拱桥的分类与结构特点

拱顶底 桥面高程−拱顶填料厚 面高程 度
−主拱圈厚度
起拱线高程 由矢跨比要求确定
布
基础底 由冲刷深度、地基
置
面高程 承载力等因素确定
确定桥梁 矢跨比
板拱、双曲拱 D=1/4～1/6≥1/8
箱形拱 D=1/6～1/8 钢砼拱 D=1/6～1/10≥1/12
第二节 不等跨连续拱 的处理方法
选用原因：受地形、地质、通航等条件的限制，考
拱桥的截面形式
河南前河桥，我国跨径最大的双曲拱 150m
箱形拱闭合箱的构造
⑤钢管混凝土拱桥
钢管混凝土简称 CFST（Concrete Fillled Steel Tube，即在薄壁圆形钢管内填充混凝土而形成的复 合材料）, 为钢−砼组合结构的一种。
其核心砼为三向受压，抗压能力和抗变形能力都 很大，最大跨径已达460m（重庆巫山长江大桥）。
◆拱顶截面弯矩 Md=0 ◆拱顶剪力Qd=0
自重压力线的特点 结构对称性
◆拱顶截面仅有 结构自重推力 Hg
对拱脚截面 取矩，有
①
∑Mj ——半拱结构自重对拱脚截面的弯矩； Hg——拱的结构自重水平推力（不考虑弹性压缩）； f ——拱的计算矢高。
对任意截面取矩，可得 任意点纵坐标 y1 为：
② 自重压力线
第三篇 混凝土拱桥
内容提要
• 拱桥概述（发展、特点及分类） • 拱桥的构造及设计 • 混凝土拱桥的计算 • 混凝土拱桥的施工简介
第一章 拱桥概述
第一节 拱桥的发展及现状
拱桥
国外
石 木
拱 拱
国内
石 木
拱 拱
18世纪 1964
铸铁拱
19世纪
钢拱 钢砼拱
双曲拱 70年代 桁架拱
80年代
钢砼拱
80年代中 刚 架 拱 桁式组合拱
重庆万县长江大桥
广州丫髻沙特大桥
上海卢浦大桥
2003.6.28建成，总投资22亿余元。全长3900米， 主桥长750米，为全钢结构。其中主跨直径达550米， 居世界同类桥梁之首，被誉为“世界第一钢拱桥”。
第二节 拱桥的主要特点
1、拱桥的力学特点
拱式结 构将桥面的 竖向荷载转 化为一部分 水平推力， 拱圈截面的 弯距大大减 小，拱主要 承受压力。
3、调整拱上建筑的恒载质量
考虑桥型需要，必须使相邻两孔的拱脚放置于 同一水平线上时，也可调整拱上建筑的质量。
大跨径孔：轻质拱上填料或空腹式拱上建筑 小跨径孔：重质拱上填料或实腹式拱上建筑
4、采用不同类型的拱跨结构
大跨径孔：采用分离式肋拱或薄壁箱拱 小跨径孔：采用板拱或厚壁箱拱
具体设计中，可同时采用上述几种措施。若仍 不能平衡水平推力，也可采用其他方式如加大桥墩 （台）和基础尺寸，或做成不对称墩。
2、拱桥的优缺点
优点
跨越能力较大 可节省大量钢材和水泥 耐久性好，维护费用少 形式多样，外型美观
缺点
跨径大时，自重较大 水平推力的存在增加了下部结构工程量 多孔连续拱桥互相影响，需采用复杂措施 上承式拱桥建筑高度大，可能增加纵坡
拱桥的缺点正在逐步得到克服：200~600m范围 内，拱桥仍然是斜拉桥和悬索桥的竞争对手。
虑纵坡协调，或对桥型有特殊要求
处理目的：减小不等跨恒载产生的不平衡推力 处理依据：水平推力大小与矢跨比成反比
1、采用不同的矢跨比
在相邻两孔中，大跨径用较陡的拱（矢跨比 D较大），小跨径用较坦的拱（矢跨比D较小）。
2、采用不同的拱脚高程
不同的矢跨比使 得相邻两孔拱脚高程 不在同一水平线上。 大跨孔的矢跨比较 大，应降低其拱脚， 减小拱脚水平推力对 基底的力臂。
• 等截面
• 变截面：宽度b不变，高度h变化（hd、hj）；
高度h不变，宽度b变化（bd、bj）。
拱圈截面变化规律可按下式计算：
I —— 拱圈任意截面惯性矩； Id —— 拱顶截面惯性矩； n —— 拱厚变换系数：空腹式拱 n=0.3～0.5， 实腹式拱
n=0.4～0.6，钢砼拱n=0.5～0.8；矢跨比D较小时， n 取较小值，反之取较大值；
◆拱上建筑为立柱排架式墩的板拱，以及横向由多 个构件组成的肋拱，应考虑荷载横向分布影响。
◆双肋拱桥，一般用杠杆原理法计算；
◆拱上建筑为立柱排架式的拱桥，可按弹性支承连 续梁（横梁）计算活载的横向分布系数。
第二节 拱轴方程的建立
1、圆弧线拱
圆弧线拱常用于15～20m以下的小跨径 。
圆弧线拱示意图
圆弧线的拱轴方程为：
（2）按结构受力图示分类
简单体系
（有推力）
组合体系
三铰拱（构造复杂，刚度小，较少采用） 两铰拱（刚度较大，用于地基较差时） 单铰拱（极少采用） 无铰拱（整体刚度大，对地基要求高）
系杆拱（柔杆刚拱） 无推力拱 蓝格尔拱（刚杆柔拱） （有系杆） 洛泽拱（刚杆刚拱）
尼尔森拱（采用斜吊杆时）
有推力拱 倒蓝格尔拱（刚梁柔拱） （无系杆） 倒洛泽拱（刚梁刚拱）
或
2、抛物线拱
抛物线拱的 拱轴方程为：
3、实腹式悬链线拱
实腹式悬链线拱采用结构自重压力线（不计弹性 压缩）作为拱轴线 ，其结构自重分布规律如图 （b）。现以拱顶O为原点，建立图（b）所示的 xOy1坐标系，推导实腹式悬链线拱轴方程。
（1）拱轴方程的确定
设拱轴线即为结构自重压力线，则在结构自重
作用下：
⑥劲性骨架混凝土拱桥
劲性骨架混凝土拱桥以钢骨拱桁架作为受力 筋，钢骨可以是型钢或钢管，其特点相当于内填外包 型钢管砼拱。自重轻、刚度大、承载力高，最大跨径 已达420m（重庆万县长江大桥）。
重庆巫山长江大桥
钢管混凝土中承式拱桥。2005.1.8竣工，总投资 1.96亿元。净跨460m，是世界上跨径最大的钢管混凝 土拱桥。
d ——主拱圈（肋）厚度 （cm）；
a、b ——系数， a、b、k 的 关系见下表。
双曲拱桥 桁架拱桥 箱形拱桥
a、b、k 系数表
a、b
a=35，b=100
k
1.0～1.4
a、b
a = 20，b = 70
k
1.0～1.2
a、b
a = 35，b = 100
k
1.0
第三章 拱桥的计算
第一节 上承式拱桥计算概述
①板拱桥
主拱圈截面采用矩形实体截面的拱桥称板拱桥， 在中、小跨径的圬工拱桥中采用。
在较薄的拱板上增设纵向肋以提高拱圈抗弯刚 度，即构成 板肋拱。
②肋拱桥
肋拱桥是将板拱划分成多条分离的、截面高度较 大的拱肋，肋间用横系梁联结。
这种形式以较小的截面面积获得较大的截面抵抗 矩，减轻了结构自重，多用于大、中跨径的拱桥。
第三节 拱轴线的选择
拱轴线的形状： ①直接影响着拱圈的承载能力； ②影响结构耐久性、经济合理性和施工安全性等。
理想拱轴线：
①与拱上各种荷载作用下的压力线相吻合； ②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。 但理想拱轴线并不存在。一般地，以结构重力
压力线作为设计拱轴线，可以认为是基本适宜的。
③双曲拱桥
主拱圈截面由一个或多个横向拱波组成，即主拱 圈的纵横向均呈曲线形，因而称双曲拱桥。
其截面抵抗矩比板拱大，可节省材料。但施工繁 冗、整体性差、易开裂，一般用于中、小跨径拱桥。
④箱形拱桥
箱形拱桥主拱圈截面挖空，以较少的材料可获得 较大的截面抵抗矩，减轻自重，节省材料。
箱形截面抗扭刚度很大，整体性和稳定性都较 好，但施工制作较复杂。适用于大跨径拱桥。
第三节 拱桥 下部结构
主拱圈（主要承重结构） 拱上建筑（桥面系与拱上填充物）
桥墩 桥台 基础
拱圈最高处称拱顶，拱圈与墩台连接处为拱脚 （或称起拱面）。拱圈横截面形心的连线称拱轴线， 拱圈上曲面称拱背，下曲面称拱腹，起拱面与拱腹的 交线称起拱线。
拱 桥 的 主 要 组 成 部 分
拱桥的主要技术名词
净跨径（l0） 每孔拱跨两个起拱线之间的平距
计算跨径（l）相邻两拱脚截面形心之间的平距 （即拱轴线两端点之间的平距）
净矢高（f0） 拱顶截面下缘至起拱线连线之间的垂距
计算矢高（f）拱顶截面形心至相邻两拱脚截面形心之 连线的垂距
矢跨比（D 或 D0）又称矢度，计算矢高与计算跨径之 坦拱:D＜1/5 比（D=f/l）或净矢高与净跨径之比 陡拱:D≥1/5 （D0=f0 / l0）
ξ —— 横坐标参数，ξ = 2x / l；
φ—— 任意截面处拱轴线的水平倾角。
2、主拱圈的截面尺寸拟定
（1）主拱圈宽度
中、小跨径桥：拱圈宽度=桥面净空宽度−栏杆宽 大跨径桥或特宽桥：拱圈宽度＜桥宽
主拱圈宽度一般≥l/20。《桥规》规定当主拱圈 宽度＜l/20时，则应验算拱的横向稳定性。
（2）主拱圈厚度
1、拱轴线选取应满足的要求
①尽量减小拱圈截面的弯矩，使主拱圈各主 要截面的应力相差不大；且最大限度减小 截面拉应力，最好是不出现拉应力；
②对于无支架施工的拱桥，应尽可能少用或 不用临时性施工措施；
③计算方法简便，易为生产人员掌握；
④线型美观，便于施工。
2、常用的拱轴线形
（1）圆弧线 均布径向荷载作用下（如水压力）拱的合理
2、中、下承式拱桥
拱肋：两个分离式无铰拱 横向联系：横撑、对角撑、空格式构造 悬挂结构：吊杆、横梁、纵梁、桥面系（联梁式）
3、拱式组合体系桥
一般由拱肋、系杆、吊杆（或立柱）、行车 道梁（板）及桥面系组成。
简支梁拱组合式：无推力结构，只用于下承式 连续梁拱组合式：上、中、下承式；单、双、多肋拱 单悬臂组合式：将实腹梁挖空，只适用于上承式
第二章 拱桥的设计要点
第一节 拱桥的总体布置
拱桥的总体布置包括：拟定结构体系和形式； 拟定桥梁长度、跨径、孔数、拱的主要尺寸、桥梁 高度、墩台及基础形式、桥面纵横坡等。