拱桥的构造及设计

黑龙江工程学院土工工程系教案 《桥梁工程》 第三篇 第二章 1

第二章 拱桥的构造及设计

授课时间：2006年11月8日 授课地点：试验楼试验三

教学内容：1、主拱的构造与尺寸拟定

2、拱上建筑构造 3、其它细部构造

4、拱桥的设计

重点：拱桥的设计 思考题及习题：

系部主任： 教研室主任： 任课教师：盛可鉴 抽查情况： 抽查情况： 任课班级：B03级

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第一节 上承式拱桥的构造与设计

一、主拱的构造与尺寸拟定

（一）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、双曲拱和箱形拱等。 1．板拱

石板拱、混凝土板拱和钢筋混凝土板拱。 1）石板拱

石料主要有料石、块石和砖石。

拱石进行编号，以便加工，目前大多采用等截面拱桥。 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 a错缝

受压面的砌缝应与拱轴线垂直。 b限制砌缝宽度

因砂浆强度比拱石低得多，缝太宽必将影响砌体强度和整体性。 c设五角石

拱圈与墩台以及拱圈与空腹式拱上建筑的腹孔墩连接处，应采用特别的五角石。

小跨径等截面石板拱的拱圈厚度可按下式估算： h?10?k3l010

式中 h—拱圈厚度（mm） l0—拱圈净跨径（mm）

?—系数，一般4.5～6.0，取值随矢跨比的减小而增大；

k —荷载系数，与汽车荷载等级有关。 2）混凝土板拱 a素混凝土板拱 b钢筋混凝土板拱 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。

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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。

拱肋的数目、间距、截面型式：桥梁宽度、肋型、材料性能、荷载等级、施工条件、拱上结构等方面综合考虑决定。为了简化构造，吊装能力满足的情况下，宜采用少肋型式。

3．箱形拱

主拱圈截面由多室箱构成的拱称为箱形拱。 箱形拱的主要特点是：

（1）截面挖空率大，减轻重量；

（2）中性轴居中，抵抗正负弯矩能力相等，适应主拱圈各截面正负弯矩变化需要；

（3）闭合空心截面，抗弯和抗扭刚度大，拱圈的整体性好，应力分布较均匀； （4）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； 箱形拱的拱圈，可以由一个闭合箱（单室箱）或由几个闭合箱（多室箱）组成，每一个闭合箱又由箱壁（侧板）、顶板（盖板）、底板及横隔板组成

拟定截面尺寸：拱圈的高度、宽度、箱肋的宽度以及顶底板及腹板尺寸。 初拟拱圈的高度： 跨径的1/55～1/75 或：h?l0100??

（5）制作要求较高，吊装设备较多，主要用于大跨径拱桥。

式中 h—拱圈高度（m）； l0—净跨径（m）；

?—箱形拱为0.6～0.7，箱肋拱为0.8～1.0；

4．双曲拱桥

双曲拱桥主拱圈通常由拱肋、拱波、拱板和横向联系等几部分组成， “化整为零”的方法按先后顺序进行施工， “集零为整”的组合式整体结构承重。 （二）整体型上承式拱桥 1．桁架拱桥 又称拱形桁架桥，

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桁架拱由钢筋混凝土或预应力混凝土桁架拱片、横向联系和桥面系组成。 （1）是一种具有水平推力的拱形桁架结构，外形轻巧美观，在结构上兼有桁架和拱的特点，

（2）各部件截面尺寸较小，重力较轻，节省材料，对墩台的垂直压力和水平推力也相应减小

（3）结构的整体性能好，装配化程度高，施工程序少。 （1）桁架拱片

上弦杆和实腹段上缘构成桁架拱片的上边缘，与桥面纵向平行，上弦杆的轴线平行于桁架拱片的上边缘。

下弦杆的轴线可采用圆弧线、二次抛物线或悬链线。

腹杆包括斜杆和竖杆：分为竖杆式、斜拉杆、斜压杆、三角形四种 （2）横向联系

横系梁、横隔板和剪力撑

横系梁设在上、下弦杆的结点处和实腹段（间距3～5m）；

横隔板设在实腹段与桁架部分的交界处和跨中，板的高度一般都直抵桥面； 剪力撑设置在L/4附近的上、下结点之间及跨径端部。 （3）桥面

横向微弯板、纵向微弯板和预应力混凝土空心板 （4）桁架拱与墩（台）的连接

中小跨径：下弦杆与墩台连接：在墩台帽上预留深100mm左右（或与肋高相同）的槽孔，将下弦杆的端头插入，然后四周用砂浆填塞。

跨径较大：宜采用较完善的铰接。 2、刚架拱桥

刚架拱桥是在桁架拱、斜腿刚架等基础上发展起来的另一种新桥型，属于有推力的高次超静定结构，广泛应用。

刚架拱桥的上部由刚架拱片、横向联系和桥面系等部分组成

刚架拱片：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（斜撑）等构成。

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。 预制安装：主梁和次梁、斜撑等分别预制，用现浇混凝土接头连接。 横向联系：在刚架拱片的跨中，主、次节点，次梁端部等处设置横系梁。 二、拱上建筑构造

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拱上建筑是，按照拱上建筑不同，可将拱桥分为实腹式和空腹式两种。 （一） 实腹式拱上建筑

一般用于小跨径的拱桥。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 （二）空腹式拱上建筑

大、中跨径的拱桥，以空腹式拱上建筑为宜。具有腹孔和腹孔墩。 1．腹孔

分为拱式拱上建筑和梁式拱上建筑两种。 （1）拱式拱上建筑 （2）梁式拱上建筑

梁式腹孔结构有简支、连续和框架式等多种型式。 2．腹孔墩 （1）横墙式 （2）排架式

钢筋混凝土空腹式拱桥，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。为了使拱上结构不参与主拱受力，可以将腹孔墩的上下端设铰，为了简化构造和方便施工，一般高立柱仍可采用固结形式线刚度小），而只将靠近拱顶处的1～2根高度较小的矮立柱上、下端设铰（线刚度大）。 三、其它细部构造

（一） 拱上填料、桥面及人行道

拱上建筑中的填料：扩大汽车荷载作用的面积， 减小汽车荷载对拱圈的冲击。

实腹拱，空腹拱（除无拱上填料的轻型拱桥），填充后，还需设置拱顶填料，然后桥面铺装

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300mm， 根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）（以下简称《桥规》（JTGD60-2004））的规定，当拱上填料厚度（包括桥面铺装厚度）等于或大于500mm时，设计计算中不计汽车荷载的冲击力。

（二）伸缩缝与变形缝

拱上建筑与主拱圈的共同作用： 拱上建筑能够提高主拱圈的承载能力

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但另一方面，它对主拱圈的变形又起约束作用，在主拱圈和拱上建筑内均产生附加内力

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

桥梁设置纵坡和桥面设置横坡外， 沿桥面两侧缘石边缘设置泄水管

渗入到拱腹内的雨水，应由防水层汇集于预埋在拱腹内的泄水管排出， （四）拱桥中铰的设置

拱桥中需要设置铰的情况有四种： （1）按两铰拱或三铰拱设计的主拱圈；

（2）按构造要求需要采用两铰拱或三铰拱的腹拱圈； （3）需设置铰的矮小腹孔墩，； （4）在施工过程中，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(厚度5~20mm的铅垫板，外部包以锌、钢薄片做成) 3．平铰

平铰接缝间可用低标号的砂浆填塞，也可用垫衬油毛毡或者直接干砌接头。 4．钢铰

更多的用于施工需要的临时铰。 5．不完全铰 四、拱桥的设计

（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

2．确定桥梁的设计标高和矢跨比

（1）拱桥的标高主要有四个，即桥面标高、拱顶底面标高、起拱线标高和基础底面标高

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它允许在颈缩部分开裂，以释放结构的能量，一般用在腹拱圈上。

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（2）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Hg与垂直反力Vg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。

（二）不等跨连续拱桥的处理方法 1．采用不同的矢跨比 2．采用不同的拱脚标高 3．调整拱上建筑的恒载重量 4．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

选择拱轴线的原则：就是要尽可能降低由于荷载产生的拱圈内弯矩数值。 理想的拱轴线：在各种荷载作用下拱圈截面只受轴向压力，而无弯矩作用，这就能充分利用圬工材料的抗压性能。

选择拱轴线的要求：

要求尽量减小拱圈截面的弯矩，使主拱圈在计入弹性压缩、温升温降、混凝土收缩徐变等影响后，各主要截面的应力较为均匀，且最大限度减小截面拉应力，最好是不出现拉应力；

对于无支架施工的拱桥，尚应满足各施工阶段的要求，并尽可能少用或不用临时性施工措施，以便于施工。

拱桥常用的拱轴线型有以下几种： 1．圆弧线 2．悬链线

实腹式拱桥的恒载集度，拱圈的压力线是一条悬链线。 3．抛物线

在竖向均布荷载作用下，拱的合理拱轴线是二次抛物线。

在一般情况下，小跨径拱桥可采用实腹式圆弧拱或实腹式悬链线拱；大、中跨径拱桥可采用空腹式悬链线拱；轻型拱桥或全透空的大跨径拱桥可以采用抛物线拱。

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