1、第二章 拱桥的构造及设计,2.1 上承式拱桥的构造与设计,土建学院桥梁工程系,分为两大类： 普通型上承式拱桥，由主拱（圈）、拱上传载构件、桥面系组成，主拱（圈）是主要承重结构； 整体型上承式拱桥，由主拱片（指由拱圈与拱上传载构件组成的整体结构）和桥面系组成，主拱片是主要承重结构。,一、主拱的构造与尺寸拟定,普通型上承式拱桥根据主拱（圈）截面型式不同可分为： 1）板拱 2）板肋拱 3）肋拱 4）双曲拱 5）箱型拱 整体式上承式拱桥 1）桁架拱桥 2）刚架拱桥,1 普通型上承式拱桥 1）板拱,按照主拱所用的建筑材料划分，板拱又可分为石板拱、混凝土板拱和钢筋混凝土板拱等。 （1）石板拱:料石、块石和
2、砖石,等截面圆弧拱的拱石编号,变截面拱圈的拱石编号,用于拱圈砌筑的石料应要求石质均匀，不易风化和无裂纹。石料强度等级不得低于C30。拱圈砌筑应满足下列构造要求：错缝；限制砌缝宽度；设五角石。,（2）混凝土板拱：素混凝土板拱、钢筋混凝土板拱 素混凝土板拱整体现浇：拱内收缩应力大，受力不利，同时，拱架、模板木材用量大，工期长，质量不易控制，故较少采用；预制砌筑：将混凝土板拱划分成若干块件，然后预制混凝土块件，最后进行块件砌筑成拱。预制砌块在砌筑前应有足够的养生期，以消除或减少混凝土收缩的影响。,钢筋混凝土板拱板厚较小，构造简单、外表整齐、轻巧美观。,钢筋混凝土板拱的横断面,拱圈高度可按跨径的1/6
3、01/70初拟。,2）肋拱,肋拱桥是由两条或多条分离的拱肋、横系梁、立柱和由横梁支承的行车道部分组成。,肋拱桥立面布置图,拱肋是主要承重结构，可由混凝土、钢筋混凝土、钢管混凝土、劲性骨架混凝土做成，宜采用少肋型式。 上下游拱肋最外缘的间距一般不宜小于跨径的1/20，以保证肋拱的横向整体稳定性。 拱肋的截面型式分为实体矩形、工字形、箱形、管形和劲性骨架混凝土箱形等。 矩形截面肋高可取跨径的1/401/60，肋宽可为肋高的0.52.0倍。 工字形截面肋高一般为跨径的1/251/35，肋宽约为肋高的0.40.5倍，腹板厚度常为30cm50cm。 管形肋拱是指采用钢管混凝土结构作为拱肋的拱桥，其肋高与
4、跨径之比常在1/451/65之间。,3）箱形拱,主拱圈截面由多室箱构成,主要特点是：,箱形拱拱圈断面示意,截面挖空率大，减轻重量； 箱形截面的中性轴大致居中，对于抵抗正负弯矩具有几乎相等的能力，能较好地适应主拱圈各截面正负弯矩变化的需要； 拱圈的整体性好，应力分布较均匀； 单条箱肋刚度较大，稳定性较好，能单箱肋成拱，便于无支架吊装； 制作要求较高，吊装设备较多，主要用于大跨径拱桥。,拟定箱形拱截面尺寸主要包括拱圈的高度、宽度、箱肋的宽度以及顶底板、腹板尺寸。初拟拱圈的高度时，拱圈高度可取跨径的1/551/75，或者按如下经验公式估算：,箱形拱闭合箱的构造,一般希望拱宽不小于跨径的1/20。,修
5、建箱形拱，可以采用预制拱箱无支架吊装或有支架现场浇筑等施工方法。 若采用无支架施工时，拱箱可分段预制，当吊装能力很大时，可以采用封闭式拱箱，这样可以增加拱箱在施工过程中的整体稳定性，减少施工步骤。其具体过程为：在横向将拱截面划分为多条箱形肋，在纵向将箱形肋分段，先预制各箱肋段，然后安装各箱肋段成拱，最后现浇各箱肋间的填缝混凝土形成箱形拱。,4）双曲拱桥,由拱肋、拱波、拱板和横向联系等几部分组成,双曲拱桥主拱圈横断面,双曲拱桥的主要特点是将主拱圈以“化整为零”的方法按先后顺序进行施工，再以“集零为整”的组合式整体结构承重。,双曲拱桥主拱圈截面型式,拱肋是双曲拱桥主拱圈的骨架，它不仅参与拱圈共同承
6、受全部恒载和活载，而且在施工过程中起砌筑拱波和浇筑拱板的支架作用，当拱波、拱板完成后，拱肋成为主拱圈的重要组成部分。 拱肋的设计，必须保证具有足够的强度和刚度。,常用的拱肋截面形式有矩形、倒T形（凸形）、槽形和工字形等,拱肋一般为钢筋混凝土构件，常采用预制安装的方法施工。分段数目和长度应根据桥梁跨径大小、运输设备和吊装能力等条件来考虑。由于拱顶往往是受力最不利的截面，因此拱肋分段时接头不宜布置在拱顶。,拱肋分段的接头位置,双曲拱桥主拱圈截面高度一般为跨径的1/401/55，跨径大者取小值。 为使拱肋的变形在横桥方向均匀，避免拱波顶可能出现纵向裂缝，需在拱肋间设置横向联系。 常用的型式有横系梁和
7、横隔板，通常布置在拱顶、腹孔墩下面、分段吊装的拱肋接头处等，间距一般为35m，拱顶部分可适当加密。,桁架拱桥的主要组成部分,2 整体型上承式拱桥 1）桁架拱桥,桁架拱桥是一种有水平推力的桁架结构，其上部结构由桁架拱片、横向联结系和桥面组成。桁架拱片是主要承重结构，由上、下弦杆、腹杆和实腹段组成。,1）结构型式,分为斜（腹）杆式、竖（腹）杆式、桁肋式和组合式四种。,斜（腹）杆式,三角形腹杆的桁架拱片，腹杆根数少，杆件的总长度最短，因此腹杆用料省，整体刚度较大,竖（腹）杆式,外形美观，节点构造简单，施工较方便，但整体刚度较小，竖杆与上、下弦杆连接的节点处易开裂，故适用于荷载小、跨径较小的桥梁,桁肋
8、式,实质上为普通型上承式拱桥，仅是将主拱圈改为桁架结构。桁肋自重轻，吊装方便，适宜于无支架施工。但由于桁架在拱脚处固结，基础变位、温度变化和混凝土收缩徐变引起的附加内力较大，拱脚上弦杆易开裂。,组合式,上弦杆在墩（台）顶部至拱顶之间适当位置断开，形成一条断缝（即断点），从断点至墩（台）顶部形成一个悬臂桁架（与墩（台）固结），跨间两断点之间为一普通桁架拱，全桥下弦杆保持连续。桁式组合拱常用于100m以上的特大型预应力混凝土拱桥，设断缝对减小由于日照温差引起的附加内力有好处。,2）结构特点,承重结构（桁架拱片）在施工期间单独受力，在竣工后与桥面板共同受力。 桁架拱在荷载作用下具有水平推力，具有拱的
9、受力特点。 相当于拱上结构与拱肋连成整体，拱与拱上结构共同受力，相当于加大了拱圈高度，各杆件又主要承受轴力，所以又具有桁架的受力特点。 由于桁架拱外部通常采用两铰结构，因而基础位移、温度变化等产生的附加内力较小，适合软弱地基需要。,3）结构构造,桁架拱片 桁架段 实腹段 节间大小 节点 片数及间距 矢跨比 （2）横向联系 （3）桥面系 （4）桁架拱片与墩台的连接,桁架段,桁架拱片中下弦杆为主要受压构件，应有足够的截面积，下弦杆多用矩形截面，其高度可为净跨径的1/801/100。桁架拱片宽度在25cm50cm之间，可为等截面，也可是变截面。 上弦杆的断面型式跟桥面板构造有关。当采用空心板时，上、
10、下弦可采用矩形截面；当采用微弯板时，则需采用凸形（边肋为L形）。 腹杆常用矩形截面 ，高度一般为下弦杆高度的1/1.51/2，对受压腹杆宜用工字形截面。,实腹段,实腹段长度与拱底曲线有关。陡拱时，实腹段就短，坦拱时则长。在确定其长度时还应考虑实腹段与桁架段之间强度与刚度的差别、外观上的协调以及要便于施工的要求。 通常，实腹段长度在计算跨径的0.30.5倍之间，实腹段跨中截面高度（包括桥面板在内）与跨径、矢跨比、拱片数（或间距）等有关，初拟时可取为净跨径的1/401/50。,节间大小,桁架拱片的节间大小与上弦杆局部受力有关。节间大，节点就少，结构简化，但上弦杆需增大截面和自重，所以，节间长度一般
11、不大于计算跨径的1/81/12。 对斜杆式桁架拱，还应使其与上弦杆的夹角在3050之间，以避免产生过大的内力和变形，这就要求节间长度自端部向拱顶递减。,节点,桁架拱片杆件的节点是一个很重要的部位，其构造和型式随拱跨大小、腹杆布置方式等有所不同。节点的构造应保证足够的强度和符合构造要求。 桁架拱片各杆件的轴线应于节点处相交，以免产生附加弯矩；相邻杆件外缘交角应以圆弧或曲线过渡，过渡段内不得出现锐角与直角，避免应力集中。,矢跨比,桁架拱片矢跨比的确定应从桥址情况、桥下净空、桥面标高、构造型式、受力与施工诸方面综合考虑确定。 当矢跨比小时，立面外形轻巧美观，腹杆较短，刚度大，吊装质量轻，节省材料。但
12、矢跨比越小水平推力就越大，造成墩台负担增大。当矢跨比大时，则情况相反。 一般其净矢跨比在1/61/10之间选用。,2）刚架拱桥,刚架拱桥的上部结构由刚架拱片、横向联结系和桥面等部分组成。,拱片是刚架拱桥的主要承重结构，一般由跨中实腹段的主梁、空腹段的次梁、主拱腿（主斜撑）、次拱腿（次斜撑）等构成，与桥面板一起形成刚架拱的主拱片。主梁和主拱腿的交接处称为主节点，次梁和次拱腿的交接处称为次节点。节点构造一般均按固结设计。 刚架拱桥属于有推力的高次超静定结构，具有构件少、质量轻、整体性好、刚度大、施工简便、造价低、造型美观等优点，可在软土地基上修建，被广泛用于跨径为25m70m的桥梁。,二、拱上建筑
13、构造,按照拱上建筑采用的不同构造方式，分为：实腹式拱上建筑 空腹式拱上建筑,（一）实腹式拱上建筑,实腹式拱上建筑构造简单，施工方便，填料数量较多，恒载较重。实腹式拱上建筑由拱腹填料、侧墙、护拱、变形缝、防水层、泄水管以及桥面系组成。 拱腹填料分为填充式和砌筑式两种。填充式拱腹填料应尽量做到就地取材，通常采用透水性好、土侧压力小的砾石、碎石、粗砂或卵石类粘土等材料，或其它轻质材料。 侧墙是围护拱腹上的散粒填料，设置在拱圈两侧，通常采用浆砌块、片石、料石、钢筋混凝土等。 护拱设于拱脚段，以便加强拱脚段的拱圈，同时，便于在多孔拱桥上设置防水层和泄水管，通常采用浆砌块、片石结构。,（二）空腹式拱上建筑
14、,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。,拱式拱上建筑,根据腹孔构造，可分为拱式拱上建筑和梁式拱上建筑两种。,1、腹孔 1）拱式拱上建筑,拱式拱上建筑构造简单，外形美观，但重量较大、一般用于圬工拱桥。 腹孔一般对称布置在靠拱脚侧的一定区段内，其长度约为跨径的1/31/4。 对于中小跨径拱桥，腹孔跨数以36孔为宜。 腹孔跨径，对中小跨径拱桥一般选用2.5m5.5m，对大跨径拱桥则控制在主拱跨径的1/81/15之间。,2）梁式拱上建筑,简支腹孔（纵铺桥道板梁） 由底梁（座）、立柱、盖梁和纵向简支桥道板（梁）组成。这种型式的结构体系简单，基本上不存在拱与拱上结构的联合作
15、用，受力明确，是大跨径拱桥拱上建筑主要采用的型式。 连续腹孔（横铺桥道板梁） 连续腹孔由立柱、纵梁、实腹段垫墙及桥道板组成。先在拱上立柱上设置连续纵梁，然后再在纵梁上和拱顶段垫墙上铺设横向桥道板，形成拱上传载结构，这种型式主要用于肋拱桥。其特点是桥面板横置，拱顶上只有一个板厚（含垫墙）及桥面铺装厚，建筑高度很小，适合于建筑高度受限制的拱桥。 框架腹孔 在横桥向根据需要需设置多片，每片通过系梁形成整体。,2、腹孔墩,腹孔墩可分为横墙式或排架式两种。,1）横墙式,一般用圬工材料砌筑或现浇混凝土形成。,2）排架式,由立柱和盖梁组成的钢筋混凝土排架结构。,整体的钢筋混凝土空腹式拱桥，在活载或温度变化等
16、因素作用下将引起拱上结构变形，在腹孔墩中产生附加弯矩，从而导致节点附近产生裂缝。 可以将腹孔墩的上下端设铰，使它成为仅受轴向压力的受力构件，以改善拱上建筑腹孔墩的受力情况。为了简化构造和方便施工，一般高立柱仍可采用固结形式，而只将靠近拱顶处的12根高度较小的矮立柱上、下端设铰。,三、其他细部构造,拱上填料、桥面及人行道 伸缩缝与变形缝 排水与防水层 拱桥中铰的设置,（一）拱上填料、桥面及人行道,拱上建筑中的填料，一方面可以扩大车辆荷载作用的面积，同时还可以减小车辆荷载对拱圈的冲击，但也增加了拱桥的恒载重量。 主拱圈及腹拱圈的拱顶处，填料厚度（包括路面厚度）均不宜小于30cm；当拱上填料厚度（包
17、括桥面铺装厚度）等于或大于50cm时，设计计算中不计汽车荷载的冲击力。,（二）伸缩缝与变形缝,使结构的计算图式尽量与实际的受力情况相符合，避免拱上建筑的不规则开裂，以保证结构的安全使用和耐久性。 通常是在相对变形（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。,（三）排水与防水层,桥面雨水的排除，除了桥梁设置纵坡和桥面设置横坡外，一般还沿桥面两侧缘石边缘设置泄水管。实腹式拱桥防水层应沿拱背护拱、侧墙铺设。 单孔拱桥:可以不设拱腹泄水管。 多孔拱桥:可在跨径1/4处设泄水管。对于空腹拱桥，防水层应沿腹拱上方与主拱圈跨中实腹段的拱背设置，泄水管也宜布置在1/4跨径处。 对跨线桥、
18、城市桥或其它特殊桥梁，需设置全封闭式排水系统。,（四）拱桥中铰的设置,拱桥中需要设置铰的情况有四种： 按两铰拱或三铰拱设计的主拱圈； 按构造要求需要采用两铰拱或三铰拱的腹拱圈； 需设置铰的矮小腹孔墩，即将铰设置在墩上端与顶梁和下端与底梁的连接处； 在施工过程中，为消除或减小主拱圈的部分附加内力，以及对主拱圈内力作适当调整时，需要在拱脚处设置临时铰。常用的拱铰型式有： 弧形铰 铅垫铰 平铰 不完全铰和钢铰,1、弧形铰,2、铅垫铰,3、平铰,4、不完全铰,5、钢铰,四、拱桥的设计,（一）拱桥的总体布置 1、确定桥梁长度及分孔 2、确定桥梁的设计标高和矢跨比 （二）不等跨连续拱桥的处理方法 （三）拱
19、轴线的选择和拱上建筑的布置,（一）拱桥的总体布置,拱桥总体布置应包括：拟定结构体系及结构型式；拟定桥梁的长度、跨径、孔数、拱的主要几何尺寸、桥梁的高度、墩台及其基础型式和埋置深度、桥上及桥头引道的纵坡等。,1、确定桥梁长度及分孔,根据泄洪总跨径及其它方面的要求，确定两岸桥台之间的总长度，并确定桥台的位置。 对于通航河流，在确定孔数与跨径时，一般分为通航孔和不通航孔两部分。通航孔跨径和通航标高的大小应满足航道等级规定的要求。对于航道可能变迁的河流，必须设置几个通航的桥跨。 对于不通航孔或非通航河段，桥孔划分可按经济原则考虑。,2、确定桥梁的设计标高和矢跨比拱桥的标高主要有四个，即桥面标高、拱顶底
20、面标高、起拱线标高和基础底面标高。,桥面标高一般由两岸线路的纵断面设计所控制。 当桥面标高确定之后，由桥面标高减去拱顶处的建筑高度（拱顶填料厚度和主拱圈厚度），就可得到拱顶底面的标高。 起拱线标高由矢跨比的要求确定。 基础底面的标高，应根据冲刷深度、地基承载能力等因素确定,主拱圈矢跨比是拱桥的主要设计参数之一。它不但影响主拱圈内力，还影响拱桥的构造型式和施工方法的选择，应从上、下部结构受力、通航、泄洪等综合因素考虑确定矢跨比。拱桥的水平推力与垂直反力之比值，随矢跨比的减小而增大。当矢跨比减小时，拱的推力增大，反之则推力减小。 推力大，相应地在拱圈产生的轴向力也大，对拱圈自身的受力状况是有利的，
21、但对墩台基础不利。同时矢跨比越小，附加内力越大。但当拱的矢跨比过大时，拱脚区段过陡，给拱圈的砌筑或混凝土的浇筑带来困难。 矢跨比与外形是否美观，与周围景物能否协调也有关系。 矢跨比的大小应经过综合比较后进行选定。,（二）不等跨连续拱桥的处理方法,不等跨拱桥，由于相邻孔的恒载推力不相等，使桥墩和基础增加了恒载的不平衡推力。,采用不同的矢跨比 采用不同的拱脚标高 调整拱上建筑的恒载重量 采用不同类型的拱跨结构,（三）拱轴线的选择和拱上建筑的布置,理想拱轴线：在各种荷载作用下拱圈截面只受轴向压力，而无弯矩作用，充分利用圬工材料的抗压性能。 合理拱轴线：理想拱轴线在事实上是不可能获得的，因为除结构自重
22、外，拱圈还要受到活载、温度变化和材料弹塑性变形等因素的作用。考虑到公路拱桥的结构自重占全部荷载的比重较大，以结构自重压力线作为设计拱轴线，基本上是适宜的。,拱桥常用的拱轴线型有以下几种：,1、圆弧线,2、悬链线,3、抛物线,本节小结,上承式拱桥分为普通型上承式拱桥和整体型上承式拱桥； 普通型上承式拱桥 根据主拱（圈）截面型式不同可分为板拱、板肋拱、肋拱、双曲拱、箱型拱； 整体式上承式拱桥分为桁架拱桥、刚架拱桥； 拱上建筑分为空腹式和实腹式； 其他细部构造包括拱上填料、桥面及人行道、伸缩缝与变形缝、排水与防水层、铰等； 拱桥的设计包括拱桥的总体布置、不等跨连续拱桥的处理方法、拱轴线的选择和拱上建
23、筑的布置等内容。,土建学院桥梁工程系,2.2 中、下承式钢筋混凝土拱桥的设计与构造,一、概述,中承式拱桥的行车道位于拱肋的中部。下承式拱桥的桥跨结构由拱肋、悬吊结构和横向联结系三部分组成。,二、基本组成和构造 （一）拱肋,材料 ：钢筋砼、钢管砼、劲性骨架砼或纯钢材 拱轴线：抛物线、悬链线 截面：矩形、工字形、箱形或管形,提篮式拱,新型拱肋构思,蝴蝶拱,侧倾拱,（二）横向联系,作用：保证两片拱肋的横向刚度和稳定 形式：横撑、对角撑或空格式构造等型式 无横向风撑：拱脚具有牢靠的刚性固结；桥面以下至拱脚区段的拱肋间固结横梁的刚度；加大拱肋的宽度,巫山长江大桥,横撑形式,无横向风撑,（三）悬挂结构 1
24、吊杆,刚性吊杆：用钢筋混凝土或预应力混凝土制作；受力：轴向拉力，上下节点处的局部弯矩,柔性吊杆：用冷轧粗钢筋、高强钢丝或钢绞线等高强钢材制作 防护层应有足够的强度、韧性、抗老化性和附着性 短吊杆：应力及应力变幅均较大；温度变化及活载水平力作用下，短吊杆折角较大,（三）悬挂结构 2、横梁,分为普通横梁、固定横梁和刚架横梁 由吊杆支承的是普通横梁，也叫中横梁,固定横梁在拱肋与桥面系相交部位，传递垂直荷载、水平横向荷载、纵向制动力，与拱肋刚性联结,（三）悬挂结构 3、纵梁,纵梁多采用T形、形小梁，设计成简支梁结构或连续梁结构，或直接在横梁上满铺空心板、实心板,（三）悬挂结构 4、行车道系,由纵、横梁
25、和车道板组成。车道板上铺桥面铺装，安设人行道和栏杆等。,2.3 拱式组合体系桥的设计和构造,一、概述,拱式组合体系桥是将梁和拱两种基本结构组合起来，共同承受荷载，充分发挥梁受弯、拱受压的结构特性及其组合作用，达到节省材料的目的。根据拱肋和行车道梁的联结方式不同，拱式组合体系桥一般可划分为有推力的和无推力两种类型,（一）拱式组合体系桥的基本形式,简支梁拱组合式桥梁下承式，无推力。拱肋结构一般为钢管混凝土，桥面上设风撑；外部为静定结构，内部为高次超静定结构。主要承重构件除拱肋外，还有加劲纵梁，它与横梁组成平面框架，由吊杆上下联系,连续梁拱组合式桥梁 特点：刚度大，跨越能力大，造型美观,单悬臂组合式
26、桥梁适用于上承式、转体施工。将实腹梁挖空，用立柱代替梁腹板，原腹板剪力主要由拱肋竖向分力及加劲梁剪力平衡。加劲梁采用预应力混凝土，拱肋为钢筋混凝土,二、拱式组合体系桥的基本组成和构造,拱肋：根据柔性系杆刚性拱、刚性系杆柔性拱、刚性系杆刚性拱各自特点而定系杆 ：一方面要考虑系杆与拱肋的连接，保证系杆能很好地与拱肋共同受力；另一方面又要考虑系杆与行车道之间的相互作用，避免桥面行车道因阻碍系杆的受拉而遭到破坏吊杆：高强钢丝束或粗钢筋横向联结系,三、拱式组合体系桥的基本力学特征,简支梁拱组合体系相当于在简支梁上设置加强拱，梁拱端结点刚结，其间布置吊杆，通过调整吊杆张拉力，可使纵梁的受力状态处于最有利状
27、态。体系中拱肋主要承担轴压力，梁内主要承担轴拉力，而弯矩及剪力主要受节间荷载的影响。,连续梁拱组合式体系 1.上承式连续梁拱组合式桥梁,上弦加劲梁承受拉弯作用，下弦拱肋承受压弯作用，这类桥梁是一种用拱肋来加强的连续梁。 中墩位置处的较大负弯矩则靠梁内预应力来平衡。在跨径布置中，应尽可能减少边跨长度，使边跨上基本不出现正弯矩，以避免下弦出现拉应力。 为了避免负反力出现，可在端部设置平衡重，或将边跨连续地向外延伸形成五跨连续的梁拱组合体系。 预应力索可采用直索，通长布置，不仅可靠，而且可以减少锚头的用量及预应力沿管道损失。 拱内剪力一般很小，不控制断面设计。,2、中承式连续梁拱组合体系应用较多，它的特点是结构布置合理，造型美观，施工方便。这类桥梁一般由三跨组成。一般根据连续梁的弯矩图来布置加劲梁的拱肋，在负弯矩区用桥面以下两组拱腿来加强，在中跨正弯矩区用一组拱肋来加强，连续梁不仅承担弯矩与剪力，而且还需以轴向拉力来平衡拱的轴向压力。,3、下承式连续梁拱组合体系三跨下承式连续梁拱组合桥梁实际上属三跨变截面连续梁。当中孔用全拱加强后，通过张拉吊杆，显著地减小了中跨主梁的正负弯矩，使得主梁的建筑高度可以大幅度减小。两个边跨由于受到中跨拱的刚度影响，虽减小了负弯矩的负担，但边跨正弯矩比原来的有所增大，因而宜将边跨跨径适当减小。,
