1、,大跨度拱橋設(shè)計(jì)計(jì)算及工程實(shí)例,本章的主要內(nèi)容,7.1 拱橋的基本組成和受力特點(diǎn) 7.2 拱橋的結(jié)構(gòu)體系 7.3 拱橋的總體構(gòu)思與構(gòu)造 7.4 拱橋的計(jì)算 7.5 拱橋的施工 7.6 工程實(shí)例, 7.1 拱橋的基本組成和受力特點(diǎn),7.1.1 拱橋的基本組成,上部結(jié)構(gòu)： （1）主拱圈：主要承重構(gòu)件 （2）拱上建筑：橋面系和傳力構(gòu)件或填充物 下部結(jié)構(gòu)：橋墩、橋臺(tái)、基礎(chǔ),拱 橋 的 主 要 組 成 部 分,l0 - 凈跨徑 l -計(jì)算跨徑 f0 - 凈矢高 f -計(jì)算矢高 f/l - 矢跨比,拱橋的主要技術(shù)名詞 凈跨徑（l0） 每孔拱跨兩個(gè)起拱線(xiàn)之間的平距 計(jì)算跨徑（l）相鄰兩拱腳截面形心之間的平距

2、 （即拱軸線(xiàn)兩端點(diǎn)之間的平距） 凈矢高（f0） 拱頂截面下緣至起拱線(xiàn)連線(xiàn)之間的垂距 計(jì)算矢高（f）拱頂截面形心至相鄰兩拱腳截面形心之 連線(xiàn)的垂距 矢跨比（D 或 D0）又稱(chēng)矢度,計(jì)算矢高與計(jì)算跨徑之 比（D=f/l）或凈矢高與凈跨徑之比 （D0=f0 / l0）, 7.1 拱橋的基本組成和受力特點(diǎn),7.1.1 拱橋的基本組成,坦拱:D1/5 陡拱:D1/5, 7.1 拱橋的基本組成和受力特點(diǎn),7.1.1 拱橋的基本組成, 7.1 拱橋的基本組成和受力特點(diǎn),7.1.1 拱橋的基本組成,根據(jù)行車(chē)道的位置,拱橋可以分成：上承式、下承式和中承式三種類(lèi)型.,拱橋的基本圖示,上承式拱橋,1989四 川涪陵

3、烏江大橋 （L=200m） 橋高84m,矢跨比1/4,主拱圈采用3室箱. 涪陵烏江大橋采用轉(zhuǎn)體法施工,先在兩岸上、下游組成3m寬的邊箱,待轉(zhuǎn)體合攏后吊裝中箱頂、底板,最后組成3室箱.,1997四川萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋 L=420m) 勁性骨架鋼筋混凝土箱形拱橋,上承式拱橋,巫山巫峽長(zhǎng)江大橋,丫髻沙大橋,中承式拱橋,上海盧浦大橋 2003.6 建成,主橋長(zhǎng)750m,為全鋼結(jié)構(gòu),其中主跨直徑達(dá)550m,居世界同類(lèi)橋梁之首,被譽(yù)為“世界第一鋼拱橋”.,武漢江漢三橋 橋長(zhǎng)989.75米,主跨302.93米,為跨徑為280米的下承式鋼管混凝土系桿拱橋.,浙江省嵊州大橋 主橋采用下承式鋼管混泥土單桿拱橋.兩跨,跨

4、徑長(zhǎng)136米.,下承式拱橋, 7.1 拱橋的基本組成和受力特點(diǎn),7.1.2 拱橋的受力特點(diǎn),支座處存在水平推力 拱內(nèi)產(chǎn)生軸向壓力 彎矩減少 偏心受壓應(yīng)力較均勻. 300800m范圍內(nèi),可以與斜拉橋競(jìng)爭(zhēng)., 7.2 拱橋的結(jié)構(gòu)體系,7.2.1 簡(jiǎn)單體系拱橋,簡(jiǎn)單體系拱橋構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確,全部荷載由拱肋承受. 按照拱圈的靜力體系分為： 三鉸拱：靜定,無(wú)附加應(yīng)力,鉸構(gòu)造復(fù)雜,少用. 無(wú)鉸拱：三次超靜定,剛度大,構(gòu)造簡(jiǎn)單,附加應(yīng)力大,混凝土拱多采用無(wú)鉸拱. 兩鉸拱：介于二者之間,鋼拱采用較多., 7.2 拱橋的結(jié)構(gòu)體系,7.2.2 組合體系拱橋,荷載一部分由縱梁承擔(dān),一部分通過(guò)吊桿傳遞給主拱肋承擔(dān).

5、 柔性系桿剛性拱（系桿拱） 剛性系桿柔性拱（藍(lán)格爾拱） 剛性系桿剛性拱（洛澤拱） 用斜吊桿時(shí)稱(chēng)為尼爾森拱,無(wú)推力組合體系拱橋, 7.2 拱橋的結(jié)構(gòu)體系,7.2.2 組合體系拱橋,多跨無(wú)推力組合體系拱橋, 7.2 拱橋的結(jié)構(gòu)體系,7.2.2 組合體系拱橋,部分有推力組合體系拱橋,拱腳在中墩處固結(jié),拱、梁通過(guò)立柱和拱頂實(shí)體段連接共同承受荷載.應(yīng)用交廣泛. 在恒載作用下,通過(guò)張拉系桿來(lái)平衡主拱的水平力； 成橋后,由于拱腳固結(jié),水平位移被約束,在活載及其他荷載作用下,拱腳產(chǎn)生水平推力,形成部分有推力拱橋體系., 7.2 拱橋的結(jié)構(gòu)體系,7.2.2 組合體系拱橋,有推力組合體系拱橋,梁和拱共同受力,拱的

6、推力完全由墩臺(tái)承擔(dān). 梁分擔(dān)一部分荷載,拱腳推力小于簡(jiǎn)單體系拱橋., 7.2 拱橋的結(jié)構(gòu)體系,7.2.2 組合體系拱橋拱肋與縱梁連接方式,中承式梁拱組合體系,中邊跨縱梁在拱肋連接處斷開(kāi)； 邊跨梁與拱肋固結(jié),中跨梁與拱肋連接處斷開(kāi)； 拱梁完全剛性連接,共同承擔(dān)荷載., 7.2 拱橋的結(jié)構(gòu)體系,7.2.2 組合體系拱橋拱肋與縱梁連接方式,下承式梁拱組合體系,拱梁固結(jié)； 拱梁鉸接； 梁以體外索的形式錨固在拱的兩端,橋面系通過(guò)橫梁與吊桿連接,將橋面荷載傳遞給拱肋., 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.1 拱橋的總體構(gòu)思,1）上承式拱橋的總體構(gòu)思,有推力拱橋； 拱圈是主要受力構(gòu)件； 橋面系不參與拱圈

7、的整體受力,而作為局部受力構(gòu)件設(shè)計(jì)., 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.1 拱橋的總體構(gòu)思,（1）橋長(zhǎng)及分孔,按照水文計(jì)算、通航要求以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)確定,可采用單跨拱橋或多跨拱橋形式； 為避開(kāi)深水區(qū)或不良地質(zhì)地段,可采用不等跨布置； 一般采用單跨拱橋來(lái)跨越高山峽谷、水流急的河道.,1）上承式拱橋的總體構(gòu)思, 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.1 拱橋的總體構(gòu)思,（2）橋梁設(shè)計(jì)高程,橋面高程：由總體路線(xiàn)設(shè)計(jì)確定. 拱頂高程：橋面高程-拱頂處的建筑高度. 起拱線(xiàn)高程：為減輕墩底偏心彎矩,宜采用較低的起拱線(xiàn)高程. 有鉸拱橋：起拱線(xiàn)一般高于設(shè)計(jì)洪水位0.25m；嚴(yán)寒地區(qū)橋梁,起拱線(xiàn)不應(yīng)低于流

8、冰水位0.25m； 無(wú)鉸拱橋：防止漂浮物撞擊,拱圈不宜淹沒(méi)太多； 美觀角度,拱座一般露出地面一定高度. 基礎(chǔ)底面高程：根據(jù)沖刷深度、地基承載力等計(jì)算確定.,1）上承式拱橋的總體構(gòu)思, 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.1 拱橋的總體構(gòu)思,（3）跨徑布置,三跨拱橋,理想的邊中跨比值應(yīng)使中墩在恒載作用下的水平推力平衡.則邊中跨比為：,1）上承式拱橋的總體構(gòu)思, 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.1 拱橋的總體構(gòu)思,（4）拱軸線(xiàn)的選擇,圓弧線(xiàn)：線(xiàn)形簡(jiǎn)單,施工方便.主要用于20m以下的拱橋. 拋物線(xiàn)：可采用二次拋物線(xiàn)；為使拱軸線(xiàn)與恒載壓力線(xiàn)吻合,可采用高次拋物線(xiàn). 懸鏈線(xiàn)：最常采用的拱軸線(xiàn).,

9、1）上承式拱橋的總體構(gòu)思, 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.1 拱橋的總體構(gòu)思,（5）矢跨比,矢跨比：拱肋的矢高與跨徑的比值.矢跨比減小,拱橋水平推力增加,反之推力減小. 矢跨比影響拱橋整體剛度.矢跨比在1/41/6之間時(shí),拱橋剛度較大.,1）上承式拱橋的總體構(gòu)思,2）中、下承式拱橋的總體構(gòu)思,2）中、下承式拱橋的總體構(gòu)思,中、下承式拱橋的橋跨結(jié)構(gòu)一般由拱肋、橫向聯(lián)系和懸掛結(jié)構(gòu)三部分組成. 拱肋：主要受力構(gòu)件,可采用鋼筋混凝土、鋼管混凝土或鋼箱結(jié)構(gòu),常用矢跨比為1/71/4. 橫向聯(lián)系：設(shè)置在兩片拱肋之間,增加橫向穩(wěn)定性.包括一字型橫撐、對(duì)角橫撐、K形橫撐等. 懸掛結(jié)構(gòu)：包括吊桿和橋面系

10、等.剛性吊桿：混凝土材料；柔性吊桿：平行鋼絲或鋼絞線(xiàn).吊桿間距一般48m., 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.1 拱橋的總體構(gòu)思,（1）柔性系桿剛性拱,3）梁拱組合體系拱橋的總體構(gòu)思,系桿的剛度相對(duì)于拱肋的剛度較小,系桿只承受拉力,拱肋按偏心受壓構(gòu)件考慮. 跨徑：2090m；矢跨比：1/51/4；拱肋高度（1/501/30）L., 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.1 拱橋的總體構(gòu)思,（2）剛性系桿柔性拱,3）梁拱組合體系拱橋的總體構(gòu)思,拱肋的剛度相對(duì)于系桿的剛度較小,剛性系桿承受拉力和彎矩,按彎拉構(gòu)件考慮. 跨徑：100m；矢跨比：1/51/7；拱肋高度（1/1201/100）L.

11、, 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.1 拱橋的總體構(gòu)思,（3）剛性系桿剛性拱,3）梁拱組合體系拱橋的總體構(gòu)思,拱肋和系桿均承擔(dān)一定的彎矩,體系整體剛度大. 拱肋高度（1/501/80）L., 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.2 主拱的構(gòu)造,1）板拱,主拱圈截面采用矩形實(shí)體截面的拱橋稱(chēng)板拱橋. 在中、小跨徑的圬工拱橋中采用. 在較薄的拱板上增設(shè)縱向肋以提高拱圈抗彎剛度,即構(gòu)成 板肋拱.,板拱, 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.2 主拱的構(gòu)造,2）肋拱,肋拱橋是將板拱劃分成多條分離的、截面高度較大的拱肋,肋間用橫系梁聯(lián)結(jié). 這種形式以較小的截面面積獲得較大的截面抵抗矩,減輕了結(jié)構(gòu)

12、自重,多用于大、中跨徑的拱橋., 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.2 主拱的構(gòu)造,2）肋拱,拱肋截面 （1）矩形：構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便 （2）工字形： 適用：大、中跨徑 （3）箱型： 適用：跨徑大,橋面寬 （4）管形： 適用：鋼管混凝土拱橋,鋼管混凝土拱橋簡(jiǎn)介,鋼管混凝土拱肋,立柱（或吊桿）,橫撐,行車(chē)道系,下部構(gòu)造, 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.2 主拱的構(gòu)造,3）箱形拱,箱形拱橋主拱圈截面挖空,以較少的材料可獲得較大的截面抵抗矩,減輕自重,節(jié)省材料. 箱形截面抗扭剛度很大,整體性和穩(wěn)定性都較好,但施工制作較復(fù)雜.適用于大跨徑拱橋., 7.3 拱橋的總體思路與構(gòu)造,7.3.2

13、主拱的構(gòu)造,3）箱形拱,可為單室箱或多室箱,每一閉合箱又由箱壁、頂板、底板及橫隔板組成,多條U形肋,多條工字形肋,多條閉合箱肋,單箱多室截面, 7.4 拱橋的計(jì)算,拱橋計(jì)算的主要內(nèi)容,拱橋的計(jì)算,拱軸線(xiàn)的選擇與確定,成橋狀態(tài)的內(nèi)力分析和強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定驗(yàn)算,施工階段的內(nèi)力分析和驗(yàn)算,恒載內(nèi)力,溫度、收縮徐變,拱腳變位,活載內(nèi)力,內(nèi)力調(diào)整,拱上建筑的計(jì)算, 7.4 拱橋的計(jì)算,拱軸線(xiàn)的選擇與確定,拱軸線(xiàn)的形狀直接影響主截面的內(nèi)力分布與大小,選擇拱軸線(xiàn)的原則,是要盡可能降低荷載產(chǎn)生的彎矩. 最理想的拱軸線(xiàn)是與拱上各種荷載作用下的壓力線(xiàn)相吻合,使拱圈截面只受壓力,而無(wú)彎矩及剪力的作用,截面應(yīng)力均勻,

14、能充分利用圬工材料的抗壓性能 實(shí)際上由于活載、主拱圈彈性壓縮以及溫度、收縮等因素的作用,得不到理想的拱軸線(xiàn).一般以恒載壓力線(xiàn)作為設(shè)計(jì)拱軸線(xiàn). 圓弧線(xiàn)、拋物線(xiàn)和懸鏈線(xiàn), 7.4 拱橋的計(jì)算,強(qiáng)度驗(yàn)算,利用內(nèi)力包絡(luò)圖進(jìn)行主拱強(qiáng)度驗(yàn)算,拱腳、拱頂、拱跨3l/8、l/4是主要控制截面,根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和橋規(guī)進(jìn)行驗(yàn)算.,拱圈強(qiáng)度驗(yàn)算:,公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D61-2005）,無(wú)鉸拱和雙鉸拱的計(jì)算可不考慮拱上建筑與主拱圈的聯(lián)合作用. 計(jì)算由車(chē)道荷載引起的拱的正彎矩時(shí),拱頂,拱跨1/4應(yīng)乘以折減系數(shù)0.7,拱腳應(yīng)乘以0.9,中間各個(gè)截面的正彎矩折減系數(shù),可用直線(xiàn)插人法確定. 一般無(wú)鉸拱橋,拱腳和拱

15、頂是主要控制截面；大跨度拱橋應(yīng)驗(yàn)算拱頂、拱跨3l/8、拱跨l/4和拱腳四個(gè)截面；對(duì)于中、小跨徑拱橋,拱跨l/4截面可不驗(yàn)算；特大跨徑拱橋,除以上四個(gè)截面外,需視截面配筋情況,另行選擇截面進(jìn)行驗(yàn)算.,Sd 作用效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)值,Rd構(gòu)件承載能力設(shè)計(jì)值,0結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù),按下列要求取值,ad幾何參數(shù)設(shè)計(jì)值,當(dāng)無(wú)可靠數(shù)據(jù)時(shí),可采用幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值ak, 7.4 拱橋的計(jì)算,穩(wěn)定驗(yàn)算,拱的穩(wěn)定性驗(yàn)算分為縱向(面內(nèi))和橫向(面外)兩方面.,大、中跨徑拱橋是否驗(yàn)算縱、橫向穩(wěn)定與施工過(guò)程有關(guān)：有支架施工,其穩(wěn)定與落架時(shí)間有關(guān),拱上建筑砌筑完后落架,可不驗(yàn)算縱向穩(wěn)定; 當(dāng)主拱圈寬度較大（如大于跨度的1/20）

16、,則可不驗(yàn)算拱的橫向穩(wěn)定性； 隨拱橋所用材料性能的改善和施工技術(shù)的提高,拱橋跨徑不斷增大,主拱的長(zhǎng)細(xì)比越來(lái)越大,施工和成橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題非常突出., 7.4 拱橋的計(jì)算,縱向穩(wěn)定,對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比不大,且 f/l 在0.3以下的拱,其縱向穩(wěn)定性驗(yàn)算一般可以表達(dá)為強(qiáng)度校核的形式:, 7.4 拱橋的計(jì)算,橫向穩(wěn)定,拱的橫向穩(wěn)定性驗(yàn)算,目前尚無(wú)成熟的計(jì)算辦法,工程上常用與縱向穩(wěn)定相似的公式來(lái)驗(yàn)算拱的橫向穩(wěn)定性：,NL拱橫向失穩(wěn)時(shí)的平均臨界軸力；,Nj按承載能力極限狀態(tài)組合計(jì)算的平均軸力；,m橫向穩(wěn)定安全系數(shù),一般取值為45., 7.4 拱橋的計(jì)算,橫向穩(wěn)定,板拱或采用單肋合龍時(shí)的拱肋:,臨界荷載系數(shù)K2

17、值表,理論與實(shí)踐證明：無(wú)鉸拱的臨界荷載比有鉸拱大得多.懸鏈線(xiàn)無(wú)鉸拱的橫向穩(wěn)定,精確的方法是作空間有限元電算分析,手算時(shí),可偏安全地采用兩鉸拱的計(jì)算公式,或者近似采用圓弧無(wú)鉸拱的公式計(jì)算臨界軸向力., 7.4 拱橋的計(jì)算,有限元法在拱橋計(jì)算中的應(yīng)用,有限元方法是為能夠求解彈性力學(xué)的偏微分方程組（15個(gè)方程：3個(gè)平衡微分方程,6個(gè)幾何方程和6個(gè)物理方程）而發(fā)展的一種數(shù)值方法,隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而得到迅速進(jìn)步； 用有限元方法計(jì)算三維空間的橋梁結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)多種非線(xiàn)性影響的計(jì)算,例如,幾何非線(xiàn)性、材料非線(xiàn)性、動(dòng)力問(wèn)題及穩(wěn)定問(wèn)題等., 有限元程序,專(zhuān)門(mén)程序：,大型通用程序,SAP ADINA NASTRA

18、N ANSYS,橋梁博士, MIDAS, 7.4 拱橋的計(jì)算,有限元法在拱橋計(jì)算中的應(yīng)用,數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及計(jì)算分析簡(jiǎn)介：,結(jié)構(gòu)離散(單元?jiǎng)澐? 組織數(shù)據(jù)文件：節(jié)點(diǎn)信息（節(jié)點(diǎn)編號(hào)和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)）、單元信息（單元編號(hào)及單元與節(jié)點(diǎn)關(guān)系）、荷載信息（位置、類(lèi)型及大?。⒉牧闲畔?、截面特性信息、邊界條件信息等；數(shù)據(jù)檢查,圖形顯示. 計(jì)算結(jié)果及分析（后處理）：判斷各種工況計(jì)算結(jié)果及其總體計(jì)算結(jié)果., 7.4 拱橋的計(jì)算,有限元法在拱橋計(jì)算中的應(yīng)用,1、支架施工 2、轉(zhuǎn)體施工 3、纜索吊裝施工 4、頂推施工 5、懸臂施工, 7.5 拱橋的施工, 7.5 拱橋的施工,7.5.1 支架施工,支架施工分為支架就地澆筑和支架

19、拼裝主拱施工. 支架就地澆筑是指在拱圈位置采用鋼材或木材搭設(shè)拱架,形成拱胎,然后在拱胎上澆筑,最后落架完成拱圈施工.,常用的拱架形式, 7.5 拱橋的施工,7.5.1 支架施工,支架拼裝主拱：對(duì)中等跨度范圍的鋼管混凝土拱橋或鋼箱拱橋,拱肋離地面不高且節(jié)段重量不大,可搭設(shè)臨時(shí)墩進(jìn)行拱肋拼裝., 7.5 拱橋的施工,7.5.2 轉(zhuǎn)體施工,轉(zhuǎn)體施工法是指將橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計(jì)軸線(xiàn)位置制作（澆注或拼接）成形后,通過(guò)轉(zhuǎn)體就位的一種施工方法. 豎轉(zhuǎn)法 平轉(zhuǎn)法 豎轉(zhuǎn)與平轉(zhuǎn)結(jié)合法, 7.5 拱橋的施工,7.5.2 轉(zhuǎn)體施工,豎轉(zhuǎn)法 將拱圈從拱頂分成兩個(gè)半跨,在橋孔下搭設(shè)支架平臺(tái)進(jìn)行兩個(gè)半跨的預(yù)制和組拼,利用旋轉(zhuǎn)裝置將拱肋進(jìn)行豎向轉(zhuǎn)體至設(shè)計(jì)位置,然后在拱頂合龍,最后封閉拱腳轉(zhuǎn)動(dòng)鉸,形成拱結(jié)構(gòu).,貴州務(wù)川自治縣珍珠橋豎向轉(zhuǎn)體施工,豎轉(zhuǎn)法,貴州務(wù)川自治縣珍珠橋豎向轉(zhuǎn)體施工, 7.5 拱橋的施工,7.5.2 轉(zhuǎn)體施工,平轉(zhuǎn)法 將拱肋分成兩個(gè)半跨,分別利用兩岸地形制作拱架,現(xiàn)澆或拼裝拱肋、橫向聯(lián)系,借助轉(zhuǎn)盤(pán)裝置和推拉千斤頂,慢速將拱肋轉(zhuǎn)體180度,最