）由由于于水水平平推推力力的的存存在在，，在在連連續(xù)續(xù)多多孔孔的的大大、、中中橋橋梁梁中中，，為為防防止止一一孔孔破破壞壞而而影影響響全全橋橋，，需需要要采采用用較較復復雜雜的的措措施施或或設設置置單單向向推推力力墩墩，，增增加加造造價價。。（1）拱拱橋橋的的組組成成圖7——76（2）按按力力學學體體系系分分類類圖7——77拱橋橋的的力力學學體體系系分分類類組合合體體系系的的拱拱橋橋的的橋橋面面系系行行車車道道梁梁與與主主拱拱組組合合，，共共同同受受力力（（圖圖7——77d～g），，以以其其整整體體作作為為承承重重結結構構。。組組合合體體系系拱拱橋橋可可分分為為無無推推力力（（下下承承式式））的的和和有有推推力力(中承承式式圖圖7——77h)或部部分分有有推推力力（（恒恒載載下下無無推推力力，，活活載載下下有有推推力力圖圖7——77i、j）三三種種。。無推推力力的的組組合合體體系系系系桿桿拱拱。。承承受受拉拉力力的的系系桿桿可可以以是是單單設設的的，，也也可可以以與與行行車車道道梁梁相相結結合合。。系系桿桿拱拱的的結結構構內內部部是是多多次次超超解解定定的的。。但但它它的的外外部部約約束束，，一一端端是是固固定定鉸鉸支支座座，，一一端端是是活活動動鉸鉸支支座座，，是是靜靜定定的的。。作作為為結結構構的的整整體體是是無無推推力力的的，，對對地地基基的的要要求求與與靜靜定定結結構構相相同同（（圖圖7——77k）。有推推力力的的組組合合體體系系：：如如桁桁架架拱拱（（圖圖7——77l），，拱拱片片橋橋（（圖圖7——77m），，剛剛性性梁梁柔柔性性拱拱（（圖圖7——77n是用用拱拱從從下下面面加加強強梁梁））等等。。組合合體體系系充充分分利利用用了了結結構構各各組組成成部部分分的的承承載載能能力力，，但但不不如如簡簡單單體體系系受受力力那那么么明明確確，，稍稍有有不不慎慎將將會會導導致致結結點點開開裂裂，，一一部部分分組組合合功功能能可可能能失失效效。。目目前前，，在在有有高高性性能能的的材材料料，，高高性性能能預預應應力力技技術術，，和和計計算算機機手手段段，，拱拱式式組組合合體體系系已已經經能能夠夠把把握握。。2）、、組組合合體體系系拱拱橋橋這里里介介紹紹各各種種拱拱橋橋的的拱拱上上建建筑筑的的構構造造，，各各種種拱拱的的橫橫斷斷面面如如圖圖7——78所示示。。（1）板板拱拱橋橋1、主主拱拱圈圈板拱拱橋橋的的主主拱拱圈圈橫橫截截面面，，是是實實體體的的矩矩形形截截面面（（圖圖7——78a）。。拱拱橋橋拱拱圈圈多多由由料料石石砌砌筑筑；；拱拱橋橋的的拱拱圈圈有有石石砌砌體體、、混混凝凝土土砌砌塊塊、、素素混混凝凝土土的的；；也也有有鋼鋼筋筋混混凝凝土土板板拱拱。。中中小小跨跨徑徑的的拱拱橋橋l0<（10～20）m常采采用用等等截截面面圓圓弧弧拱拱（（拱拱軸軸線線為為圓圓弧弧線線））；；（（20～30）<l0<50m的拱拱橋橋常常用用等等截截面面懸懸鏈鏈線線拱拱（（拱拱軸軸線線為為懸懸鏈鏈線線））；；二、、拱拱橋橋的的構構造造圖7——78拱的的橫橫截截面面（a）板板拱拱；；（（b）肋肋拱拱；；（（c）雙雙曲曲拱拱；；（（d）箱箱形形拱拱；；（（e）鋼鋼管管混混凝凝土土拱拱l(fā)0>50m的拱橋，常采采用變截面懸懸鏈線拱。四四川省九溪溝溝石板拱橋跨跨度達116m（在世界上是是少見的）。。板拱橋的凈凈矢跨比（fo/l0）一般為1/4～1/8，不宜小于1/8以免推力過大大。石板拱拱圈的的石料一般采采用粗料石，，標號不低30號、砂漿不低低于7.5號；小跨徑拱拱橋也有采用用塊石、片石石砌體的。石石拱圈的強度度屬于砌體的的強度機理。。石料規(guī)格，，縱橫錯縫的的間距、縫寬寬、砂漿等都都要滿足規(guī)范范要求，以保保證拱圈的強強度和它的整整體性。在拱拱圈中要特別別強調的是，，應使主要砌砌縫與拱軸線線垂直；在拱拱腳與墩頂相相接處，腹拱拱墩與拱圈相相接處要采用用五角石或混混凝土拱座。。混凝土板拱的的拱圈中，整整體澆筑的混混凝土拱圈強強度屬于混凝凝土強度機理理?；炷翂K塊材砌筑的拱拱圈屬于砌體體強度機理。。它們的構造造與施工都有有所不同。2、拱上建筑板拱橋的拱上上建筑有兩類類：實腹式拱拱上建筑見圖圖7—76；空腹腹式拱拱上建建筑見見圖7—79。實腹拱拱上建建筑由由側墻墻、護護拱、、防水水層和和泄水水孔，，拱腹腹填料料等組組成。。側墻墻用以以承受受拱腹腹填料料及車車輛荷荷載引引起的的側壓壓力，，用塊塊石或或片石石砌筑筑、頂頂寬約約0.5～0.7m。墻底底厚度度為墻墻高的的0.4倍。護護拱用用以加加強拱拱圈和和敷設設防水水層，，設在在拱背背l0/4處切線線至鄰鄰孔拱拱圈或或臺身身背面面的范范圍內內，可可澆混混凝土土或用用片石石砌筑筑。拱拱上填填料，，要透透水性性好。。空腹拱拱上建建筑有有拱式式和梁梁板式式。拱拱式（（圖7—79b）由腹腹拱、、橫墻墻組成成，板板拱橋橋多采采用這這種形形式。。梁板板式（（圖6—79a）由板板（梁梁）、、橫梁梁、立立柱組組成。?？崭垢构吧仙辖ㄖ母垢箍?，，一般般布置置在墩墩側（（1/4～1/3）l0范圍內內；腹腹孔跨跨徑一一般2.5～5.5m且不大大于（（1/8～1/15）lo；腹孔孔拱圈圈厚度度（梁梁板尺尺寸及及配筋筋）、、橫墻墻厚度度（主主柱尺尺寸及及配筋筋）由由計算算確定定。為避免免拱上上建筑筑參與與主拱拱圈工工作而而導致致拱上上建筑筑開裂裂、損損壞，，應將將主拱拱圈拱拱腳附附近第第一個個腹拱拱做成成三鉸鉸拱，，并在在拱上上建筑筑內設設伸縮縮縫和和變形形縫。。伸縮縮縫一一般設設在主主拱圈圈拱腳腳上方方，橫橫向貫貫穿全全橋，，斷開開側墻墻、欄欄桿和和人行行道，，縫寬寬2～3cm，要能能維持持兩側側結構構位移移（溫溫度的的和受受力的的）不不被約約束，，又要要防水水。在在其他他相對對位移移（受受力的的）較較小處處，可可設只只斷開開但不不留間間隙的的變形形縫。。圖7—79空腹式式拱上上建筑筑肋拱橋橋的主主拱圈圈由多多條拱拱肋組組成，，如圖圖7—78b所示。。拱肋肋的數數目、、間距距（一一般4～5m）需經經比較較確定定。外外側拱拱肋最最外緣緣的距距離不不宜小小于l0/20，以保保證肋肋拱橋橋的整整體穩(wěn)穩(wěn)定性性。肋肋拱橋橋多為為鋼筋筋混凝凝土結結構，，也有有用料料石砌砌筑的的。拱拱肋斷斷面有有矩形形或工工形；；矩形形拱肋肋的高高度為為（1/40～1/60）l0，肋寬寬為肋肋高的的0.5～2倍，常常用于于中小小跨徑徑拱橋橋；工工字形形拱肋肋的高高度為為（1/25～1/35）l0，肋寬寬約為為肋高高0.4～0.5倍，腹腹板厚厚0.3～0.5m。拱肋肋一般般采用用等高高，大大跨徑徑也可可以采采用變變高度度。拱拱曲線線常采采用懸懸鏈線線。拱橋肋肋間設設系梁梁。拱拱肋寬寬度小小于橫橫系梁梁間距距的1/20時，應應驗算算拱肋肋局部部穩(wěn)定定性。。拱上上建筑筑常用用空腹腹梁板板式；；由立立柱、、橫梁梁和縱縱向板板（或或縱梁梁和橫橫向行行車道道板））組成成。（2）肋拱拱橋（3）雙曲曲拱橋橋拱肋有有矩形形，│形和槽槽形的的。拱拱肋高高度為為（0.3～0.5）H，拱肋肋寬為為拱肋肋高的的0.6～1.0倍。拱拱肋面面積不不得小小于拱拱圈面面積的的1/4。拱肋肋可分分成3～7段，采采用干干接頭頭（焊焊接鋼鋼板、、或法法蘭螺螺栓接接頭，，用在在無支支架施施工））或濕濕接頭頭（用用在有有支架架施工工）在在現場場拼接接。拱拱肋應應嵌入入拱座座。拱拱肋上上設槽槽齒和和錨筋筋以保保證拱拱圈各各部分分組合合。拱波跨徑130～200cm，厚6～8cm，矢跨比1/2～1/5，寬30～50cm，內設鋼筋筋Ф6@10cm。拱波上澆澆拱背混凝凝土，厚15～20cm，內設縱向向鋼筋。拱拱肋間設橫橫隔板。雙曲拱的拱拱上建筑可可采用實腹腹式或空腹腹式。采用用空腹式拱拱上建筑時時，多采用用拱式結構構。雙曲拱橋的的造型美觀觀，又有““集零為整整”的優(yōu)點點，曾用少少量支架和和輕型吊裝裝設備修建建了大量的的橋梁，跨跨徑由20～100m的都有。這這種橋型在在六十年代代曾風糜全全國。但它它的拱圈的的整體性和和抗扭剛度度差。箱形拱橋的的主拱圈為為箱形斷面面，如圖7—78d所示。箱形形斷面的挖挖空率高，，抗扭慣矩矩大，截面面效率指標標ρ=k/h大（k—上下核心矩矩之和，h—截面高度）），箱體剛剛度大，穩(wěn)穩(wěn)定性好。。因此，在在跨度超過過100m的拱橋中，，普遍采用用。箱形拱的拱拱圈高度仍仍可用（7—177）式估算，，只是系數數a、b的取值不同同。對于單單室箱形拱拱橋，a=70，b=100；對于多室室箱形拱橋橋，a=60，b=100；k=1。箱形拱橋的的矢跨比一一般為1/6～1/10。拱圈高度度一般采用用等高的，，也有變高高的。拱軸軸線多用懸懸鏈線。在在箱形拱橋橋上，兩種種空腹拱上上建筑都可可采用。（4）箱形拱橋橋箱形拱橋的的箱形截面面常用預制制的U形、工形、、閉合箱形形的箱肋組組成，如圖圖7—80。圖中影線線部分系現現場混凝土土，其他是是預制部分分。預制部部的中間壁壁厚b=8～10cm，邊壁厚b’稍厚一些；；底板厚t1=10～14cm，頂板厚t2=10～12cm，蓋板厚e=6～8cm。兩相鄰預預制箱下緣緣凈距d=4～5cm，箱壁間凈凈距S＝10～15cm，箱上現澆澆混凝土厚厚10～15cm。箱肋可縱縱向分段預預制，吊裝裝就位后拼拼接成整體體，澆現場場混凝土形形成主拱。。四川萬縣縣長江公路路橋，主拱拱圈由5片鋼管混凝凝土勁性骨骨架組成的的單箱三室室斷面，主主孔跨徑lo=420m，超過了l0=390m的南斯拉夫夫的KPK橋，成為世世界大跨徑徑最大的混混凝土拱橋橋。圖7—80箱形拱圈的的組合方式式（a）U形肋組合箱箱；（b）工字形肋肋組合箱；；（c）閉合箱肋肋組合箱鋼管混凝土土拱橋的主主拱圈有單單根的或成成束的，內內填混凝土土的鋼管組組成，如圖圖7—78e所示。主拱拱用鋼和直直徑800～1200mm，壁厚8～12mm；由1個、2個或4個鋼管組成成一個拱肋肋（管間用用加勁板焊焊在一起））；拱肋間間采用鋼管管橫撐。鋼鋼管可分段段制造、吊吊裝就位并并拼焊后，，用泵送混混凝土填筑筑，施工十十分方便。。管內填筑筑的混凝土土（標號30～40號）被鋼管管橫向約束束，極限抗抗壓強度有有所提高，，填筑微膨膨脹混凝土土，延遲膨膨脹混凝土土效果更好好。鋼管在在施工中兼兼做模板、、拱架，成成橋后是主主拱圈的一一部分，經經濟效益明明顯。鋼管混凝土土拱實質上上是一種拱拱肋形式。。在上承式式、下承式式和中承式式拱橋中都都有應用，，還可用系系桿拱并施施加預應力力。它的適適用跨徑涵涵蓋了30～200m很大的范圍圍。（5）鋼管混凝凝土拱橋鋼筋混凝土土剛架拱橋橋的上部結結構，由剛剛架拱片、、橫系梁和和橋面等幾幾部分組成成，如圖7—81所示。圖7—81剛架拱橋（6）剛架拱橋橋剛架拱片由由主梁（實實腹段）、、主拱腿、、次梁（腹腹孔的上弦弦桿）、次次拱腿（斜斜撐）構成成。拱片相相距2～3m，拱片間設設橫系梁上上、拱片上上設帶加勁勁肋的微彎彎板并現澆澆混凝土形形成橋面系系。因此，，它是一種種拱橋的組組合體系。。剛架拱橋拱拱片的各部部件可分別別預制。其其吊裝順序序為：吊裝裝懸掛主拱拱腿；安裝裝合攏實腹腹段形成裸裸拱；安裝裝橫系梁組組成拱形框框架；安放放次拱腿、、次梁、焊焊接腹孔接接頭鋼筋和和安裝橫系系梁；澆接接頭混凝土土，完成剛剛架拱片組組裝。剛架拱橋的的桿件數量量少，整體體性好，自自重輕，材材料省，對對地基的要要求不太高高。拱腿的的剛度小，，不宜淹沒沒在有漂流流物的設計計洪水位以以下。它適適用跨徑30～50m，矢跨比1/8～1/10。三、拱橋的的計算要點點圖7—82懸鏈線拱軸軸線當m=1時的懸鏈線線就是拋物物線。實腹腹板拱橋，，m值約在2.8～5.3之間?？崭垢棺兘孛婀肮皹虻膍值約在2.2～4.3之間?？崭垢闺p曲拱橋橋的m值約在1.7～2.8之間。下承承式的鋼管管混凝土拱拱橋的m值在1.2～1.7之間。對于大跨徑徑拱橋的拱拱軸線，常常需經優(yōu)選選決定。如如按“五點點重合法””初選的拱拱軸線，在在某些截面面，與結構構重力壓力力線偏離過過大，或與與結構重力力及其彈性性壓縮和溫溫度下降，，混凝土收收縮等組合合下的縱向向壓力線偏偏離較大時時，則應作作適當調整整，使這些些控制截面面的縱向力力偏心距減減小，應力力分布趨于于均勻。同時，還應應考慮拱軸軸線偏離結結構重力壓壓力線引起起的附加內內力。（4）拱圈內力力計算（5）、拱圈強強度和穩(wěn)定定性計算主拱圈是偏偏心受壓構構件，要按按組合I（計算組合合），組合合II（附加組合合），組合合III（驗算組合合）取其最最大計算內內力。組地地要考慮偏偏心受壓構構件的特點點，取最大大彎矩Mmin相應的N，或最小彎彎矩Mmin。相應的N。磚石、混凝凝土主拱圈圈要驗算控控制截面的的抗壓極限限強度，偏偏心距，以以及超過偏偏心距限值值后核算彎彎曲抗拉強強度。3）活載的橫橫向分布桁架拱橋、、剛架拱橋橋、肋拱橋橋、拱上建建筑為梁柱柱式的雙曲曲拱橋應考考慮活載的的橫向分布布；其他拱拱橋，活載載按全橋平平均分布計計算。如用用有限元計計算，前者者應用空間間梁元，后后者可用平平面梁元分分析。4）連拱計算算多跨拱橋，，當橋墩抗抗推剛度大大于主拱拱拱圈抗推剛剛度37倍時可分別別按單跨拱拱橋計算，，否則按多多跨連拱計計算。按連連拱計算，，主拱圈增增應考慮連連拱影響（（類擬拱腳腳水平位移移）才安全全；對橋墩墩而言，拱拱圈推力減減少，可以以適當減少少橋墩的橫橫截面。具具體算法可可參考有關關教材。四、拱橋的的施工（1）有支架施施工在滿堂式拱拱架或在桁桁式鋼拱架架上砌筑磚磚石拱橋，，澆注混凝凝土、鋼筋筋混凝土拱拱橋，統(tǒng)稱稱為有支架架施工。支架的選型型、強度、、剛度、穩(wěn)穩(wěn)定性應確確保施工安安全。支架架應設置預預拱度，以以保證拱圈圈的幾何形形狀。拱架架在落架時時，必須保保證拱橋的的自重均勻勻的、對稱稱的由拱架架轉移給拱拱圈。石板拱橋砌砌筑方法，，應根據跨跨徑大小、、