第六章 拱 橋.ppt

1、第六章 拱 橋,第一節(jié) 概 述,拱橋是人類最早也是最廣泛使用的橋型之一。 不管是東方還是西方的文明古國，都有建造拱橋的 悠久歷史，其中以中國和古羅馬帝國的成就最為輝 煌。例如，建于隋唐時期的趙州石拱橋，已有1300 多年的歷史，北京的盧溝橋建于700多年前的元代， 至今依然完好；保留至今的古代名橋絕大多數(shù)是拱 橋，這說明拱橋是一種最為堅固耐用的橋型。由于 拱橋是以受壓為主的結構，它可以用廉價易得的磚、 石和混凝土等圬工材料建造，所以我國山區(qū)道路上 的中、小跨徑橋通常都是石拱橋。據(jù)統(tǒng)計，我國公 路橋梁60為拱橋。拱橋也是一種跨越能力很大的 橋型，在200一600m路徑范圍內(nèi)拱橋都有相當大的競 爭

2、優(yōu)勢。,鋼拱橋跨徑的世界紀錄巳達550m(上海盧浦大橋)； 石拱橋跨徑的世界紀錄也已達146m(山西晉城丹河橋)。 拱橋的另一個顯著優(yōu)點是其造型美觀，許多著名拱 橋甚至成為一個城市，一個地區(qū)的旅游景點。不少風景 區(qū)還專門配置各式拱橋裝點景色。這是因為拱橋可做成 各種和周圍景觀協(xié)調的曲線式樣，或用連拱如波浪，體 現(xiàn)一種韻律；或大拱、小拱巧妙搭配，在變化中蘊涵協(xié) 調；或大拱、小拱相疊，從層次上表現(xiàn)柔和之美、曲線 之美；也有的工程師匠心獨運將橋做成各種異形拱，使 之既具備交通功能，又是一座城市雕塑或造型，以顯現(xiàn) 創(chuàng)作者對城市或靈氣、或精神、或展望的想像。各種橋 型都可以做得很美，但像拱橋這樣變化之多

3、、適應性之 強是其他橋型所不能比的。,拱橋還有一個優(yōu)點是其構造簡單，尤其是中、小 跨徑圬工拱橋，不需要大型設備和復雜技術，建橋技 術容易掌握，有利于廣泛應用：對于大跨徑拱橋，近 來轉體施工法和勁性骨架拱的應用，使其建造過程比 同跨徑其他橋型(如斜拉橋、懸索橋)容易、便捷。 拱橋的主要缺點是其自重大，相應的水平推力也 較大，增加了下部結構的工程量；此外，工程師精心 設計的拱軸線可使拱處于很理想的受力狀態(tài)，但當基 礎發(fā)生變位或沉降時所產(chǎn)生的附加內(nèi)力是很大的，因 此拱橋對基礎的要求比其他橋型嚴格，通常拱腳都要 求置于很可靠的基礎上，例如整體性很好的堅硬巖石 上。拱腳水平推力還可產(chǎn)生另外一個不良后果，

4、即多 孔連拱的中間墩，其左右拱的水平推力是相互平的,一旦一孔出問題，其他孔也會因水平力不平衡而相 繼毀壞。拱橋的其他缺點如建筑高度較大，施工時 常需搭支架等也使某些種類的拱橋建設受到一定的 限制。 對于拱橋的這些優(yōu)缺點，在建橋時還應結合橋 址處的地形地質條件及其他環(huán)境因素，進行多方面、 多方案的綜合比較，謹慎地決定選擇哪種式樣的橋 梁。一般說來，在地質條件較好的山區(qū)，中、小跨 徑拱橋是最具競爭力的；在地質條件較差或平原地 區(qū)，也常選擇無推力拱的方案，在跨徑100一600m范 圍的大、中跨徑橋梁中，拱橋也是極具競爭力的。,近年來，由于轉體施工技術的推廣和進步，勁 性骨架混凝土拱橋為無支架建造大跨

5、徑拱橋積累了 豐富的經(jīng)驗，以及因鋼材供應充足而使大跨徑鋼拱 橋的修建日漸增多，大跨徑拱橋的興建有方興未艾 之勢。,第二節(jié) 拱橋的受力特點 拱對看作是由直梁在豎向彎曲而成。這一改變 除了使人產(chǎn)生美的感覺之外，主要優(yōu)點還在于結構 內(nèi)力發(fā)生重大變化：在豎向荷載作用下，梁式結構 不產(chǎn)生水平反力，而拱式結構會產(chǎn)生水平反力，如 圖所示。所以，梁的截面是以受彎、剪為主，而拱 則以受壓為主。下圖分別表示兩端固結梁和無鉸 拋物線拱的受力分析。,可以看出，梁主要受彎，需用有一定抗彎能力 的材料修建。而拱橋主要受壓，在圖（62b)所示 特定均布荷載和拱軸為理想拋物線的情況下，整個 拱軸線上無彎矩。實際上荷載是多種多

6、樣的，不均 勻分布的荷載是常見的，拱軸線及其邊界條件也都 會和設計者所設想的有一定的差別，拱會受到一定 的彎矩。但總的說來，拱所受彎矩一般都不大，軸 向受壓仍是受力的主要特點。因此，中、小路徑拱 橋通常都是用受壓能力強、受拉能力差的圬工材料 (磚、石、混凝土)建成的。,大跨徑拱橋仍是以受壓為主，但也受彎。拱軸 線在壓彎荷載作用下的穩(wěn)定問題是十分重要的。大 跨徑拱橋的側向風力和偏心活載所引起的扭轉效應 使拱軸線上的壓彎失穩(wěn)問題變得更為復雜，不僅要 考慮拱軸平面內(nèi)的屈曲問題，也有面外失穩(wěn)(側向傾 覆)問題。,第三節(jié) 拱橋的組成及主要分類,一、拱橋的主要組成 拱橋同其他橋梁一樣，也是由橋跨結構(上部

7、 結構)及下部結構兩大部分組成。 下圖表示拱橋各主要組成部分的名稱。拱圈是 拱橋的主要承重結構，由于拱圈是曲線形，一般情 況下車輛都無法直接在弧面上行駛，所以在橋面系 與拱圈之間需要有傳遞壓力的構件或填充物，以便 車輛能在平順的橋面上行駛。橋面系和這些傳力構 件或填充物統(tǒng)稱為拱上結構或拱上建筑。 橋面系包括行車道、人行道及兩側的欄桿或砌 筑的矮墻(又稱雉墻)等構造。拱橋的下部結構由橋 墩、橋臺及基礎等組成，用以支承橋跨結構至地 基，并與兩岸路堤相連接。,此外還有： 拱肩：上承式拱橋拱圈的兩側拱背以上、橋面系以 下的空間，即拱上建筑的腹部。有填料的為實肩拱 (或實腹拱)，具有構架體系的為敞肩拱。

8、 拱上建筑：又稱拱上結構。上承式拱橋橋跨結構中 主拱圈以上結構的總稱。 拱矢f：又稱拱高或矢高。拱頂至拱腳拱軸線上的垂 直距離。 凈拱矢f0：拱頂至拱腳在拱腹面上的垂直距離。 計算跨徑L:兩拱腳間拱軸線上的水平距離。 凈跨徑:兩拱腳問拱腹面上的水平距離(或兩拱腳起 拱線間的水平距離)。,起拱線：拱因拱腳截面的下緣線。 腹孔：空腹式拱橋在主拱拱肩上所設的孔。 腹拱：空腹式拱橋橋面以下、主拱圈以上部分所采 用的小拱。 二、拱橋的主要類型 拱橋歷史悠久，使用極為廣泛，相對于其他橋 型材料極為多樣，因此其形式也多種多造型各異， 其構造各不相同，故稱謂也十分復雜，分類之多是 其他橋型不可比擬的。 1、按

9、建橋材料(主要是針對主拱圈使用的材料)可分 為木拱橋、圬工拱橋、鋼筋混凝土拱、鋼管混凝土 拱橋和鋼拱橋等。,按拱軸線的形式可分為：圓弧線拱橋、懸鏈線拱 橋和拋物線拱橋等。 按結構體系分類可分為：簡單體系拱橋和組合體 系拱橋。 按主拱團截面形式可分為：板拱橋、肋拱橋、箱 形拱橋和雙曲拱橋。 按照拱上結構的形式可分為：實腹式拱橋和空腹 式拱橋。 按橋面位置可分為:上承式、中承式和下承式拱橋。 除了上述幾種分類外，還有許多分類方法，不再 一一列舉，現(xiàn)僅就與橋梁結構設計有關的類別作一介 紹。,1、按拱軸線形式分類 拱軸線常用形式有圓弧線、懸鏈線和拋物線。 其中，懸鏈線供軸線受力最為合理，在理論上它 可

10、以設計成拱截面只受軸向壓力，不受彎矩的合理拱 軸線；其次是拋物線，它和懸鏈線很相似，計算較為 簡單，所以中、大跨徑拱橋多設計成懸鏈線形或拋物 線形。圓弧拱受力稍遜，但其獨特的美學效果常為設 計者所看重、設計和施工放樣均較易，在小跨度拱橋 中使用十分廣泛。,2、按結構體系分類 按主拱圈與橋面系之間相互作用的性質及其相 互影響的程度，可將拱橋分為簡單體系拱橋和組合 體系拱橋兩大類。 (1)簡單體系拱橋 是指主要承重結構以拱為唯一受力體系的拱橋。 其橋面系結構(拱上結構或拱下懸吊結構)不參與主 拱一起受力，主拱以裸拱的形式作為主要承重結構。 簡單體系拱橋又分為三鉸拱、兩鉸拱和無鉸拱。,三鉸拱：為靜定

11、結構。其最大的優(yōu)點為溫度變化、支座沉降、混凝土收縮和徐變等因素不會在拱圈內(nèi)產(chǎn)生附加應力。但其構造復雜，施工難度大，整體件差，抗震能力差，因此主拱固一般不采用三餃拱。而三鉸拱常常用來作為空腹式拱上建筑的腹拱。 無鉸拱：為三次超靜定結構其伏缺點正好與上述三鉸拱相反。出于整體性好，即運營性能好，所以鋼筋混凝土無鉸拱是大跨徑橋梁的主要橋型之一。一般都要求拱腳處地基良好，以免地基沉降引起較大的附加內(nèi)力。 兩鉸拱：為一次超靜定結構，其特點介于三鉸拱和無鉸拱之間。內(nèi)于取消了中間鉸，結構整體性能好。由于拱腳處設鉸，在地基條件較差而不宜修建無鉸拱時，可考慮采用兩鉸供?，F(xiàn)在亦較少使用。,(2)組合體系拱橋 是由拱

12、和梁(或系桿)組成主要承重結構的拱橋。 是將橋面系結構與主拱按不同的構造方式構成一個 受力整體，以共同承受荷載。根據(jù)不同的組合方式 和受力特點，組合體系拱橋又分為無推力的和有推 力的。 無推力組合體系拱橋：在豎向荷載作用下拱腳對墩臺無水平推力作用的拱橋。其推力由剛性梁或柔性系桿承受，屬于內(nèi)部超靜定、外部靜定的組合體系拱橋。,適用于地質不良的橋位處，墩臺與梁式橋的相 似，體積較大。多做成下承式橋，建筑高度很小， 橋面高程可設計得很低，降低縱坡，減小引橋(引道） 長度。可用鋼筋混凝土或鋼材建成，由于拱肋高聳于 橋面之上，施工較復雜。在無推力體系拱橋中，吊桿 細長，僅承受拉力；拱腳處推力由水平梁承受

13、，此梁 如果設計得很柔紉，抗彎剛度小于拱肋的180，則 可假定梁只承受拉力而不承受彎矩(柔性系桿剛性 拱)，稱為系桿拱橋。如果梁設計得很粗大，抗彎剛 度大于拱助的80倍以上，此時梁既承受拉力又承受彎 矩，拱可假定只承受軸向壓力而不承受彎矩(剛性系 桿柔性拱)，稱為藍格爾拱橋；,如果拱與梁的剛度都很大，都可承受彎矩與軸向力 者(剛性系桿剛性拱)，則稱為洛澤拱橋。 以上三種拱，當用斜吊桿來代替豎直吊桿時， 稱為尼爾森拱。,主拱圈截面常用的形式有以下幾種： (1)板拱橋：拱圈橫截面的寬度大于高度呈矩形板 狀實體截面的拱橋，其寬度和與之相配的道路寬度 大體相當。由于其構造簡單，施工方便，使用廣 泛，是

14、圬工拱橋的基本形式之一。這種板拱的抗彎 能力較差，適用于中、小跨徑橋梁。 (2)肋拱橋：由兩條或兩條以上分離式拱肋組成承重 結構的拱橋。拱助之間靠橫向聯(lián)系連接成整體而共 同受力。這種橋橫截面面積較板拱橋小得多，節(jié)省 材料，自重輕，跨越能力大，但施工較板拱復雜， 適用于中、大跨徑橋梁。 (3)雙曲拱橋：主拱困在縱、橫兩個方向都呈拱形彎 曲的少筋混凝土拱橋。,其特點是將結構化整為小，構件輕巧。施工 時，先架設預制的拱肋，形成文架后再在拱肋上安 裝橫向小拱(稱“拱波”)，并在拱波上加筑泥凝土(稱 “拱板”)，最后在拱板上修建拱上建筑，因此可以節(jié) 省支架、模板、鋼筋等材料，施工也較簡便，仍工 序多，構

15、件接頭多，整體性差，容易產(chǎn)生裂縫。所 以，雙曲拱橋只宜在中、小跨徑橋梁個采用，而由 于其易開裂，目前已較少修建。,(4)箱形拱橋：拱圈橫截面由幾個箱室組成的拱橋。 其外形與板拱相似，截面挖空率較大，可達全截面 的50一70，較實體板拱橋可減少圬工用料與自 重，適用于大跨度拱橋。由于它是閉合箱形截面， 截面抗彎和抗拉剛度均較大，裸拱施工時穩(wěn)定性較 好，適用于無支架施工法。但制作精度要求高，施 工安裝設備多、一般情況下，跨徑在50m以上的拱橋 采用箱形截面才是合適的。它是國內(nèi)外大跨徑鋼筋 混凝土拱橋主拱圈截面的基本形式。,(5)鋼管混凝土拱橋：用一根、一束或多個大直徑鋼 管內(nèi)注(或外包)泥凝土組成

16、拱肋的拱橋。建造時， 把在工地制備的鋼管(束)段用纜索吊吊裝就位并臨 時固結于纜索吊的塔架，把就位的鋼管段連接(或栓 接或焊接)起來形成一個鋼管拱，之后給鋼管內(nèi)泵送 混凝土或(和)外包混凝土形成拱助。 其最大的優(yōu)點是不用支架就能完成大跨拱橋的建 造，缺點是鋼管段焊接連接的質量控制和鋼管內(nèi)灌 注混凝土的密實度的質量控制要求很高，控制不好 易造成施工質量隱患。,4按照拱上結構的形式分類 按照拱上結構的形式可分為實腹式拱橋和空腹式拱橋。 (1)實腹式拱橋：拱上建筑做成實體結構的拱橋。通 常在拱圈上的兩側設拱上擋土墻(側墻)，中填土(石)， 再于其上建造橋面。這種橋構造簡單，施工方便，但自 重大，多用

17、于20一30m的小跨度拱橋。 (2)空腹式拱橋：拱上建筑由幾個腹孔構成的拱橋。腹 孔為橋面以下、主拱拱肩上所設的孔。空腔式拱橋較實 腹式拱橋輕巧，節(jié)省材料，外形美觀，并且有助于泄 洪，適用于大跨度橋梁，但施工麻煩。,5按主拱圈與橋面系的關系分類 拱橋的主要受力構件是拱圈，因此在設計時可 根據(jù)地質情況、環(huán)境及橋兩側接線的相對位置，將 橋面系置于拱背之上(上承式)或吊于拱肋之下(下承 式)，中承式拱橋則是將一部分橋面系吊于拱肋之 下，一部分支撐于拱背之上。上承式、下承式和中 承式拱橋的選擇主要取決于拱團或拱肋建筑高度和 兩側道路接線的相對位置。 (1)上承式拱橋：橋面系設置在拱圈(肋)之上的 拱橋。可設計