桥梁工程第10章 拱桥的构造与设计

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中、下承式拱桥的桥跨结构组成见本章第 5 节。
拱桥的下部构造包括桥墩、桥台和基础, 用以支承桥跨结构, 将桥跨结构的全部荷载传至地基, 并与两岸路堤相连接。
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拱桥的主要分类
拱桥的类型多种多样, 构造各有差异, 根据分类方式不同有: ( 1) 按照主拱圈所使用的建筑材料, 可分为圬工拱桥、钢筋混 凝土拱桥、钢拱桥和组合材料拱桥( 钢管混凝土拱桥) ; ( 2) 按照主拱圈的截面形式, 可分为板拱桥、肋拱桥、双曲拱桥 和箱形拱桥; ( 3) 按拱上建筑的型式, 可分为实腹式拱桥和空腹式拱桥; ( 4) 按拱轴线的形式, 可分为圆弧线拱桥、抛物线拱桥和悬链 线拱桥; ( 5 ) 按照桥面位臵, 可分为上承式拱桥、中承式拱桥 ( Half２
体系桥梁相比, 拱桥的造价相对较低; 耐久性 好, 养 护、维 修费用
少; 外形美观, 能与周围环境较好协调, 特别是在西部地区, 山陵沟 壑, 在此建造拱桥, 犹如一条彩虹飞跃两岸; 构造简单, 技术容易被 掌握, 利于推广。 拱桥的缺点在于: 自重较大, 由于水平推力的存 在, 对地基条件要求较高, 相应增大了下部构造工程量, 同时, 对连 续多孔的大、中型桥梁, 为防止一孔破坏而影响全桥安全, 需采用 较复杂 的措施或设臵单向推 力墩, 增加了 造价; 其次是 拱桥的施
第10章 拱桥的构造与设计
10. 1 10. 1. 1 拱桥的组成与分类
拱桥的受力特点
拱桥在竖向荷载作用下, 两端支承处除有竖向反力外, 还会产 生水平推力, 正是这个水平推力, 使拱内产生轴向压力, 并大大减
小主拱截面弯矩。 图 10. 1 所示为三铰拱在竖向荷载作用下的内力 计算图。
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图 10. 1
三铰拱内力计算图式
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由《 结构力学》可知, 拱圈内任意截面 D 的内力为:
从式( 10. 1) 不难发现, 由于水平推力的影响, 使拱圈截面内的 弯矩要比同等跨径简支梁的弯矩 M0 要小, 主拱圈以受压为主, 从 而使主拱圈材料得到充分发挥, 跨越能力增大, 可以充分利用抗压 性能较好的圬工材料( 如石料、混凝土等) 来建造拱桥。 式中, φ为 拱圈截面在 x 处的水平倾角。
工, 无论是有支架施工( 如圬工拱桥) 还是无支架施工( 如钢筋混凝
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土拱桥) , 一直是影响拱桥发展和造价的重要方面; 与梁式桥相比, 上承式拱桥的建筑高度较高, 尤其在平原地区, 为满足桥下净空要
求, 必须抬高桥面标高, 使两岸接线增长, 或使桥面纵坡增大, 既增
加工程量又对行车条件不利。 尽管如此, 拱桥的优点依然很突出, 它是我国公路和城市桥梁 的一种主要桥梁型式, 尤其是西部地区, 地质、地形条件适宜, 建材 丰富, 非常适合于修建各种型式的拱桥。 随着设计理论、计算方法 和施工技术的提高, 拱桥的跨径也在不断增大, 如何减轻拱桥结构 自重、改进施工方法, 开发和使用高强混凝土, 已成为修建和发展 拱桥的重要课题。 我国在箱形拱桥的基础上, 发展和独创了刚架 拱桥、预应力混凝土组合桁架拱桥等新型拱桥, 尤其是钢管混凝土 拱桥, 以其突出的优点在国内迅速崛起。 在短短的 20 年中, 已建 和在建钢管混凝土拱桥达 260 余座, 显示出强大生命力和竞争力。
寸和名称。
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图 10. 3
实腹式拱桥图
1 — 主拱圈( Arch ring) ; 2 — 拱顶( Arch crown) ; 3 — 拱脚( Springing) ; 4 —拱轴线( Arch axis) ; 5 — 拱腹( Soffit) ; 6 — 拱背( back of arch) ; 7 — 起拱线; 8 — 桥台; 9 — 桥台基础; 10 — 锥坡; 11 — 拱上建筑; l n — 净跨径; l 0 — 计算跨径; fn — 净矢高; f0 — 计算矢高。
部荷载, 并通过它把荷载传递给墩台及基础。 由于主拱圈是曲线
形, 车辆荷载无法直接在弧面上行驶, 需要在行车道系与主拱圈之 间有传递荷载的构件和填充物, 这些主拱圈以上的行车道系和传 载构件或填充物统称为拱上建筑( Spandrel structure) 。 拱上建筑可 做成实腹式( 图 10. 3) 或空腹式( 图 10. 2( a) ) , 相应称之为实腹式 拱桥( Filled spandrel arch bridge) 和空腹式拱桥( Open spandrel arch bridge) 。 在图 10. 3 中示出了实腹式拱桥的主要组成部分、主要尺
through Arch bridge) 和下承式拱桥( Through Arch Bridge) ;
( 6) 按有无推力, 可分为有推力拱桥和无推力拱桥。
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10. 2
拱桥的结构体系与总体布臵
10. 2. 1 拱桥的结构体系 按照主拱圈与行 车道系结 构之间相 互作用 的性质 和影 响程 度, 把拱桥分为简单体系拱桥和组合体系拱桥两大类。 ( 1) 简单体系拱桥 在简单体系拱桥中, 行车道系( 上承式拱的拱上建筑或中、下 承式拱的悬吊结构) 不与主拱圈一起承受荷载, 桥上的全部荷载由 主拱圈单独承担, 墩台或基础承受拱的水平推力。
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拱桥的组成
拱桥和其他体系桥梁一样, 也是由桥跨结构和下部结构两部 分组成。 根据行车道位臵不同, 拱桥的桥跨结构可以做成上承式、中承 式和下承式三种, 如图 10. 2 所示。
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图 10. 2
拱桥行车道位臵图
( a) 上承式; ( b) 中承式; ( c) 下承式
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上承式拱桥( Deck arch bridge) 的桥跨结构由主拱圈( 肋) 及其上 面的拱上建筑所构成。 拱圈是拱桥的主要承重结构, 承受桥上的全
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拱桥的基本特点
由上可知, 拱桥是一种受力优越的结构, 在地基条件适宜的条 件下, 修建拱桥往往是经济合理的方案。 拱桥建筑材料来源丰富,
可以修建成圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢拱桥和组合材料拱桥,
如钢管混凝土拱桥。 拱桥的优点在于: 跨越能力较大, 目前钢筋混 凝土拱桥最大跨径为 420 m, 钢拱桥为 552 m; 能就地取材, 与其他