拱桥讲解之中下承式钢筋混凝土拱桥

(EI )拱 /(EI )系 (EI )拱 /(EI )系 80
柔性系杆拱是无推力组合拱桥中出现得教早的一种类 型，早期系杆有多种形式，如型钢等，现多采用预应力索
•刚性系杆柔性拱（拱梁体系）
(EI )拱 /(EI )系 1/ 80
系杆受拉和弯 拱肋主要受压
这种体系以梁为主要承重结构，相当于把桁架弦杠与梁组合起 来，以梁为受力主体，曲线桁架对梁加劲。
在拱上按拟定程序施工拱上结构，计算其重力
计算各计算截面的内力，并验算强度
根据强度验算情况，调整施工加载顺序和范围
4、施工加载挠度的计算和控制
施工加载程序确定后，还应计算施工加载各工序相应的各点 挠度值，以便在施工过程中控制拱轴线的变形情况。当实测挠度过 大或出现不对称变形等异常现象时，应立即分析原因，采用措施， 及时调整加载程序。
强度
主拱
稳定
（压弯构件）
刚度
系杆：一般为拉弯构件 吊杆：一般为拉杆，如为刚性吊杆，则为拉弯构件 桥面：受弯为主 连接系：一般为拉、压构件
动力分析 一、概述
引起振动的主要因素
车辆引起振动 地震 风振 雨振
结构自振频率与周期及振型
第六节 施工过程计算与验算
1、拱肋（箱）脱模吊运过程中的验算
•将预制拱肋（箱）顶起脱离底板模板时，应进行脱模验算
吊杆
吊杆 系杆索
系杆箱
滚轮
横梁 a)
吊杆
横梁 c)
预留系杆孔道
横梁 b)
拱梁体系 （刚性系杆柔性拱，刚性系杆刚性）
梁本身起到系杆的作用，为拉弯构件
A
A
B
B
三、系杆
柔性系杆刚性拱的系杆
构造原则：一方面要考虑系杆与拱肋联接，保证系杆能很 好地与拱肋共同受力；另一方面又要避免桥面行车道因阻碍系 杆受拉而遭到破坏。构造上处理方法有：
空腹段
实腹段
空腹段
图 1 钢筋混凝土整体式拱桥
是一种主拱与拱上结构整体构造的上承式钢筋 混凝土组合式拱桥
图2 桁架拱
空腹段
纵梁
I
斜撑 横系梁
I 拱腿
现浇桥面混凝土
微弯板
实腹肋或纵梁肋
横系梁 II
图3 刚架拱
实腹段 横系梁
二、拱式组合桥
拱肋
吊杆
系杆
纵梁 拱梁组合结构
4-2-70
横梁
桥面板
拱系杆组合结构
g (0.3 ~ 0.5)W l
3、施工加载计算
裸拱箱 纵缝混凝土 横墙 箱形拱桥施工加载 腹拱 的几个计算阶段 主拱实腹段填料 腹拱填料 路面和人行道工程
施工加载计算步骤
绘制计算截面的内力（弯矩、轴力）影响线
（一般拱顶、拱脚、拱跨的1/8，1/4，3/8点）
根据施工条件参考有关施工经验，初步拟定施工顺序
其中
柔性系杆刚性拱：与普通中下承式拱相同
刚性系杆柔性拱：可将拱肋高h压缩到（1/100~1/120)l，
若采用刚性吊杆，则横向刚度较大的拱肋、吊杠于系杠 组成半框架，一般情况下可不设横梁。
刚性系杆刚性拱：拱肋高 h＝（1/100~1/120)l
二、桥面系
柔性系杆刚性拱：与普通中下承式拱相同
系杆（单度系杆与桥面分开）承担拱水平推力的拱式组 合桥，桥面结构参与拱共同作用的性能较弱，在拱与系 杆组成的结构中，拱主要起承重作用、系杆承担拱产生 的水平推力。
三、桥面板及纵梁的构造
四、横梁的构造 固定横梁：为桥面系与拱肋相交处的横梁，其截面尺寸与 刚度远比其它横梁大。
桥面横梁 普通横梁：通过吊杆悬挂在拱肋下的横梁 刚架横梁：中承式拱桥通过立柱支承在拱肋上的横梁
1、固定横梁
2、普通横梁 3、刚架横梁（见拱上刚架的构造）
五、拱上门式刚架的构造
第四章、拱式组合体系桥
b)
第五节、拱式组合桥内力计算与设计
1 荷载
恒载内力
自重：根据施工过程计算 二期恒载
荷载因素
活载内力 车道荷载：总体 车辆荷载：局部
温度、收缩徐变
系杆张拉力
风
动力荷载
地震
拱式组合桥是一种在构造与受力方面很有特点的 组合体系拱桥，这些特点也对设计计算提出了更 高的要求。目前，拱梁组合桥主要采用杆系有限 单元法电算。下面介绍拱梁组合桥在结构电算时 的基本假定、计算模型，以及应考虑的施工过程 等问题。
图 简支拱式组合桥的主要构造（典型系杆拱）
立柱 a)
纵梁
拱肋
吊杆
拱肋
系
杆
盖梁
b)
立柱 纵梁
横梁 桥面板
横梁
拱梁组合结构 拱系杆组合结构
吊杆 拱肋
c) 纵梁
图 连续拱式组合桥 （无推力）
三、拱式组合桥主要类型
拱式组合桥有很多类型，这里主要介绍系杆拱桥
•柔性系杆刚性拱
系杆仅受拉 拱肋受压和弯
严格讲： 一般要求:
2、计算模型
●一般采用有限元方法建立整体计算模型 ●主拱、系杆可采用用空间梁柱单元模拟，吊杆采用空间杆
系单元模拟，桥面根据实际情况可采用空间梁柱单元或板 壳单元模拟 ●边界条件很重要
柔性系杆刚性拱
桥面结构作为附属结构悬吊于拱肋，系杆表示为只承 受轴向力的构件
单侧设置 刚臂
节点
k j
i
柔
ei
性
单元
拱桥讲解之中下承式钢筋混凝土拱桥
第三章 中下承式钢筋混凝土拱桥
第一节 适用场合与总体布置
一、适用场合
当桥梁的建筑高度受到严格限制时，若采用上承式拱桥往往有困 难，可采用下承式拱桥满足桥下建筑高度；在不等跨的多孔连续 拱桥中，为了平衡左右桥墩的水平推力，将较大跨径一孔的失跨 比加大，做成中承式拱桥，可以减小大跨的水平推力；在平坦地 形的河流上，采用中、下承式拱桥可以降低桥面的高度，有利于 改善桥梁两端引道的工程数量。应注意的是中下承式拱桥是推力 拱，宜选择较好的地土，改善混凝土性能
解决钢箱梁局部稳定 便于施工
（2）缺点
混凝土是否与钢共同工作，混凝土质量控制难度大 主拱混凝土与钢管自重全部由钢管承受（按施工过程计 算） 钢管中混凝土的收缩、徐变，使混凝土与钢之间引起 不可忽视的内力重分布，尤其在拱的轴压力较大时
二、总体布置
1、中承式拱桥 钢筋混凝土或钢管混凝土 两拱肋一般在平行的平面；为了提高横向稳定，也可用提蓝式拱
拱肋 拱轴线一般采用二次抛物线，也可采用悬链线 拱肋一般采用无铰拱；通常，拱肋失跨比取值在1/4~1/7之间
组 成 横向联系 横向联接系一般可做成横撑、对角撑或空格式等构造
吊杆分刚性和柔性吊杆两类 悬挂结构
挠度的控制一般以拱顶、l/4，l/8点作为观测点。
（二）悬臂拼装施工过程的主拱计算
1、各伸臂阶段拱桁架自重产生的内力和挠度计算 悬臂桁架端部 i 点的挠度
fi
N1N pl
EA
N1 点单位荷载作用下各杆件内力 N p 自重力作用下各杆件的内力 l 各杆件的长度
（3）计算要注意：应力叠加
二、吊杆的构造
刚性吊杆
1、刚性吊杆
柔性吊杆
刚性吊杆截面一般为矩形，采用预应力混凝土；除承受轴力外，还必须抵 抗上下节点处的局部弯矩。为了减小刚性吊杆承受的弯矩，其截面尺寸在顺 桥方向应设计得小一些，而在横桥向为了增加拱肋的稳定性，尺寸应该设计 得大一些。
2、柔性吊杆
柔性吊杆一般采用高强钢丝索或冷轧粗圆钢制作，只承受轴力。关键 是保证钢索的耐久性，防止钢丝的锈蚀非常重要。目前碳纤维CFRP） 的应用研究也引起关注。
几个结构计算问题 _柔性吊杆的张拉过程
拱梁组合桥的柔性吊杆，与斜拉桥拉索相似，需 根据施工与结构受力要求按一定的次序张拉 吊杆张拉力的大小、张拉的次序均对结构受力产 生不小的影响，故在施工分析时应认识并考虑这 一特殊工况
几个结构计算问题_横梁简化计算
几个结构计算问题_活载横向分布
3 验算
第一节 主要类型及设计特点
拱式组合体系为在拱式桥跨结构中，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 压的特点，拱式组合体系有多种类型。
桁架拱桥
拱式组合体系桥
钢筋混凝土整体式拱桥
（有推力拱）
刚架拱桥
拱式组合桥
有推力拱 无推力拱（系杆拱）
一、钢筋混凝土整体式拱桥
空腹段
实腹段
空腹段
•刚性系杆刚性拱（拱梁体系）
1/ 80 (EI )拱 /(EI )系 80
系杆、拱肋受力介于以上两者之间,拱肋和系杆都有一定的 抗弯刚度，荷载引起的弯矩在拱肋和系杠之间按刚度分配， 共同承受纵向力和弯矩。适设计荷载较大的桥梁采用。
第二节、拱式组合体系桥的构造 一、拱肋
与简单体系中下承式拱桥相同，拱肋截面形式有
跨径较大、采用柔性吊杆的下承式和中承式拱梁组 合结构，吊杆在施工时的初张力对结构成型状态的 影响较大
不合适的初拉力可能会出现柔性吊杆受压的情况， 这可能意味着吊杆需采用多次张拉工艺 在桥梁成型状态，调整吊杆拉力是不能同时有效地 实现内力与变位的最优的，纵梁的最优线形主要由 施工预变位（拱度）来控制
不论在施工期还是在使用阶段，吊杆的拉力主要取 决于结构的整体受力；纵梁的成型线形，应由施工 期的初始预变位（拱度）决定
可近似不考虑拱肋曲率，按直线梁计算，支点位置 由千斤顶或吊机的吊点确定
荷载
拱肋（箱）自重力 拱肋（箱）与底板与模板的粘着力，按1.5kN/m2计 拱肋超重
•拱肋吊运过程（从预制场至悬挂位置）验算
吊点一般与脱模支点相同
荷载
拱肋（箱）自重力
计算中应计入1.2的吊装动载系数 拱肋超重
ls la
吊运时，一般采用两个支点， 如拱肋上下对称配筋，其吊点位置 一般设值在离各段拱肋（箱）端头 的0.22 ls ~0.24 ls 处，并应位于拱肋 （箱）弯曲平面形心轴以上，以防 止拱段吊运中侧翻。
行车道系由桥面板和纵、横梁组成
第二节 中下承式钢筋混凝土拱桥的构造
一、拱肋的构造
●钢筋混凝土拱肋 宽度 b=0.5h～1.0h
矩形
高度 h=L/40～L/70
构 造
工字和 箱形
截面变化
宽度 b=0.5h～1.0h 高度 L≤100m: h=L/100+△
L=100m～300m : h=L/100+a△ 截面变化
在行车道设置横向断缝 系杠采用型刚或扁钢制造 采用独立的刚架混凝土或预应力系杆 （现用得较少）
采用预应力索（目前常采用的形式）
采用预应力索作为系杆
拱梁体系（刚性系杆柔性拱，刚性系杆刚性）
无单独系杆，在梁体配置预应力筋承受拉力
四、拱肋与系杆（梁体）的连接 柔性系杠刚性拱
拱梁体系
压应力 拉应力
a)
吊
杆
系杆
刚臂 单侧设置
拱梁组合结构
桥面结构 简支或连续
纵向单侧 水平滑动
拱系杆组合结构
节点
i jk
ei 单元 柔
性 吊 杆 刚臂
根据构造加约束
节点
jk
i
柔
ei
性
单元
吊
杆
系杆
刚臂 拱梁组合结构
桥面结构 根据构造选择桥面 简支或连续 约束或支撑条件
拱系杆组合结构
刚臂 刚臂
➢几个结构计算问题 _柔性吊杆初张力
确定。目前，一般按中段拱肋自 重的15％～25％作为中段合拢时 对边段悬臂端部的作用力（R）。 由右图，可以计算出在R作用下， 扣索拉力T2 、支点水平反力 、 竖向H反2 力 为： V2
T2
Rl h
H2 T2 cos
V2 R T2 sin
任意截面 i 的内力为:
弯 矩： 轴向力：
M
" i
V2 xi
H2 yi
N
" i
V2
sin i
H2
cosi
（4）边段拱肋重力和中段拱肋重力R共同作用的内力
弯 矩： 轴向力：
Mi
M
' i
M
" i
Ni Ni' Ni"
（5）中段拱肋安装时的内力计算
受力特点：中段拱肋在吊装合 拢时，由于起重索放松过程很 慢，往往在起重索部分受力的 情况下，接头与拱座逐渐顶紧， 拱肋已受轴向力作用，因此在 设计时，虽然中段拱肋仍按简 支于两边段悬臂端的梁来计算， 但计算荷载则按中段拱肋自重 的30％～50％计算，计算的均 布荷载为：
为保证吊点位于拱肋（箱）弯曲平面形心轴以上，对于 园弧拱，要求各段拱肋的吊环离中心线的距离 la 满足下式：
la
(R h')2 ( la )2
2
对于悬链线，每段可近似按园弧考虑
2、拱肋悬挂内力计算
以分三段吊装并用一根扣索悬挂边跨拱肋为例介绍， 对于采用多段施工的拱桥，计算原理基本相同。
（1）边段拱肋悬挂时扣索的计算
M
' i
V1xi
H1 yi
Giai
竖直力 Qi' V1 Gi
水平力
H
' i
H1
轴向力
Ni'
Qi' sin i
H
' i
c
os
i
yi H1
V1
Qi'
M
' i
N
' i
ai
i
H
' i
x
Gi
i
（3）边段拱肋（箱）在自重和中段拱肋自重R共同作用下的内 力计算
中段拱肋吊装合拢时，对边段
悬臂端部的作用力大小很难准确
扣索拉力T1、拱脚的水平反力 H1和拱脚的竖向反力V1，可按 下式计算
由
T1h Gb 0
则
T1
bG
h
H1 T1 cos
V1 G T1 sin
G 拱肋自重
为扣索与水平线的夹角， 由于扣索的拉力随的减小而增大，因此
200
（2）边跨拱肋悬挂时自重内力计算
任意截面的i 内力可按下式计算
弯矩