第七章 大跨度拱桥ppt课件.ppt

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1、,第 7 章 大跨度拱桥,大跨度桥梁设计,本章的主要内容,7.1 拱桥的基本组成和受力特点7.2 拱桥的结构体系7.3 拱桥的总体构思与构造7.4 拱桥的计算7.5 拱桥的施工7.6 工程实例, 7.1 拱桥的基本组成和受力特点,7.1.1 拱桥的基本组成,上部结构：（1）主拱圈：主要承重构件（2）拱上建筑：桥面系和传力构件或填充物下部结构：桥墩、桥台、基础,拱桥的主要组成部分,l0 - 净跨径l -计算跨径f0 - 净矢高f -计算矢高f/l - 矢跨比,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

2、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 比（D=f/l）或净矢高与净跨径之比 （D0=f0 / l0）, 7.1 拱桥的基本组成和受力特点,7.1.1 拱桥的基本组成,坦拱:D1/5陡拱:D1/5, 7.1 拱桥的基本组成和受力特点,7.1.1 拱桥的基本组成, 7.1 拱桥的基本组成和受力特点,7.1.1 拱桥的基本组成,根据行车道的位置，拱桥可以分成：上承式、下承式和中承式三种类型。,拱桥的基本图示,上承式拱桥,1989四 川涪陵乌江大桥 （L=200m）桥高84m，矢跨

3、比1/4，主拱圈采用3室箱。 涪陵乌江大桥采用转体法施工，先在两岸上、下游组成3m宽的边箱，待转体合拢后吊装中箱顶、底板，最后组成3室箱。,1997四川万县长江大桥 L=420m)劲性骨架钢筋混凝土箱形拱桥,上承式拱桥,巫山巫峡长江大桥,丫髻沙大桥,中承式拱桥,上海卢浦大桥 2003.6 建成，主桥长750m，为全钢结构，其中主跨直径达550m，居世界同类桥梁之首，被誉为“世界第一钢拱桥”。,武汉江汉三桥桥长989.75米，主跨302.93米，为跨径为280米的下承式钢管混凝土系杆拱桥。,浙江省嵊州大桥主桥采用下承式钢管混泥土单杆拱桥。两跨，跨径长136米。,下承式拱桥, 7.1 拱桥的基本组

4、成和受力特点,7.1.2 拱桥的受力特点,支座处存在水平推力 拱内产生轴向压力 弯矩减少 偏心受压应力较均匀。300800m范围内，可以与斜拉桥竞争。, 7.2 拱桥的结构体系,7.2.1 简单体系拱桥,简单体系拱桥构造简单、受力明确，全部荷载由拱肋承受。按照拱圈的静力体系分为：三铰拱：静定，无附加应力，铰构造复杂，少用。无铰拱：三次超静定，刚度大，构造简单，附加应力大，混凝土拱多采用无铰拱。两铰拱：介于二者之间，钢拱采用较多。, 7.2 拱桥的结构体系,7.2.2 组合体系拱桥,荷载一部分由纵梁承担，一部分通过吊杆传递给主拱肋承担。柔性系杆刚性拱（系杆拱）刚性系杆柔性拱（蓝格尔拱）刚性系杆刚

5、性拱（洛泽拱）用斜吊杆时称为尼尔森拱,无推力组合体系拱桥, 7.2 拱桥的结构体系,7.2.2 组合体系拱桥,多跨无推力组合体系拱桥, 7.2 拱桥的结构体系,7.2.2 组合体系拱桥,部分有推力组合体系拱桥,拱脚在中墩处固结，拱、梁通过立柱和拱顶实体段连接共同承受荷载。应用交广泛。在恒载作用下，通过张拉系杆来平衡主拱的水平力；成桥后，由于拱脚固结，水平位移被约束，在活载及其他荷载作用下，拱脚产生水平推力，形成部分有推力拱桥体系。, 7.2 拱桥的结构体系,7.2.2 组合体系拱桥,有推力组合体系拱桥,梁和拱共同受力，拱的推力完全由墩台承担。梁分担一部分荷载，拱脚推力小于简单体系拱桥。, 7.

6、2 拱桥的结构体系,7.2.2 组合体系拱桥拱肋与纵梁连接方式,中承式梁拱组合体系,中边跨纵梁在拱肋连接处断开；边跨梁与拱肋固结，中跨梁与拱肋连接处断开；拱梁完全刚性连接，共同承担荷载。, 7.2 拱桥的结构体系,7.2.2 组合体系拱桥拱肋与纵梁连接方式,下承式梁拱组合体系,拱梁固结；拱梁铰接；梁以体外索的形式锚固在拱的两端，桥面系通过横梁与吊杆连接，将桥面荷载传递给拱肋。, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3.1 拱桥的总体构思,1）上承式拱桥的总体构思,有推力拱桥；拱圈是主要受力构件；桥面系不参与拱圈的整体受力，而作为局部受力构件设计。, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3.1 拱桥

7、的总体构思,（1）桥长及分孔,按照水文计算、通航要求以及技术经济指标确定，可采用单跨拱桥或多跨拱桥形式；为避开深水区或不良地质地段，可采用不等跨布置；一般采用单跨拱桥来跨越高山峡谷、水流急的河道。,1）上承式拱桥的总体构思, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3.1 拱桥的总体构思,（2）桥梁设计高程,桥面高程：由总体路线设计确定。拱顶高程：桥面高程-拱顶处的建筑高度。起拱线高程：为减轻墩底偏心弯矩，宜采用较低的起拱线高程。有铰拱桥：起拱线一般高于设计洪水位0.25m；严寒地区桥梁，起拱线不应低于流冰水位0.25m；无铰拱桥：防止漂浮物撞击，拱圈不宜淹没太多；美观角度，拱座一般露出地面一定高度

8、。基础底面高程：根据冲刷深度、地基承载力等计算确定。,1）上承式拱桥的总体构思, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3.1 拱桥的总体构思,（3）跨径布置,三跨拱桥，理想的边中跨比值应使中墩在恒载作用下的水平推力平衡。则边中跨比为：,1）上承式拱桥的总体构思, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3.1 拱桥的总体构思,（4）拱轴线的选择,圆弧线：线形简单，施工方便。主要用于20m以下的拱桥。抛物线：可采用二次抛物线；为使拱轴线与恒载压力线吻合，可采用高次抛物线。悬链线：最常采用的拱轴线。,1）上承式拱桥的总体构思, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3.1 拱桥的总体构思,（5）矢跨比,矢跨比

9、：拱肋的矢高与跨径的比值。矢跨比减小，拱桥水平推力增加，反之推力减小。矢跨比影响拱桥整体刚度。矢跨比在1/41/6之间时，拱桥刚度较大。,1）上承式拱桥的总体构思,2）中、下承式拱桥的总体构思,2）中、下承式拱桥的总体构思,中、下承式拱桥的桥跨结构一般由拱肋、横向联系和悬挂结构三部分组成。拱肋：主要受力构件，可采用钢筋混凝土、钢管混凝土或钢箱结构，常用矢跨比为1/71/4。横向联系：设置在两片拱肋之间，增加横向稳定性。包括一字型横撑、对角横撑、K形横撑等。悬挂结构：包括吊杆和桥面系等。刚性吊杆：混凝土材料；柔性吊杆：平行钢丝或钢绞线。吊杆间距一般48m。, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3

10、.1 拱桥的总体构思,（1）柔性系杆刚性拱,3）梁拱组合体系拱桥的总体构思,系杆的刚度相对于拱肋的刚度较小，系杆只承受拉力，拱肋按偏心受压构件考虑。跨径：2090m；矢跨比：1/51/4；拱肋高度（1/501/30）L。, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3.1 拱桥的总体构思,（2）刚性系杆柔性拱,3）梁拱组合体系拱桥的总体构思,拱肋的刚度相对于系杆的刚度较小，刚性系杆承受拉力和弯矩，按弯拉构件考虑。跨径：100m；矢跨比：1/51/7；拱肋高度（1/1201/100）L。, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3.1 拱桥的总体构思,（3）刚性系杆刚性拱,3）梁拱组合体系拱桥的总体构思,拱

11、肋和系杆均承担一定的弯矩，体系整体刚度大。拱肋高度（1/501/80）L。, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3.2 主拱的构造,1）板拱,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。,板拱, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3.2 主拱的构造,2）肋拱,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。, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3.2 主拱的构造,2）肋拱,拱肋截面（1）矩形：构造简单

12、、施工方便（2）工字形： 适用：大、中跨径（3）箱型： 适用：跨径大，桥面宽（4）管形： 适用：钢管混凝土拱桥,钢管混凝土拱桥简介,钢管混凝土拱肋,立柱（或吊杆）,横撑,行车道系,下部构造, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3.2 主拱的构造,3）箱形拱,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。, 7.3 拱桥的总体思路与构造,7.3.2 主拱的构造,3）箱形拱,可为单室箱或多室箱，每一闭合箱又由箱壁、顶板、底板及横隔板组成,多条U形肋,多条工字形肋,多条闭合箱肋,单箱多室

13、截面, 7.4 拱桥的计算,拱桥计算的主要内容,拱桥的计算,拱轴线的选择与确定,成桥状态的内力分析和强度、刚度、稳定验算,施工阶段的内力分析和验算,恒载内力,温度、收缩徐变,拱脚变位,活载内力,内力调整,拱上建筑的计算, 7.4 拱桥的计算,拱轴线的选择与确定,拱轴线的形状直接影响主截面的内力分布与大小，选择拱轴线的原则，是要尽可能降低荷载产生的弯矩。最理想的拱轴线是与拱上各种荷载作用下的压力线相吻合，使拱圈截面只受压力，而无弯矩及剪力的作用，截面应力均匀，能充分利用圬工材料的抗压性能实际上由于活载、主拱圈弹性压缩以及温度、收缩等因素的作用，得不到理想的拱轴线。一般以恒载压力线作为设计拱轴线。

14、圆弧线、抛物线和悬链线, 7.4 拱桥的计算,强度验算,利用内力包络图进行主拱强度验算，拱脚、拱顶、拱跨3l/8、l/4是主要控制截面，根据结构设计原理和桥规进行验算。,拱圈强度验算:,公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）,无铰拱和双铰拱的计算可不考虑拱上建筑与主拱圈的联合作用。计算由车道荷载引起的拱的正弯矩时，拱顶，拱跨1/4应乘以折减系数0.7，拱脚应乘以0.9，中间各个截面的正弯矩折减系数，可用直线插人法确定。一般无铰拱桥，拱脚和拱顶是主要控制截面；大跨度拱桥应验算拱顶、拱跨3l/8、拱跨l/4和拱脚四个截面；对于中、小跨径拱桥，拱跨l/4截面可不验算；特大跨径拱桥，除以上四

15、个截面外，需视截面配筋情况，另行选择截面进行验算。,Sd 作用效应的组合设计值,Rd构件承载能力设计值,0结构的重要性系数，按下列要求取值,ad几何参数设计值，当无可靠数据时，可采用几何参数标准值ak, 7.4 拱桥的计算,稳定验算,拱的稳定性验算分为纵向(面内)和横向(面外)两方面。,大、中跨径拱桥是否验算纵、横向稳定与施工过程有关：有支架施工，其稳定与落架时间有关，拱上建筑砌筑完后落架，可不验算纵向稳定;当主拱圈宽度较大（如大于跨度的1/20），则可不验算拱的横向稳定性；随拱桥所用材料性能的改善和施工技术的提高，拱桥跨径不断增大，主拱的长细比越来越大，施工和成桥运营状态稳定问题非常突出。,

16、 7.4 拱桥的计算,纵向稳定,对于长细比不大，且 f/l 在0.3以下的拱，其纵向稳定性验算一般可以表达为强度校核的形式:, 7.4 拱桥的计算,横向稳定,拱的横向稳定性验算，目前尚无成熟的计算办法，工程上常用与纵向稳定相似的公式来验算拱的横向稳定性：,NL拱横向失稳时的平均临界轴力；,Nj按承载能力极限状态组合计算的平均轴力；,m横向稳定安全系数，一般取值为45。, 7.4 拱桥的计算,横向稳定,板拱或采用单肋合龙时的拱肋:,临界荷载系数K2值表,理论与实践证明：无铰拱的临界荷载比有铰拱大得多。悬链线无铰拱的横向稳定，精确的方法是作空间有限元电算分析，手算时，可偏安全地采用两铰拱的计算公式

17、，或者近似采用圆弧无铰拱的公式计算临界轴向力。, 7.4 拱桥的计算,有限元法在拱桥计算中的应用,有限元方法是为能够求解弹性力学的偏微分方程组（15个方程：3个平衡微分方程，6个几何方程和6个物理方程）而发展的一种数值方法，随着计算机的发展而得到迅速进步；用有限元方法计算三维空间的桥梁结构，可以实现多种非线性影响的计算，例如，几何非线性、材料非线性、动力问题及稳定问题等。, 有限元程序,专门程序：,大型通用程序,SAPADINANASTRANANSYS,桥梁博士, MIDAS, 7.4 拱桥的计算,有限元法在拱桥计算中的应用,数据准备及计算分析简介：,结构离散(单元划分)组织数据文件：节点信息

18、（节点编号和节点坐标）、单元信息（单元编号及单元与节点关系）、荷载信息（位置、类型及大小）、材料信息、截面特性信息、边界条件信息等；数据检查，图形显示。 计算结果及分析（后处理）：判断各种工况计算结果及其总体计算结果。, 7.4 拱桥的计算,有限元法在拱桥计算中的应用,1、支架施工2、转体施工3、缆索吊装施工4、顶推施工5、悬臂施工, 7.5 拱桥的施工, 7.5 拱桥的施工,7.5.1 支架施工,支架施工分为支架就地浇筑和支架拼装主拱施工。支架就地浇筑是指在拱圈位置采用钢材或木材搭设拱架，形成拱胎，然后在拱胎上浇筑，最后落架完成拱圈施工。,常用的拱架形式, 7.5 拱桥的施工,7.5.1 支

19、架施工,支架拼装主拱：对中等跨度范围的钢管混凝土拱桥或钢箱拱桥，拱肋离地面不高且节段重量不大，可搭设临时墩进行拱肋拼装。, 7.5 拱桥的施工,7.5.2 转体施工,转体施工法是指将桥梁结构在非设计轴线位置制作（浇注或拼接）成形后，通过转体就位的一种施工方法。 竖转法 平转法 竖转与平转结合法, 7.5 拱桥的施工,7.5.2 转体施工,竖转法 将拱圈从拱顶分成两个半跨，在桥孔下搭设支架平台进行两个半跨的预制和组拼，利用旋转装置将拱肋进行竖向转体至设计位置，然后在拱顶合龙，最后封闭拱脚转动铰，形成拱结构。,贵州务川自治县珍珠桥竖向转体施工,竖转法,贵州务川自治县珍珠桥竖向转体施工, 7.5 拱

20、桥的施工,7.5.2 转体施工,平转法 将拱肋分成两个半跨，分别利用两岸地形制作拱架，现浇或拼装拱肋、横向联系，借助转盘装置和推拉千斤顶，慢速将拱肋转体180度，最后进行拱肋合龙段和拱上建筑的施工。,平转法, 7.5 拱桥的施工,7.5.2 转体施工,平竖结合转体法 将竖向转体和平面转体结合完成拱肋的施工。, 7.5 拱桥的施工,7.5.3 缆索吊装施工,缆索吊装施工是指采用缆索结构吊运安装拱肋的一种施工方法，无支架施工，适用于高差较大的垂直吊装和架空纵向运输的大跨度拱桥的施工，又称为斜拉扣挂法。,缆索吊装, 7.5 拱桥的施工,7.5.4 顶推施工,顶推施工对环境影响小，占地面积小，工期短，

21、经济节约，在施工平台易于拼装而保证施工精度等优点。, 7.5 拱桥的施工,7.5.4 顶推施工, 7.5 拱桥的施工,7.5.5 悬臂施工,悬臂施工法分为悬臂浇筑法和悬臂拼装法。悬臂浇筑法：在拱脚墩台处安装临时塔架，用斜拉索或粗钢筋将已完成的拱圈拉住，在拱肋前端利用专门制作的挂蓝提供的施工平台浇筑下一段拱肋，逐段进行直至拱顶合龙。, 7.5 拱桥的施工,7.5.5 悬臂施工,克罗地亚Krka 桥悬臂浇筑施工,克罗地亚Krk桥, 7.5 拱桥的施工,7.5.5 悬臂施工,悬臂拼装法：将主拱圈结构分成若干节段，预制好后运到现场，利用起吊设备提升就位后进行拼接，逐段加长直至成拱。,江界河桥主跨330m, 1995建成，为预应力桁式组合拱，悬臂桁架法施工。,1、拱桥的基本组成和受力特点？2、组合体系拱桥的受力特点？3、拱桥的总体构思？4、板拱、肋拱和箱形拱的构造设计？5、拱桥稳定性如何进行验算？6、拱桥常用的施工方法有哪些？其施工工艺如何？,思考,