拱橋的設(shè)計(jì)與施工

拱橋是一種既古老又年輕的橋梁形式，雖然在已經(jīng)達(dá)到的跨度上，拱橋不及懸索橋和斜拉橋，但做為現(xiàn)代五大橋型之一，當(dāng)選擇大跨度橋梁時(shí)，在目前比較常遇到的200～600m跨度范圍內(nèi)，拱橋仍然是懸索橋和斜拉橋的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。而在中、小跨度領(lǐng)域更具特色。我國(guó)公路橋梁中約有60%為拱橋。根據(jù)理論推算，鋼拱橋的極限跨徑可達(dá)1200m左右，混凝土拱橋的極限跨度可達(dá)500m左右。

一、拱橋的組成與類型在豎直平面內(nèi)以拱作為上部結(jié)構(gòu)主要承重結(jié)構(gòu)的橋梁稱為拱橋。拱橋與梁橋不僅外形不同，更重要的是兩者的受力性能有原則差別。在豎向荷載作用下，拱的兩端支承處除豎向反力外，還有水平推力。由于水平推力的作用，使拱橋的彎距將比相同跨徑的梁橋彎矩小得多，拱圈截面上以承受壓力為主。拱橋的主要優(yōu)點(diǎn)有：1）能充分做到就地取材，可節(jié)省鋼材和水泥；2）能耐久，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少；3）構(gòu)造較為簡(jiǎn)單；4）外形美觀；拱橋的主要缺點(diǎn)有：1）自重較大，相應(yīng)水平推力較大，對(duì)地基條件要求高；2）建橋時(shí)間較長(zhǎng)；3）由于水平推力的存在，在連續(xù)多孔的大、中橋梁中，為防止一孔破壞而影響全橋，需要采用較復(fù)雜的措施或設(shè)置單向推力墩，增加造價(jià)。（1）拱橋的組成圖7—76（2）按力學(xué)體系分類

圖7—77拱橋的力學(xué)體系分類

組合體系的拱橋的橋面系行車道梁與主拱組合，共同受力（圖7—77d～g），以其整體作為承重結(jié)構(gòu)。組合體系拱橋可分為無(wú)推力（下承式）的和有推力(中承式圖7—77h)或部分有推力（恒載下無(wú)推力，活載下有推力圖7—77i、j

）三種。無(wú)推力的組合體系系桿拱。承受拉力的系桿可以是單設(shè)的，也可以與行車道梁相結(jié)合。系桿拱的結(jié)構(gòu)內(nèi)部是多次超解定的。但它的外部約束，一端是固定鉸支座，一端是活動(dòng)鉸支座，是靜定的。作為結(jié)構(gòu)的整體是無(wú)推力的，對(duì)地基的要求與靜定結(jié)構(gòu)相同（圖7—77k）

。有推力的組合體系：如桁架拱（圖7—77l），拱片橋（圖7—77m），剛性梁柔性拱（圖7—77n是用拱從下面加強(qiáng)梁）等。組合體系充分利用了結(jié)構(gòu)各組成部分的承載能力，但不如簡(jiǎn)單體系受力那么明確，稍有不慎將會(huì)導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)開(kāi)裂，一部分組合功能可能失效。目前，在有高性能的材料，高性能預(yù)應(yīng)力技術(shù)，和計(jì)算機(jī)手段，拱式組合體系已經(jīng)能夠把握。

2）、組合體系拱橋

這里介紹各種拱橋的拱上建筑的構(gòu)造，各種拱的橫斷面如圖7—78所示。（1）板拱橋1、主拱圈板拱橋的主拱圈橫截面，是實(shí)體的矩形截面（圖7—78a）。拱橋拱圈多由料石砌筑；拱橋的拱圈有石砌體、混凝土砌塊、素混凝土的；也有鋼筋混凝土板拱。中小跨徑的拱橋l0<（10～20）m常采用等截面圓弧拱（拱軸線為圓弧線）；（20～30）<l0<50m的拱橋常用等截面懸鏈線拱（拱軸線為懸鏈線）；二、拱橋的構(gòu)造圖7—78拱的橫截面（a）板拱；（b）肋拱；（c）雙曲拱；（d）箱形拱；（e）鋼管混凝土拱

l0>50m的拱橋，常采用變截面懸鏈線拱。四川省九溪溝石板拱橋跨度達(dá)116m（在世界上是少見(jiàn)的）。板拱橋的凈矢跨比（fo/l0）一般為1/4～1/8，不宜小于1/8以免推力過(guò)大。

石板拱拱圈的石料一般采用粗料石，標(biāo)號(hào)不低30號(hào)、砂漿不低于7.5號(hào)；小跨徑拱橋也有采用塊石、片石砌體的。石拱圈的強(qiáng)度屬于砌體的強(qiáng)度機(jī)理。石料規(guī)格，縱橫錯(cuò)縫的間距、縫寬、砂漿等都要滿足規(guī)范要求，以保證拱圈的強(qiáng)度和它的整體性。在拱圈中要特別強(qiáng)調(diào)的是，應(yīng)使主要砌縫與拱軸線垂直；在拱腳與墩頂相接處，腹拱墩與拱圈相接處要采用五角石或混凝土拱座?；炷涟骞暗墓叭χ?，整體澆筑的混凝土拱圈強(qiáng)度屬于混凝土強(qiáng)度機(jī)理。混凝土塊材砌筑的拱圈屬于砌體強(qiáng)度機(jī)理。它們的構(gòu)造與施工都有所不同。2、拱上建筑

板拱橋的拱上建筑有兩類：實(shí)腹式拱上建筑見(jiàn)圖7—76；空腹式拱上建筑見(jiàn)圖7—79。實(shí)腹拱上建筑由側(cè)墻、護(hù)拱、防水層和泄水孔，拱腹填料等組成。側(cè)墻用以承受拱腹填料及車輛荷載引起的側(cè)壓力，用塊石或片石砌筑、頂寬約0.5～0.7m。墻底厚度為墻高的0.4倍。護(hù)拱用以加強(qiáng)拱圈和敷設(shè)防水層，設(shè)在拱背l0/4處切線至鄰孔拱圈或臺(tái)身背面的范圍內(nèi)，可澆混凝土或用片石砌筑。拱上填料，要透水性好。

空腹拱上建筑有拱式和梁板式。拱式（圖7—79b）由腹拱、橫墻組成，板拱橋多采用這種形式。梁板式（圖6—79a）由板（梁）、橫梁、立柱組成?？崭构吧辖ㄖ母箍?，一般布置在墩側(cè)（1/4～1/3）l0范圍內(nèi)；腹孔跨徑一般2.5～5.5m且不大于（1/8～1/15）lo；腹孔拱圈厚度（梁板尺寸及配筋）、橫墻厚度（主柱尺寸及配筋）由計(jì)算確定。為避免拱上建筑參與主拱圈工作而導(dǎo)致拱上建筑開(kāi)裂、損壞，應(yīng)將主拱圈拱腳附近第一個(gè)腹拱做成三鉸拱，并在拱上建筑內(nèi)設(shè)伸縮縫和變形縫。伸縮縫一般設(shè)在主拱圈拱腳上方，橫向貫穿全橋，斷開(kāi)側(cè)墻、欄桿和人行道，縫寬2～3cm，要能維持兩側(cè)結(jié)構(gòu)位移（溫度的和受力的）不被約束，又要防水。在其他相對(duì)位移（受力的）較小處，可設(shè)只斷開(kāi)但不留間隙的變形縫。圖7—79空腹式拱上建筑

肋拱橋的主拱圈由多條拱肋組成，如圖7—78b所示。拱肋的數(shù)目、間距（一般4～5m）需經(jīng)比較確定。外側(cè)拱肋最外緣的距離不宜小于l0/20，以保證肋拱橋的整體穩(wěn)定性。肋拱橋多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，也有用料石砌筑的。拱肋斷面有矩形或工形；矩形拱肋的高度為（1/40～1/60）l0，肋寬為肋高的0.5～2倍，常用于中小跨徑拱橋；工字形拱肋的高度為（1/25～1/35）l0，肋寬約為肋高0.4～0.5倍，腹板厚0.3～0.5m。拱肋一般采用等高，大跨徑也可以采用變高度。拱曲線常采用懸鏈線。拱橋肋間設(shè)系梁。拱肋寬度小于橫系梁間距的1/20時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算拱肋局部穩(wěn)定性。拱上建筑常用空腹梁板式；由立柱、橫梁和縱向板（或縱梁和橫向行車道板）組成。（2）肋拱橋（3）雙曲拱橋

拱肋有矩形，│形和槽形的。拱肋高度為（0.3～0.5）H，拱肋寬為拱肋高的0.6～1.0倍。拱肋面積不得小于拱圈面積的1/4。拱肋可分成3～7段，采用干接頭（焊接鋼板、或法蘭螺栓接頭，用在無(wú)支架施工）或濕接頭（用在有支架施工）在現(xiàn)場(chǎng)拼接。拱肋應(yīng)嵌入拱座。拱肋上設(shè)槽齒和錨筋以保證拱圈各部分組合。拱波跨徑130～200cm，厚6～8cm，矢跨比1/2～1/5，寬30～50cm，內(nèi)設(shè)鋼筋Ф6@10cm。拱波上澆拱背混凝土，厚15～20cm，內(nèi)設(shè)縱向鋼筋。拱肋間設(shè)橫隔板。雙曲拱的拱上建筑可采用實(shí)腹式或空腹式。采用空腹式拱上建筑時(shí)，多采用拱式結(jié)構(gòu)。雙曲拱橋的造型美觀，又有“集零為整”的優(yōu)點(diǎn)，曾用少量支架和輕型吊裝設(shè)備修建了大量的橋梁，跨徑由20～100m的都有。這種橋型在六十年代曾風(fēng)糜全國(guó)。但它的拱圈的整體性和抗扭剛度差。

箱形拱橋的主拱圈為箱形斷面，如圖7—78d所示。箱形斷面的挖空率高，抗扭慣矩大，截面效率指標(biāo)ρ=k/h大（k—上下核心矩之和，h—截面高度），箱體剛度大，穩(wěn)定性好。因此，在跨度超過(guò)100m的拱橋中，普遍采用。箱形拱的拱圈高度仍可用（7—177）式估算，只是系數(shù)a、b的取值不同。對(duì)于單室箱形拱橋，a=70，b=100；對(duì)于多室箱形拱橋，a=60，b=100；k=1。箱形拱橋的矢跨比一般為1/6～1/10。拱圈高度一般采用等高的，也有變高的。拱軸線多用懸鏈線。在箱形拱橋上，兩種空腹拱上建筑都可采用。（4）箱形拱橋箱形三拱橋三的箱三形截三面常三用預(yù)三制的U形、三工形三、閉三合箱三形的三箱肋三組成三，如三圖7—三80。圖三中影三線部三分系三現(xiàn)場(chǎng)三混凝三土，三其他三是預(yù)三制部三分。三預(yù)制三部的三中間三壁厚b=8～10cm，邊三壁厚b’稍厚三一些三；底三板厚t1=1三0～14cm，頂三板厚t2=1三0～12cm，蓋三板厚e=6～8cm。兩三相鄰三預(yù)制三箱下三緣凈三距d=4～5cm，箱三壁間三凈距S＝10～15cm，箱三上現(xiàn)三澆混三凝土三厚10～15cm。箱三肋可三縱向三分段三預(yù)制三，吊三裝就三位后三拼接三成整三體，三澆現(xiàn)三場(chǎng)混三凝土三形成三主拱三。四三川萬(wàn)三縣長(zhǎng)三江公三路橋三，主三拱圈三由5片鋼三管混三凝土三勁性三骨架三組成三的單三箱三三室斷三面，三主孔三跨徑lo=4三20三m，超三過(guò)了l0=3三90三m的南三斯拉三夫的KP三K橋，三成為三世界三大跨三徑最三大的三混凝三土拱三橋。圖7—三80箱形三拱圈三的組三合方三式（a）U形肋三組合三箱；三（b）工三字形三肋組三合箱三；（c）閉三合箱三肋組三合箱鋼管三混凝三土拱三橋的三主拱三圈有三單根三的或三成束三的，三內(nèi)填三混凝三土的三鋼管三組成三，如三圖7—三78e所示三。主三拱用三鋼和三直徑80三0～12三00mm，壁三厚8～12mm；由1個(gè)、2個(gè)或4個(gè)鋼三管組三成一三個(gè)拱三肋（三管間三用加三勁板三焊在三一起三）；三拱肋三間采三用鋼三管橫三撐。三鋼管三可分三段制三造、三吊裝三就位三并拼三焊后三，用三泵送三混凝三土填三筑，三施工三十分三方便三。管三內(nèi)填三筑的三混凝三土（三標(biāo)號(hào)30～40號(hào)）三被鋼三管橫三向約三束，三極限三抗壓三強(qiáng)度三有所三提高三，填三筑微三膨脹三混凝三土，三延遲三膨脹三混凝三土效三果更三好。三鋼管三在施三工中三兼做三模板三、拱三架，三成橋三后是三主拱三圈的三一部三分，三經(jīng)濟(jì)三效益三明顯三。鋼管三混凝三土拱三實(shí)質(zhì)三上是三一種三拱肋三形式三。在三上承三式、三下承三式和三中承三式拱三橋中三都有三應(yīng)用三，還三可用三系桿三拱并三施加三預(yù)應(yīng)三力。三它的三適用三跨徑三涵蓋三了30～20三0m很大三的范三圍。（5）鋼三管混三凝土三拱橋鋼筋三混凝三土剛?cè)芄叭龢虻娜喜咳Y(jié)構(gòu)三，由三剛架三拱片三、橫三系梁三和橋三面等三幾部三分組三成，三如圖7—三81所示三。圖7—三81剛架三拱橋（6）剛?cè)芄叭龢騽偧苋捌芍魅海ㄈ龑?shí)腹三段）三、主三拱腿三、次三梁（三腹孔三的上三弦桿三）、三次拱三腿（三斜撐三）構(gòu)三成。三拱片三相距2～3m，拱三片間三設(shè)橫三系梁三上、三拱片三上設(shè)三帶加三勁肋三的微三彎板三并現(xiàn)三澆混三凝土三形成三橋面三系。三因此三，它三是一三種拱三橋的三組合三體系三。剛架三拱橋三拱片三的各三部件三可分三別預(yù)三制。三其吊三裝順三序?yàn)槿旱跞b懸三掛主三拱腿三；安三裝合三攏實(shí)三腹段三形成三裸拱三；安三裝橫三系梁三組成三拱形三框架三；安三放次三拱腿三、次三梁、三焊接三腹孔三接頭三鋼筋三和安三裝橫三系梁三；澆三接頭三混凝三土，三完成三剛架三拱片三組裝三。剛架三拱橋三的桿三件數(shù)三量少三，整三體性三好，三自重三輕，三材料三省，三對(duì)地三基的三要求三不太三高。三拱腿三的剛?cè)刃∪?，不三宜淹三沒(méi)在三有漂三流物三的設(shè)三計(jì)洪三水位三以下三。它三適用三跨徑30～50三m，矢三跨比1/三8～1/三10。三、三拱橋三的計(jì)三算要三點(diǎn)圖7—82懸鏈三線拱三軸線當(dāng)m=1時(shí)的三懸鏈三線就三是拋三物線三。實(shí)三腹板三拱橋三，m值約三在2.三8～5.三3之間三。空三腹變?nèi)孛嫒皹蛉膍值約三在2.三2～4.三3之間三。空三腹雙三曲拱三橋的m值約三在1.三7～2.三8之間三。下三承式三的鋼三管混三凝土三拱橋三的m值在1.三2～1.三7之間三。對(duì)于三大跨三徑拱三橋的三拱軸三線，三常需三經(jīng)優(yōu)三選決三定。三如按三“五三點(diǎn)重三合法三”初三選的三拱軸三線，三在某三些截三面，三與結(jié)三構(gòu)重三力壓三力線三偏離三過(guò)大三，或三與結(jié)三構(gòu)重三力及三其彈三性壓三縮和三溫度三下降三，混三凝土三收縮三等組三合下三的縱三向壓三力線三偏離三較大三時(shí)，三則應(yīng)三作適三當(dāng)調(diào)三整，三使這三些控三制截三面的三縱向三力偏三心距三減小三，應(yīng)三力分三布趨三于均三勻。同時(shí)三，還三應(yīng)考三慮拱三軸線三偏離三結(jié)構(gòu)三重力三壓力三線引三起的三附加三內(nèi)力三。（4）拱三圈內(nèi)三力計(jì)三算（5）、三拱圈三強(qiáng)度三和穩(wěn)三定性三計(jì)算主拱三圈是三偏心三受壓三構(gòu)件三，要三按組三合I（計(jì)三算組三合）三，組三合II（附三加組三合）三，組三合II三I（驗(yàn)三算組三合）三取其三最大三計(jì)算三內(nèi)力三。組三地要三考慮三偏心三受壓三構(gòu)件三的特三點(diǎn)，三取最三大彎三矩Mmi三n相應(yīng)三的N，或三最小三彎矩Mmi三n。相三應(yīng)的N。磚石三、混三凝土三主拱三圈要三驗(yàn)算三控制三截面三的抗三壓極三限強(qiáng)三度，三偏心三距，三以及三超過(guò)三偏心三距限三值后三核算三彎曲三抗拉三強(qiáng)度。3）活三載的三橫向三分布桁架三拱橋三、剛?cè)芄叭龢?、三肋拱三橋、三拱上三建筑三為梁三柱式三的雙三曲拱三橋應(yīng)三考慮三活載三的橫三向分三布；三其他三拱橋三，活三載按三全橋三平均三分布三計(jì)算三。如三用有三限元三計(jì)算三，前三者應(yīng)三用空三間梁三元，三后者三可用三平面三梁元三分析三。4）連三拱計(jì)三算多跨三拱橋三，當(dāng)三橋墩三抗推三剛度三大于三主拱三拱圈三抗推三剛度37倍時(shí)三可分三別按三單跨三拱橋三計(jì)算三，否三則按三多跨三連拱三計(jì)算三。按三連拱三計(jì)算三，主三拱圈三增應(yīng)三考慮三連拱三影響三（類三擬拱三腳水三平位三移）三才安三全；三對(duì)橋三墩而三言，三拱圈三推力三減少三，可三以適三當(dāng)減三少橋三墩的三橫截三面。三具體三算法三可參三考有三關(guān)教三材。四、三拱橋三的施三工（1）有三支架三施工在滿三堂式三拱架三或在三桁式三鋼拱三架上三砌筑三磚石三拱橋三，澆三注混三凝土三、鋼三筋混三凝土三拱橋三，統(tǒng)三稱為三有支三架施三工。支架三的選三型、三強(qiáng)度三、剛?cè)?、三穩(wěn)定三性應(yīng)三確保三施工三安全三。支三架應(yīng)三設(shè)置三預(yù)拱三度，三以保三證拱三圈的三幾何三形狀三。拱三架在三落架三時(shí)，三必須三保證三拱橋三的自三重均三勻的三、對(duì)三稱的三由拱三架轉(zhuǎn)三移給三拱圈三。石板三拱橋三砌筑三方法三，應(yīng)三根據(jù)三跨徑三大小三、支三架類三型的三不同三而不三同，三可以三是從三兩端三拱腳三向拱三頂連三續(xù)砌三筑，三也可三先砌三筑拱三腳段三和拱三頂段三，后三砌筑1/三4跨徑三段的三分段三砌筑三，還三有分三環(huán)與三分段三相結(jié)三合的三砌筑三等方三法。三其原三則是三：砌三筑要三對(duì)稱三、均三勻。三多孔三拱橋三要考三慮連三拱影三響，三以免三造成三拱架三發(fā)生三意外三變形三，損三壞拱三圈。主拱三圈必三要時(shí)三可做三成二三鉸拱三或三三鉸拱三，或三在無(wú)三鉸拱三拱頂三、拱三腳處三設(shè)置三臨時(shí)三鉸，三形成三靜定三結(jié)構(gòu)三，待三墩臺(tái)三穩(wěn)定三后，三再將三臨時(shí)三鉸封三固形三成最三終體三系。圖7—三83纜索三吊裝三法施三工示三例澆筑三肋間三混凝三土、三建筑三拱上三橫墻三、安三裝腹三拱、三橋面三施工三。整三個(gè)過(guò)三程是三拱圈三逐漸三整體三化的三過(guò)程三，也三是拱三肋逐三漸加三載的三過(guò)程三。由三此可三以看三出施三工過(guò)三程與三結(jié)構(gòu)三計(jì)算三之間三是密三不可三分的三，因三此必三須進(jìn)三行過(guò)三程加三載程三序設(shè)三計(jì)，三并進(jìn)三行相三應(yīng)的三全過(guò)三程驗(yàn)三算，三以保三證主三拱圈三及拱三上建三筑的三任何三部位三不會(huì)