西南交通大学 混凝土桥ppt课件 拱桥.ppt
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1、2022/11/25,1,桥梁工程第二分册,混凝土桥 v2011,西南交通大学 桥梁工程系,任课教师:卫 星 副教授电子教案:卫 星 v2011,巫山长江大桥,主跨 460m,2022/11/25,2,第四章 拱桥的设计与计算,本章主要内容,第一节 拱桥的设计与计算概述,第二节 拱轴线的选择与确定,第三节 拱桥内力计算,第四节 拱桥的设计检算,第五节 主拱内力调整,第六节 拱上建筑的计算,第七节 钢管混凝土拱桥设计计算要点,2022/11/25,3,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,一、拱桥知识的回顾,拱桥以拱为承重结构的桥梁反力在竖向荷载作用下,拱的两端支承处除有竖向反力外,还有水
2、平推力受力性能拱主要承受压力,而弯矩、剪力较小建造材料圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥,钢管混凝土拱桥和钢拱桥施工方法拱架施工法,缆索吊装施工、无支架施工、转体施工以及劲性骨架施工等技术,1.基本情况,2022/11/25,4,拱桥,梁桥,VS,拱桥与梁桥外形不同,拱桥在竖向荷载作用下在支承处除了竖向力外,还有水平力的产生,使得拱内的弯矩大大减小。拱肋中主要是受压的轴力。拱肋截面受压,可以充分发挥全截面材料的性能,从而能较大地高跨越能力。相对于梁式和索式结构,拱桥的变形较小,行车条件好。水平推力的存在使得拱桥对基础条件的要求较高。,拱桥的特点,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,2022/11
3、/25,5,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,拱桥与梁桥的截面应力分布对比,2022/11/25,6,拱桥由桥跨结构(上部结构)和下部结构组成,1主拱圈;2拱顶;3拱脚;4拱轴线;5拱腹;6拱背;7栏杆;8人行道块石;9伸缩缝;10侧墙;11防水层;12填料;13桥面;14桥台;15基础;16盲沟;17锥坡;L0净跨径;L计算跨径;f0净矢高;f计算矢高;f/L矢跨比,2.拱桥的基本组成,(1)实腹拱桥组成,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,2022/11/25,7,(2)空腹拱桥组成,下部结构(墩台基础),上部结构(拱肋),上部结构(拱上建筑立柱),上部结构(拱上建筑桥面
4、板),第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,2022/11/25,8,公路空腹拱桥,(2)空腹拱桥组成,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,2022/11/25,9,3.拱桥的分类,(1)根据行车道位置划分,下承式,中承式,上承式,桥面与受力结构(拱)的位置关系,上承拱构造简单,行车视野开阔,广为采用。,中承拱需要布置吊杆和立柱,在桥梁建筑高度受到限制时采用,只能用肋拱。,必须布置吊杆,形成悬吊结构,车辆在拱肋之间行驶。,拱肋,桥面,立柱,拱肋,桥面,吊杆,桥面,拱肋,立柱,吊杆,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,2022/11/25,10,(2)根据拱上建筑的形式划分
5、,空腹式拱桥,实腹式拱桥,上承式拱桥,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,2022/11/25,11,(3)根据拱圈材料的形式划分,圬工拱桥,钢拱桥,拱圈材料,钢筋混凝土拱桥,钢管混凝土拱桥,跨越能力增加,强度的差异,重量的差异,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,2022/11/25,12,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,No2. 广州新光大桥 428m,2022/11/25,13,No3. 万县长江大桥 420m,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,2022/11/25,14,No4. KRK-II桥 390m,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述
6、,2022/11/25,15,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,No5. 益阳茅草街大桥 368m,2022/11/25,16,No7. 丫髻沙大桥 360m,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,2022/11/25,17,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,5.大跨度钢拱桥现状的对比,New No1.重庆朝天门大桥,552m,在建,2022/11/25,18,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,No2.卢浦大桥 550m,2022/11/25,19,No3.新河谷桥 518m,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,2022/11/25,20,第一节 概
7、述,第一节 拱桥的设计与计算概述,No4.贝永桥 503m,2022/11/25,21,No5.悉尼海湾桥 504m,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,2022/11/25,22,No6.重庆菜园坝大桥420m,第一节 概述,第一节 拱桥的设计与计算概述,2022/11/25,23,二、拱桥的设计计算流程,第一节 拱桥的设计与计算概述,第一节 概述,2022/11/25,24,总体布置确定桥梁长度、分跨、桥面标高、主拱矢跨比和墩台尺寸等,通航水位,满足通航泄洪要求,1.拱桥的总体布置,(1)高程系统的确定,桥面高程由线路设计与总体布置及设计综合研究决定 拱顶底面高程满足拱顶最小填料厚
8、度和主拱拱顶截面高度的要求 起拱线高程根据拱顶底面标高和桥下净空要求(通航泄洪等)拟定 基础底面高程根据地基情况决定,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,三、拱桥的总体设计,2022/11/25,25,(2)矢跨比的确定,矢跨比:矢高与跨度的比值。拱桥的最重要设计控制参数。,满足泄洪和通航要求,还应从经济、结构受力、施 工等方面综合分析比较确定。,拱的水平推力同矢跨比成反比,陡拱(f/L1/4 )坦拱(f/L1/8),铁路:1/41/3公路石、混凝土板拱: 1/81/4公路钢筋混凝土箱形拱: 1/101/6,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,2022/11/25,26
9、,(3)连拱体系中的分跨,等跨分孔和不等跨分孔,A.等跨分孔,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,B.不等跨分孔,2022/11/25,27,不平衡水平推力的处理,不等跨分孔中应注意主跨与边跨的比例,主跨与边跨的矢跨比选择。以减小中墩两边的拱脚推力不平衡的问题。,边中跨拱脚设置在不同高度,设置刚性桥墩(抗推力墩),第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,2022/11/25,28,不平衡水平推力的处理,不平衡推力处理时的另外一个考虑因素是荷载集度。,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,2022/11/25,29,飞燕式拱桥,边跨设置半拱,在张拉通长的系杆平衡主拱
10、的水平推力,不平衡水平推力的处理,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,2022/11/25,30,(4)拱肋的横向布置,A.单片拱肋,垂直布置,倾斜布置,行车视野开阔,无笼罩感。面外稳定控制设计,要求拱肋的横向刚度大,桥面不宜过宽。,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,2022/11/25,31,(4)拱肋的横向布置,B.两片拱肋,垂直布置,倾斜布置,无风撑连接,有风撑连接,风撑的设置可以有效提高拱的横向稳定性,但影响行车视觉。,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,2022/11/25,32,(4)拱肋的横向布置,B.两片拱肋,垂直布置,倾斜布置,拱肋内倾,
11、用风撑连接,拱肋内倾,用风撑连接,拱顶合并为一段,提蓝式拱桥,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,2022/11/25,33,拱肋外倾,无风撑连接,蝴蝶桥,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,2022/11/25,34,(4)拱肋的横向布置,C.多片拱肋,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,2022/11/25,35,拱轴线选择形状直接影响主拱截面内力的分布与大小,选择拱轴线的原则,也就是尽可能降低由于荷载产生的弯矩值。,2.拱轴线的选择,圆弧线,悬链线,抛物线,小跨拱桥,实腹拱桥,空腹拱桥,理想拱轴线仅承受压力,无弯矩和剪力作用。合理拱轴线荷载压力线尽量接
12、近理想拱轴线。“五点重合法” 采用悬链线时,设计拱轴线与恒载压力线在拱顶、1/4跨和拱脚5处重合。,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计t,三、拱桥的总体设计,2022/11/25,36,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,3.混凝土拱圈断面的设计选择,三、拱桥的总体设计,A.板拱,B.肋拱,C.双曲拱,D.箱形拱,(1)拱圈断面形式的选择,上承式,弃用,中小跨拱桥,上承式,中小跨拱桥,中、下承式,大中跨拱桥,上承式,大中跨拱桥,断面适用范围,2022/11/25,37,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,3.混凝土拱圈断面的设计选择,三、拱桥的总体设计,(2
13、)板拱的截面及尺寸,板拱是指主拱(圈)采用整体实心矩形截面的拱。按照主拱所采用的材料,可分为石板拱、混凝土板拱和钢筋混凝土板拱等。,A.宽度考虑,板拱宽度即为拱圈的宽度;板宽略小于桥面宽度(便于排水);考虑人行道外挑等因素来减小板宽设置。,2022/11/25,38,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,3.混凝土拱圈断面的设计选择,(2)板拱的截面及尺寸,B.厚度考虑,钢筋混凝土板拱,拱顶厚度,拱脚厚度,C.截面变化考虑,变化规律,等截面,变截面,常用形式,构造复杂,2022/11/25,39,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,3.混凝土拱圈断面的设计选择,(3)肋拱
14、的截面及尺寸,肋拱是指用两条或多条分离的平行窄拱圈即拱肋作为主拱圈的拱;肋拱具有自重轻,恒载内力小,的优点,可以充分发挥钢筋混凝土等材料的性能,在大中型拱桥中得到广泛应用。,A.(单一)拱肋的截面选择,矩形断面,工字形断面,箱形断面,管状断面,钢管混凝土拱桥,拱肋自重大小,截面特性(压/弯/扭),施工方便性,轮廓美观性,考虑,2022/11/25,40,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,3.混凝土拱圈断面的设计选择,(3)肋拱的截面及尺寸,B.(单一)拱肋的轮廓尺寸,矩形断面,工字形断面,箱形断面,钢筋混凝土肋拱,肋高,肋宽,参照工字型断面;参照箱拱的断面设计,考虑拱箱数量少的因
15、素后计算确定。,箱式肋拱,2022/11/25,41,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,3.混凝土拱圈断面的设计选择,(4)箱拱的截面及尺寸,箱拱:主拱圈由多室箱构成的拱,箱形拱通常采用预制拼装施工。,箱式板拱,主要特点,截面挖空率大,中性轴居中,抗弯和抗扭刚度大,整体性好,制作要求高,吊装设备多,钢筋混凝土装配式箱形板拱,2022/11/25,42,拱圈截面尺寸拟定,拱圈高度,h拱圈高度L0 净跨度 取为0.60.8,拱圈宽度,一般取桥宽的1.00.6倍一般不小于跨径的1/20,箱肋宽度,与吊装能力有关,一般1.2m1.7m,顶底板及腹板,顶底板厚度一般为15cm22cm两外腹
16、板一般为12cm15cm内箱腹板一般为4cm5cm为保证安全,应进行压溃及局部应力检算,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,3.混凝土拱圈断面的设计选择,(4)箱拱的截面及尺寸,A.拱圈的截面尺寸,钢筋混凝土装配式箱形板拱,2022/11/25,43,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,3.混凝土拱圈断面的设计选择,(4)箱拱的截面及尺寸,B.箱拱内横隔板设置考虑,设置位置,拱箱横隔板,作用,箱肋段端部、吊点、拱上立柱处其余部为每隔3m5m设一道,厚度选择,提高抗扭能力,保证箱壁的局部稳定性;帮助集中力在箱内的扩散。,68cm,2022/11/25,44,第一节 概述,
17、第一节 设计与计算概述-总体设计,3.混凝土拱圈断面的设计选择,(4)箱拱的截面及尺寸,C.拱箱间的横向连接细节,横向接头的作用:保障各预制箱形拱肋形成拱圈时的整体受力性能。,2022/11/25,45,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体设计,3.混凝土拱圈断面的设计选择,(4)箱拱的截面及尺寸,D.拱箱的吊装分段及纵向连接细节,吊装分段:拱肋肋的纵向分段(37段),减小吊装重量;纵向接头:确保拱肋纵向受力的整体性。,节段间的接头,拱脚处的接头,2022/11/25,46,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稳定性验算验算。,稳定验算, 恒
18、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,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体计算,四、拱桥的总体计算分析,1.计算分析内容概述,2022/11/25,47,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体计算,结构力学的分析方法,有限元的分析方法,拱桥的计算方法,2.计算分析方法概述,拱桥的计算层次,总体分析计算,构件分析计算,局部分析计算,2022/11/25,48,有限元程序,桥梁专门程序,大型通用程序,Super SAPADINANASTRANANSYS,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体计算,有限元的分析方法,MidasTDV桥梁博士BS
19、AS,2022/11/25,49,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体计算,有限元中的单元划分,2022/11/25,50,第一节 概述,第一节 设计与计算概述-总体计算,2022/11/25,51,第二节 拱轴线的选择与计算,一、关于拱轴线线形,第二节 拱轴线的选择与计算,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。因为此时每一截面上都只有轴压力而无弯矩与剪力,应力最均匀,材料强度可以得到充分利用。 实际工程中由于活载、主拱圈弹性压缩以及温度、收缩等因素的作用,实际上得不到理想的拱轴线(
20、压力线与拱轴线不可能是吻合的)。根据混凝土拱桥恒载比重大的特点,在实用中一般采用恒载压力线作为拱轴线,恒载作用愈大,这种选择就愈显得合理。对于活载较大的铁路混凝土拱桥,则可考虑采用恒载加一半活载(全桥均布)的压力线作为拱轴线。选择拱轴线时,除了考虑主拱受力有利以外,还应该考虑外形美观、施工简便等因素,Why?,How?,2022/11/25,52,第二节 拱轴线的选择与计算,第二节 拱轴线的选择与计算,(一)圆弧线拱,线形最简单,施工最方便。但圆弧拱轴线一般与恒载压力线偏离较大,使拱圈各截面受力不够均匀。常用于1520m以下的小跨径拱桥。园弧线的拱轴方程为:,只有当圆弧形上作用满布均布的径向荷
21、载时,其拱轴才与恒载压力线重合。当fl较小时,两者出入还不算大,采用圆弧拱并不使恒载内力增大过多;但当fl接近12时,恒载压力线的两端将位于拱脚截面中心上相当远,为了解决这个问题,实践中常在拱脚处设置护拱,以帮助拱圈受力。,2022/11/25,53,第二节 拱轴线的选择与计算,(二)抛物线拱,在竖向均布荷载作用下,拱的合理拱轴线是二次抛物线。对于恒载集度比较接近均布的拱桥(如矢跨比较小的空腹式钢筋混凝土拱桥,或钢筋混凝土桁架拱和刚架拱等轻型拱桥),往往可以采用抛物线拱。其拱轴线方程为:,第二节 拱轴线的选择与计算,为了使拱轴线尽量与恒载压力线相吻合,也常采用高次抛物线(3次、4次抛物线)作为
22、拱轴线的,,2022/11/25,54,第二节 拱轴线的选择与计算,(三)悬链线拱,空腹式拱桥的恒载从拱顶到拱脚不再是连续分布的(如下图),其恒载压力线是一条不光滑的曲线,难于用连续函数来表达。目前最 普遍的还是采用悬连线作为空腹拱的拱轴线,仅需拱轴线在拱顶、跨径的四分之一点和拱脚初与压力线重合。,实腹式拱桥的恒载集度从拱顶到拱脚均匀增加,其压力线是一条悬链线(如下图)。一般采用恒载压力线作为实腹式拱桥的拱轴线,第二节 拱轴线的选择与计算,2022/11/25,55,第二节 拱轴线的选择与计算,第二节 拱轴线的选择与计算,拱顶的荷载集度,1、拱轴方程的建立,二、悬链线的拱轴方程,M=0,Q=0
23、,N=Hg,如果拱轴线为恒载压力线,由对称性原则,拱顶截面的内力为:,弯矩: Md0剪力:Qd0轴力:NdHg (恒载推力),假定实腹式拱的恒载集度与拱轴坐标成线性关系:,拱上材料的容重,2022/11/25,56,第二节 拱轴线的选择与计算,对拱脚截面取矩,有:,对x处任意截面取矩,有:,第二节 拱轴线的选择与计算,半拱恒载对拱脚的弯矩,f,X,Y,y1,x=L1,L1L/2,f,任意截面以右的全部恒载对该截面的弯矩值,以拱顶为原点,拱轴线上任意点的坐标,两边对x取两次导数,拱上任意的恒载集度gx,Vg,Hg,拱上任意的恒载集度gx,拱的恒载水平推力,为了计算拱轴线(压力线)的一般方程,需首
24、先知道恒载的分布规律,2022/11/25,57,第二节 拱轴线的选择与计算,这样gx可变换为:,定义:拱轴系数,第二节 拱轴线的选择与计算,拱顶的荷载集度,M=0,Q=0,N=Hg,假定实腹式拱的恒载集度与拱轴坐标成线性关系,其任意截面的恒载可以用下式表示:,拱上材料的容重,当y1=0为拱顶,当y1=f为拱脚,2022/11/25,58,第二节 拱轴线的选择与计算t,二阶非齐次微分方程,第二节 拱轴线的选择与计算,拱上任意的恒载集度gx,任意位置处实腹拱桥恒载集度的表达式,拱轴线坐标与恒载集度的微分关系式,定义位置参数,定义参数k2,解微分方程,得到的拱轴线(压力线)方程:,数学上为:悬链线
25、方程,2022/11/25,59,第二节 拱轴线的选择与计算,对于拱脚截面有:=1,y1=f,代入式悬链线方程可得:,通常m为已知,则可以用下式计算k值:,第二节 拱轴线的选择与计算,拱轴线悬链线方程,双曲余弦函数,反双曲余弦函数对数表示,关于k和m,2022/11/25,60,第二节 拱轴线的选择与计算,第二节 拱轴线的选择与计算,关于悬链线方程的几点讨论,当m=1时 gd=gj,可以证明,在均布荷载作用下的压力线为二次抛物线,其方程变为:,如m1时,即表示恒载为均布荷载,其压力线为一抛物线 当拱的矢跨比fl确定后,悬链线的形状将取决于拱轴系数m,不难理解,m越大(gj对gd的比值大),则曲
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