拱桥的构造与设计

a、由U形肋组成的多室箱形截面 b、由工字形截面组成的多室箱形截面
c、由闭合箱肋组成的多室箱形截面 d、单箱多室截面
横隔板的预制
汾水河大桥是悬链线无铰拱桥，主孔净跨158m，横截面由5 个箱组成，箱高2.6m，主拱采用缆索吊装施工，单箱分7段 起吊，每段吊重68吨。
在前期出现地质问题和腹板裂缝事件，停工近一年时间后， 中国第四治金建设公司（简称“四冶”）接手实施建设。
汾水河大桥在2009年5月通车
刀鞘溪大桥预制拱箱阶段
（3）箱形拱截面尺寸的拟定
1）拱圈的高度H
拱圈的高度主要取决于拱的跨度，所采用的混凝土强度。 根据我国的实践，可以采用以下的经验公式来拟定拱圈的高度
H l0 100
式中，l0 为拱的净跨径，Δ值在0.6～0.8之间，跨度大或箱室
脚接头一般在墩台的拱座内预留30～40cm的凹槽，将箱肋端部的 箱壁、顶板、底板加厚20～30cm，插入槽内，与箱肋上下缘预埋的钢 板焊接，最后用混凝土不低于拱座混凝土标号的混凝土封填拱脚凹槽。
（6）钢筋布置
主拱一般按素混凝土构件设计，但截面必须配置构造钢筋 以及构件在吊装过程中的受力钢筋。对闭口箱，此部分受力钢 筋对称布置在顶底板上，对开口箱，则布置在箱壁上缘和底板 上，钢筋数量主要由箱段在吊运和悬挂过程中的受力情况计算 确定。沿箱壁的高度应布置分布钢筋，钢筋间距不大于25cm。
小跨拱脚较高，大跨起拱线降低，使基底弯矩尽量抵消 调整拱上建筑的质量
小跨用较重的填料，大跨采用较轻的填料或采用空腹式。 采用不同的类型的拱跨结构
大跨采用空腹式或肋拱或中承式拱桥，小跨采用实腹式 或上承式结构。 设置单向推力墩
实际工程中，以 上方法并非单独 使用，经常综合 使用
10.3 主拱圈的构造和截面尺寸拟定
实腹段式
建筑
全空腹式
拱桥的缺点正在逐步得到改善和克服 从结构体系、构造形式上采取措施；用轻质材料减轻自重； 设法提高地基的承载能力；提高预制构件所占的比重。
10.1.3拱桥的组成 组成：
上部结构（主拱圈、拱上建筑） 下部结构（桥墩、桥台、基础）
10.1.4 拱桥的主要分类
建桥材料 受力图式
拱桥
主拱圈截面形式 拱轴线型式 桥面位置 拱上建筑形式
少选用上限。此外，也可以参照已成桥梁拟定。
采用混凝土材料。
2）拱圈的宽度
单箱多室箱形拱圈宽度通常采用窄拱圈形式，一般为桥宽 的0.6～1.0倍，桥面悬挑1.0～2.5m，最大可达到4.0m。
保证拱圈横向的刚度和稳定：宽跨比应≥1/20，特大跨径 拱桥可适当放宽，如：万县长江大桥为1/26.25，南斯拉夫KRK 桥为1/32.9，但必须验算横向稳定性。
3）箱肋的宽度B 箱肋宽度主要取决于缆索吊装能力和吊装过程中的稳定。
箱肋宽度大，相应箱肋数和横向接缝就少，整体性强，单箱肋 安装时的横向稳定性容易得到保证，但吊装质量大，因此，设 计时必须充分考虑施工设备和起吊能力。目前国内最大吊装能
力已达75T，箱肋宽度一般为1.2～1.7m，常用1.4～1.5m。
拱圈厚度（P239）
等厚小跨径石拱桥
h k 3 l0
变厚小跨径石拱桥
hd (1 l0 )
湖南乌巢河桥
10.3.2 肋拱桥
为减轻自重，增大拱桥跨越能力，充分利用材料强度，以较 小的截面积获取较大的截面抵抗矩，将板拱划分成多条拱肋。
由于拱肋截面较小，其横向稳定性较小，需在肋间设置横系 梁，要求横系梁具有足够的刚度和强度，并与拱肋牢固连接。
a)三铰拱； b)两铰拱； c)无铰拱
（2）组合体系拱桥 拱上建筑要参与主拱圈受力 无推力拱（系杆拱）—拱桥的推力由系杆承受。根据系杆 和拱圈的相对刚度可分为： • 刚性系杆柔性拱 • 柔性系杆刚性拱 • 刚性系杆刚性拱 有推力拱—没有系杆，由单独的梁和拱共同受力，拱的推 力由墩台承受。
a)系杆拱；b)蓝格尔拱；c)洛泽拱；d)尼尔森系杆拱；e)尼尔森蓝格尔拱；f)尼尔森洛泽拱
• 双曲拱的主拱圈截面可以做成多肋多波或双肋多波的形式。拱 肋断面有倒T形、L形、工字形、槽形和箱形等。
10.3.5 拱的截面变化规律
等截面
变截面
• 高变，宽不变（常用），宽变，高不变
• Ritter公式
I
Id
[1 (1 n) ]cos
• n:拱厚变化系数，值越小，截面变化越大
• 变宽：可有效提高拱圈的横向稳定性，对大跨径拱肋或窄拱 圈有主要意义，但增大了墩台宽度，增加造价。多用于中承 式拱桥。
• 镰刀形拱：由于减小拱脚截面可有效降低拱脚弯矩，使得弯 矩在全跨均匀分布，较经济合理，但该种形式适用于100m左 右，目前少用。
Salginatobel桥
10.4 拱上建筑与其他细部构造 拱上建筑——指桥面与主拱之间的构件或填充物
实腹式
拱
实腹段式
上
拱式拱上 全空腹式
建 筑
建筑
葵花式
空腹式
梁式拱上
主拱圈是主要承重结构，拱上建筑不参与பைடு நூலகம்拱圈受力。
• 三铰拱：外部静定结构,适于地基较差的地区,由于拱铰 的存在,减小了整体刚度,铰的构造复杂,较多用在拱上建 筑的腹拱圈中。
• 两铰拱：外部一次超静定结构，取消跨中铰，增大了整 体刚度，附加内力较小。
• 无铰拱：三次超静定结构，弯矩分布较均匀，用材较省， 整体刚度大，但附加内力较大，适于地基较好的地区。
增加了下部结构的工程量，对地基要求也高； • 圬工拱桥一般都采用有支架施工，施工较复杂，工期长，
费用高； • 由于水平推力较大，在连续多孔的大、中桥中，为防止
一孔破坏而影响全桥的安全，需要采取较复杂的措施， 或设置单向推力墩，增加了造价； • 上承式拱桥的建筑高度较高。
在我国公路桥梁建设中，拱桥、特别是圬工拱桥仍得到了 广泛的应用： 在条件允许的情况下，修建拱桥往往是经济合理的。
（4）箱形拱的横隔板及横向联结
为提高箱肋在吊运及使用阶段的抗扭能力，加强箱壁的局 部稳定，需在拱箱内每隔一定间距设置横隔板。除在箱肋接头 处外，吊扣点及拱上立柱处必须设置外，其余部分每2.5～5m设 置一道，厚度为6～8cm。
（5）箱肋接头
受吊装能力的限制，箱肋需沿纵向划分成数段预制，段与段之 间一般采用角钢顶接接头，接头处的箱壁、顶板、底板需局部加厚， 预埋的接头角钢焊接在上下缘的主筋上。通过定位角钢临时联结、定 位，全拱合龙后，再在接头角钢上加盖钢板焊接，最后用混凝土封头。
有推力的组合体系拱 a)倒蓝格尔拱；b)倒洛泽拱
❖拱片拱桥—行车道系与主拱圈刚性连接在一起， 共同受力。
铰拱
两铰拱
三铰拱
拱铰
10.2.2 拱桥的总体布置
• 确定结构体系及结构形式 • 桥梁长度、跨径、孔数 • 矢跨比、拱圈跨度与高度 • 墩台尺寸、基础形式与埋置深度 • 桥上及桥头引道纵坡
4）顶底板及腹板尺寸
由多个闭口箱组成的箱形拱，其顶底板尺寸与跨径大小和 荷载等级有关，一般取15～22cm，可以是等厚，也可以是不等 厚，跨径大但拱圈窄时取大值。两外边箱外腹板厚一般为12～ 15cm，内箱肋腹板厚常取5～6cm，以尽量减轻起吊质量。箱肋 间的填缝宽度应根据受力大小（主要是轴应力）确定，一般取 20～35cm，但为保证填缝混凝土浇筑质量，常取24cm，其中4cm 为两箱肋间的安装缝。
肋拱拱肋截面形式 钢管混凝土拱肋形式
四川德阳旌湖大桥
菜园坝长江大桥
朝天门大桥位于长江与嘉陵江交会处的朝天门前,此桥长 1741米，主桥为190米+552米+190米，三跨连续中承式钢桁 系杆拱桥。双层设计，上层双向6车道，下层双向轻轨和两 个预留车道。大桥2008年年底建成。
南宁大桥，主桥长300m
应力分布较均匀； • 单条拱肋刚度较大，稳定性较好，能单箱肋成拱，便于无支
架吊装； • 预制构件的精度要求较高，吊装设备较多，适用于大跨径拱
桥的修建。 • 预制拱箱的宽度较大，施工操作安全，易保证施工质量。
箱形截面是大跨径拱桥一种比较经济、合理的截面形式。
（2）箱型拱截面的组成方式
主拱圈的形成方式：预制安装、纵向分段，横向闭合 单箱预制；预制成开口箱，现浇顶板；现浇拱圈施工。
肋拱桥
丰石路刀鞘溪大桥 L0=110m f/L=1/6 m=1.756 钢筋砼箱肋拱
10.3.3 箱形拱桥
（1）箱形拱的主要特点 • 截面挖空率大50～70%，与板拱相比，可节省大量圬工体积，
减小重量； • 箱形截面能较好地满足主拱圈各截面承受正负弯矩的需要； • 由于是闭合空心截面，抗弯和抗扭刚度大，拱圈的整体性好，
按主拱截面形式分类：板拱、肋拱、双曲拱、箱形拱
（1）石板拱构造
拱石编号 a)圆弧拱；b)变截面悬链线拱；c)等截面悬链线拱
拱石的错缝要求
拱圈与墩台及腹孔墩连接
（2）板拱截面宽度与厚度确定
拱圈宽度
其宽度一般由桥面宽度 确定，人行道可放置或 悬挑在拱圈上。
当拱圈宽度小于桥面宽 度时，称为窄拱圈，桥 规规定：当拱圈宽跨比 B/L＜1/20时，应验算拱 圈的横向稳定性。
承重结构：主拱 受力特点：支承处不仅产生竖向反力，还产生水平推力，从
而使拱主要受压为主，截面弯矩减小。 建筑材料：圬工，钢筋混凝土，钢 主要优点：跨越能力大；能充分做到就地取材；耐久性好，
养护、维修费用小；外形美观；构造较简单，特 别是圬工拱桥，技术容易被掌握，有利于广泛采 用。
主要缺点： • 是有推力的结构，而且自重较大，因而水平推力也较大，
（1）确定拱桥的设计标高和矢跨比
设计标高 桥面标高—由通航行泄洪、桥下通行要求等综合确定 拱顶底面标高＝桥面标高－拱顶填料厚度－拱圈厚度 起拱线标高—尽量减小基底弯矩，节省墩台圬工体积。 基础底面标高—根据冲刷深度、地基承载力等因素综合确定。