1、第四章 圬工和鋼筋混凝土拱橋 第一節 概 述一、拱橋的基本特點及其適用范圍 拱橋的優點： 1)跨越能力較大。 2)就地取材，節省鋼材和水泥； 3)耐久性好，養護、維修費用少； 4)外型美觀； 5)構造較簡單； 6)抗風穩定性強；(結構整體性好)。 缺點： 1)自重較大，水平推力大，增加下部結構的工程量； 2)傳統支架施工, 工序多, 費用高, 困難多, 工期長。 3) 連續多孔的大、中橋梁中，為防止一孔破壞而影響全橋的安全；需采用措施或設置單向推力墩，增加了造價； 4)建筑高度較高。 適用性：拱橋，特別圬工拱橋廣泛應用于公路橋梁。二、拱橋的主要組成橋跨結構主拱圈：主要承重結構拱上建筑橋面系：傳

2、力構件傳遞壓力的構件或填充物行車道、人行道及兩邊的欄桿或側墻等下部結構橋墩、橋臺基礎等支承橋跨結構；傳遞橋跨荷載至地基；與兩岸跨堤聯結。鉸：設置于拱腳處三、拱橋分類 1、建橋材料(主拱圈的材料)分類：圬工拱橋、鋼拱橋等； 2、拱上建筑的形式分類：實腹式拱橋、空腹式拱橋； 3、主拱圈的拱軸線的型式分類：圓弧拱橋、鏈線拱橋等； 4、按結構受力圖式分類 4、按結構受力圖式分類 按主拱圈與行車系結構之間相互作用狀態分類，有簡單體系拱橋及組合體系拱橋兩大類。 (1)簡單體系拱橋： 行車系結構不參與主拱受力，主拱是主要承重結構。按不同的靜力圖式，主拱圈可分三鉸拱、兩鉸拱或無鉸拱。 1)三鉸拱：靜定結構；(

3、拱圈內無附加力)。 缺點：構造復雜，整體剛度小。適用：地基條件很差或寒冷地區可修建三鉸拱拱橋。 用作空腹式拱上建筑的腹拱。 2)無鉸拱：三次超靜定結構。(拱內有較大的附加內力)。 特點：整體剛度大，構造簡單。 適用性： 使用最廣泛，一般地基良好的條件時下修建。鋼筋混凝土無鉸拱是大跨徑橋梁的主要橋型之一。 組合式體系拱橋：行車系結構與主拱圈構成整體，以共同承受荷載。無推力剛性系桿剛性拱柔性系桿剛性拱剛性系桿柔性拱柔性系桿剛性拱有推力有剛性梁的柔性拱桁架拱拱片橋第二節 拱橋設計和構造一、拱橋的總體布置 拱橋的總體設計應按照適用、經濟、安全和美觀的原則，橋址橋位橋梁的長度、跨徑、孔數、橋面標高、主拱

4、圈的矢跨比等 1、確定橋梁的設計標高和矢跨比 (1)拱橋的標高有：橋面標高、拱頂底面標高、起拱線標高、基礎底面標高。 拱橋橋面的標高：由兩岸線跨的縱斷面設計來控制；要保證橋下凈空滿足宣泄洪水或通航的要求。拱橋的主要標高 拱頂上緣標高： 拱頂底面標高： 起拱線標高： 基礎底面標高決定于基礎、地基的穩定性。 拱圈的寬度： 取決于橋面凈空的寬度。 中、小跨徑拱橋：拱圈寬度等于橋面凈空寬度減去欄桿寬。 大跨徑橋或跨徑較小、橋面特寬的城市橋梁：拱圈寬度小于橋寬。 公跨拱橋主拱圈寬度一般均大于跨徑的1/20。橋規規定當主拱圈寬跨比1/20時，則應驗算拱的橫向穩定性。 拱圈的厚度：根據跨徑大小、荷載等級、主

5、拱圈材料規格等條件決定。 (1)石拱橋 中、小跨徑石拱橋主拱圈高度可按下式進行估算：式中：l0主拱圈凈跨徑(cm)； d 主拱圈高度(cm)；m 系致，取4.56。k 荷載系數。 大跨徑的石拱橋，也可由其它經驗公式進行估算。 (2)箱形拱、雙曲拱、桁架拱和剛架拱橋 確定箱形拱、拱肋中距2.0m的雙曲拱、拱片中距3.0m的桁架拱和剛架拱時，由經驗公式計算主拱圈肋的高度。 估算的經驗公式為： 式中： H主拱圈(肋)的高度(cm)；、系數，根據主拱圈的構造型式不同取值；k荷載系數，對于各級汽車荷載(汽車超20級外)。 矢跨比(f/l)：恒載的水平推力Hg與垂直反力Vg之比值，隨矢跨比的減小而增大。推

6、力大，拱圈內軸向力也大，對拱圈受力有利，對墩臺基礎不利。無鉸拱：拱圈內的附加內力，拱愈坦(即矢跨比越小)，附加內力越大。矢跨比過大，拱腳區段過陡，施工困難，不美觀。 應經過綜合比較后進行選定。 對于磚、石、混凝土板拱橋及雙曲拱橋，矢跨比一般為1/41/6，宜超過1/8，箱形拱橋的矢跨比一般為1/61/8，圬工拱橋的矢跨比一般不宜小于1/10，鋼筋混凝土桁架拱、剛架拱橋的矢跨比一般為1/61/10，不宜小于1/12。 “大膽度”：l2/f ： 2、不等跨連續拱橋的處理方法 多孔連續拱橋：等跨分孔的方案。 在受地形、地質、通航等條件受限制，可用不等跨的分孔。 不等跨分孔的拱橋 不等跨拱橋，相鄰孔的

7、推力不等： 改善措施： 不同的矢跨比 在相鄰兩孔中，大跨徑用較大的矢跨比(拱陡)，小跨徑用較小的矢跨比 (拱坦些)，使兩相鄰孔在恒載作用下的不平衡推力差盡量減小。 采用不同的拱腳標高 大跨徑孔的矢跨比大，拱腳降低，減小了拱腳水平推力對基底的力臂。大、小跨的恒載水平推力對基底的彎矩得到平衡。但拱腳不在同一水平，使橋梁外形欠美觀，構造也復雜。 調整拱上建筑的恒載重量 如要滿足美觀要求等，可用調整拱上建筑的重量來減小相鄰孔間的不平衡推力。于是大跨徑可用輕質的拱上填料或空腹式拱上建筑，小跨徑用重質的拱上填料或實腹式拱上建筑，以改變恒載重量來調整拱橋的恒載水平推力。 三種措施中，從橋梁外觀考慮，以第三種

8、為好，在設計中，可將幾種措施同時采用。如仍不能達到完全平衡推力的目的，則需設計成體型不對稱的或加大橋墩和基礎尺寸來解決。 3、拱軸線的選擇 拱軸線的形狀：直接影響著拱圈的承載能力；影響結構耐久性、經濟合理性和施工安全性等。 合理拱軸線：與拱上各種荷載作用下的壓力線相吻合，這時拱圈截面只受軸向壓力，而無彎矩作用，從而能充分利用圬工材料的抗壓性能。 拱橋設計的拱軸線應滿足四方面的要求： 盡量減小拱圈截面的彎矩，使主拱圈在計入彈性壓縮、均勻溫降、混凝土收縮等影響下各主要截面的應力相差不大、且最大限度減小截面拉應力，最好是不出現拉應力； 對于無支架施工的拱橋，應滿足各施工階段的要求，并盡可能少用或不用

9、臨時性施工措施； 計算方法簡便，易為生產人員掌握； 線型美觀，便于施工。 目前常用拱軸線型有： (1)圓弧線 線型最簡單，施工最方便，容易掌握。但拱軸線與恒載壓力線偏離較大，使拱圈截面受力不均勻。 圓弧線常用于1520m以下的小跨徑拱橋。 (2)懸鏈線 實腹式拱橋恒載強度下的拱圈壓力線是一條懸鏈線。因此實腹式拱橋采用懸鏈線作拱軸線。 對于空腹式拱橋，恒載壓力線與拱軸線偏離。但這對拱圈控制載面的內力是有利的。為了設計方便，空腹式拱橋也廣泛采用懸鏈線作為拱軸線。 懸鏈線是目前我國大、中跨徑拱橋采用最普遍的拱軸線型。 (3)拋物線 在豎向均布荷載作用下，拱的合理拱軸線是二次拋物線。對于恒載強度接近均

10、布的拱橋，例如矢跨比較小的空腹式鋼筋混凝土拱橋的拱軸線可用二次拋物線。 鋼筋混凝土桁架拱和剛架拱等輕型拱上結構拱橋的拱軸線也用二次拋物線。 大跨徑拱橋如果拱上建筑布置很特殊(腹拱跨徑特別大)，為了使拱軸線與恒載壓力線基本吻合，采用高次拋物線(如四次或六次拋物線)作為拱軸線的。但計算工作量過大，計算難度大，很少采用。 總之， 小跨徑拱橋可采用實腹式圓形拱或實腹式懸鏈線拱； 大、中跨徑拱橋可采用空腹式懸鐵線拱； 輕型拱橋或矢跨比較小的大跨徑鋼筋混凝土拱橋可以采用拋物線拱。 二、簡單體系拱橋的構造 1、主拱圈的構造 主拱圈截面沿拱軸線有等截面或變截面兩種。 等截面拱：沿橋跨方向橫截面尺寸相同。由于構

11、造簡單，施工方便，因此它是目前采用最普通的形式。 變截面拱：主拱橫截面，從拱頂到拱腳是逐漸變化的。 無鉸拱是采用由拱頂向換腳逐漸增大的形式；三鉸拱或兩鉸拱截面在四分之一跨徑或跨中處較大，又稱鐮刀形的截面。 (1)板拱橋 矩形實體截面是圬工拱橋主拱圈的基本形式。 特點：構造簡單、施工方便，使用廣泛。 適用性：在地基條件較好的中、小跨徑圬工拱橋。 (2)肋拱橋 特點：截面抵抗矩較大，節省材料，截面形狀有矩形、T形、工形。 建筑材料：混凝土、鋼筋混凝土或鋼材等或若盛產石料則用石料修建拱肋。 適用：多用于較大跨徑的拱橋。(3)雙曲拱橋 雙曲拱橋主拱圈的組成：由拱肋、拱波、拱板和橫向聯系等組成。雙曲拱橋

12、主拱圈主要形式 主拱圈有多肋多波形式；拱肋也有多種形式。 特點：截面抵抗矩較大，節省材料。施工方便，廣泛應用。 缺點：施工工序多，組合截面整體性較差，易開裂等。 適用：只宜在中、小跨徑橋梁中采用。 橫向聯系： 作用：集中荷載作用下，保持各拱肋在橫向均勻變形，避免拱波頂出現的縱向裂縫。尤當寬橋時作用明顯。 常用型式：橫系梁和橫隔板，通常布置在拱頂、腹孔墩下面、分段吊裝的拱肋接頭處等，間距一般為 35m。在拱頂部分)加密。對于跨徑較小的寬橋，拱頂部分的橫向聯系更應加強。 (4)箱形拱 箱形拱，挖空率5070%，形成薄壁箱形。特點：與板拱相比：減少圬工體積，節省材料， 減輕重量，節省上、下部結構的造

13、價。 與雙曲拱橋相比：相同截面積下，截面抗正負彎矩能力較大，且抗扭剛度大，故截面經濟、橫向整體性強、穩定性好。 施工上：無支架施工，吊裝構件剛度大、穩定性好，操作安全。 缺點：箱形拱的制作要求高，需要較大的吊裝能力。 適用性：不適應地方群眾性建橋。跨徑在50m以上的大跨徑拱橋才用箱形拱。 單室箱采用矩形或工字箱形等。 特點：構造簡單，施工較方便，但一般只宜于現澆的窄橋或作為肋拱橋的箱形拱肋。 大跨徑箱形拱或肋拱橋，主拱圈一般采用多室箱。 2、拱上建筑的構造 按拱上建筑的構造方式有實腹式和空腹式兩種。 (1)實腹式拱上建筑 特點：構造簡單，施工方便，但填料數量較多，恒載較重，一般小跨徑拱橋才用實

14、腹式。 構成：由側墻、拱填料、護拱以及變形縫、防水層、泄水管和橋面鋪裝組成。 拱腹填料：施工有填充和砌筑兩種方式。 材料：就地取材，如礫石、碎石、粗砂或卵石、粘土等。要求透水性較好，成本較低，側墻推力小，或在地質條件較差的地區，用輕質材料(如爐渣、石灰、粘土等混合料)。 在多孔拱橋中，還設了護拱。 (2)空腹式拱上建筑 大、中跨徑的拱橋，常用空腹式拱上建筑，從而減小恒載，使橋梁輕巧美觀。空腹式拱上建筑主要有腹孔和腹孔墩。 1)腹孔 腹孔的型式和跨徑的選擇，考慮減輕拱上建筑的重量；避免荷載過分集中；拱橋外形協調和美觀。 腹孔的型式分為兩類：拱型腹孔和梁板式腹孔， 腹孔通常對稱地布置。 拱型腹孔：

15、圬工拱橋，節省鋼材。 拱型腹孔：在每半跨內的l/4 l/3，跨徑2.55.5m，小于l/8 l/15。等跨。拱圈可用石砌、混凝土預制或現澆的圓弧形板拱，矢跨比為1/21/6；雙曲拱的矢跨比1/41/8，微彎板的矢跨比1/101/12。 腹拱圈的厚度與它的構造型式和跨徑大小等有關。 緊靠橋墩(臺)的第一個腹拱，一般是將腹拱的拱腳直接支承在墩(臺)上，或跨越橋墩，使橋墩兩側的腹拱圈相連。 鋼筋混凝土梁或板式結構的腹孔型：大跨徑鋼筋混凝土拱或無支架施工的拱橋中。 腹孔布置與拱形腹拱基本一致，梁(板)及立柱等可按鋼筋混凝土梁(板)橋及鋼筋混凝土結構計算配筋。 特殊情況下(如腹孔跨徑很大)還可采用預應力

16、混凝土的梁或板作腹孔。 全空腹式拱上建筑： 采用連續布設奇數腹拱的全空腹式拱上建筑的型式作用。 作用：避免驟變溫差加劇主拱頂下緣開裂；減輕結構重量；減小拱軸系數；以利于拱橋施工。但增大了橋梁標高，對城市或平原的拱橋不適用的。 2)腹孔墩 腹孔墩可分為橫墻式和立柱式兩種。 橫墻式：石砌、混凝土預制塊砌筑或現澆混凝土而成。橫墻挖孔是為節省圬工、減輕重量或便于檢修人員通行。 特點：自重大，但省鋼材，多用磚、石拱橋中。 立柱式：由立柱和蓋梁組成鋼筋混凝土排架結構，立柱下設底梁。立柱及蓋梁常用矩形截面。 在河流有漂流物或流冰時，不宜采用立柱式腹孔墩。 腹孔墩的側面一般做成豎直的，以利施工。 對于拱上結構

17、與主拱聯結成整體的鋼筋混凝土空腹式拱橋，在活載或溫度變化等因素作用下易使節點附近產生裂縫；為 了使拱上結構不參與主拱受力，使實際結構與按裸拱的計算圖式吻合，可將腹孔墩的上、下端設鉸。 同時在靠近拱頂處的12根高度較小的矮立柱 上、下端設鉸。 3、細部構造伸縮縫與變形縫 在相對變形(位移或轉角)較大的位置設置伸縮縫，而在相對變形較小處設置變形縫。 為使結構的計算圖式與實際受力情況相近，避免拱上建筑不規則地開裂，以保證結構的安全使用和耐久性，除在設計計算上應考慮外，還需在構造上采取必要的措施。 實腹式拱橋的伸縮縫設在兩拱腳的上方，并貫通全橋寬和側墻全高。伸縮縫一般直線形。 拱式拱上結構的空腹式拱橋

18、，將緊靠橋墩(臺)的第一個腹拱圈做成三鉸拱，并在靠墩臺的拱鉸上方的側墻上，設置伸縮縫，在其余兩鉸上方的側墻，設變形縫。 在大跨徑拱橋中，必要時還需將靠近拱頂的腹拱圈或其它腹拱也做成兩鉸拱或三鉸拱。拱鉸上面面的側墻也需相應設置變形縫。 對于梁板式拱上結構，宜在主拱圈兩端的拱腳上設置腹孔墩或采取其它措施與橋墩(臺)設縫分開，梁或板與腹孔墩的支承連接宜采用鉸接，以適應主拱圈的變形。 伸縮縫的寬度為0.020.03m。施工時用預制板嵌入砌體或埋入現澆混凝土中。 變形縫則不留縫寬，用干砌或油毛氈隔開即可。 拱橋中鉸的設置 設鉸有三種情況： 主拱圈按兩鉸拱或三鉸拱設計時， 空腹式拱上建筑的腹拱圈是兩鉸或三

19、鉸拱，或較矮的腹孔墩上、下端與頂梁、底梁連接處需設鉸時； 施工中為消減主拱圈的附加內力，以及調整主拱圈內力，拱腳(頂)需設臨時鉸。 前兩種永久性鉸：長期使用，構造復雜，造價高。臨時鉸：施工結束或基礎變形趨于穩定時封固，構造較簡單。 拱鉸的常用型式有弧形鉸、平鉸或其它型式的假鉸。 弧形鉸：用石料、混凝土、鋼筋混凝土等材料均可做成弧形鉸。鉸的寬度應等于構件的全寬。弧形鉸，主要用來作為主拱圈的拱鉸。鋼筋混凝土弧形鉸石弧形鉸 石拱橋的拱鉸，多用現澆混凝土鉸代替石鉸。當跨徑較大，用鋼筋混凝土拱鉸，其鋼筋布置按計算及構造要求確定。 平鉸：空腹式拱上建筑的腹拱圈，常采用。 特點：構造簡單，平面相連，直接抵承

20、。平鉸 不完全鉸：一般在預制吊裝的鋼筋混凝土腹拱圈中，設置不完全鉸(或稱假鉸)。它構造簡單，使用較廣泛。 柱鉸：在鋼筋混凝土空腹式拱橋腹孔墩上、下端設置，這種鉸一般為構造簡單的不完全鉸。 鉛墊板鉸或鋼鉸：在跨徑特大或在特殊情況時用。目前在拱橋中很少采用。鉛墊板鉸 4、其它類型拱橋的構造 橋型：小型農橋及大型公路橋、城市橋； 材料：鋼筋混凝土結構或主體結構用預應力混凝土預制小構件，拼裝成大型塊件。 (1)桁架拱橋 1)特點 結構受力合理，整體性強，節省材料，自重較輕等特點。 混凝土用量較輕型雙曲拱橋還要節省30，僅與鋼筋混凝土T形梁相當。 鋼材用量與輕型雙曲拱橋接近，比梁式橋則節省較多。 適用性

21、：桁架拱橋對軟土地基有較好的適應性。 2)主要構造 上部結構一般由桁架拱片、橫向聯結系和橋面三部分組成。 桁架拱片是桁架拱橋的主要承重結構。 桁架片由上弦桿、腹桿、下弦桿和拱頂實腹段組成。 腹桿包括斜桿和豎桿。根據腹桿的不同布置情況，可分為豎桿式、三角形、斜壓桿和斜拉桿等四種型式。斜壓桿豎桿式三角形斜拉桿 豎桿式：外形美觀，施工較方便，但整體剛度較小，豎桿與上、下弦桿連接的節點處易開裂，故適用于荷載小、跨徑較小的橋梁。 三角形腹：腹桿根數少，用料省，整體剛度較大。但節間長度過長，配筋量過大。 豎桿式三角形 斜壓桿：斜桿的長度隨矢高和節間長度的增大而顯著增長，尤其第一個節間內的斜桿更易失穩。 斜

22、拉桿：斜桿受拉而豎桿受壓，為了避免拉桿及節點處開裂，減小截面尺寸，采用預應力混凝土斜拉桿，是常采用的型式。 斜壓桿斜拉桿 橫向聯系：由拉桿、橫系梁、橫隔板和剪刀撐等組成。 (2)剛架拱橋 是有推力的高次超靜定結構。 特點：構件少，自重輕，整體性好，剛度大，施工簡便，經濟指標較先進，造型美觀等優點，因此得到了廣泛應用。 上部結構由剛架拱片、橫向聯結系和橋面系等部分組成。 有推力的高次超靜定結構剛架拱橋結構構造 剛架拱片是剛架拱橋的主要承重結構。 構造：由跨中實腹段的主梁、空腹段的次梁、主拱腿(主斜撐)、次拱腿(斜撐)等構成。 布置：當l30m時，只設主拱腿的最簡單型式； 當l=3050m時，設置

23、主拱腿和一個次拱腿； 當l50m，設置主拱腿和多條斜腿。 斜腿可直接支承在橋墩(臺)上，也可支承在主拱腿上。第五章 其它形式的橋梁第一節 混凝土斜拉橋 一、基本作用和特點 用多根斜索拉住橋面，跨越較大的河谷障礙的橋叫斜拉橋。 預應力混凝土斜拉橋是組合體系橋型，由斜索(斜纜)、塔柱和主梁三部分組成。 斜索：高強度鋼索，從塔柱上伸出并懸吊起主梁，對混凝土主梁起著彈性支承的作用。 主梁：大跨度主梁，相當于多跨彈性支承連續預應力梁。 塔柱：主梁荷載由斜索、塔柱等傳遞給地基。 特點：節省材料；經濟合理，利于制作與安裝；充分利用高強材料；結構輕巧，適用性強；建筑高度小；抗風穩定性強；懸臂法施工和架設； 缺

24、點： 高次超靜定結構，設計變量多，計算復雜； 索與梁或塔的連接構近比較復雜； 施工中高空作業較多，且技術要求嚴格。 二、結構體系 懸浮體系，支承體系，塔梁固結體系和剛構體系。它們的基本特點是： 1、懸浮體系，也稱飄浮體系，是彈性支承的單跨梁。主梁的變形和內力的變化較平緩，全跨滿載時塔柱處沒有負彎矩的尖鋒，而彎矩值不到其他三種體系的一半。 缺點是橫向隨意“擺動”，故必須施加一定的橫向約束，改善動力性能。 采用懸臂法施工，靠近塔柱處的梁段應設置臨時支點。 塔墩支點處產生負彎矩尖峰，須加強該段的主梁截面。主梁設置活動支座，支承體系在橫橋方向亦須在橋臺和塔墩處設置側向水平約束來改善體系的抗震性能。 支

25、承體系用懸臂施工。 2、支承體系，彈性支承的三跨連續梁。 3、塔梁固結體系，相當于梁頂面用斜索加強的一根連續梁。主梁在墩頂處的轉角位移會導致塔柱傾斜，使柱頂產生較大水平位移，這樣就顯著增大了主梁的跨中撓度和邊跨的負彎矩，這是體系的弱點。 該體系設置很大噸位的支座。 但剛結點和墩腳處的溫度附加彎矩很大。為消減溫度內力，在主梁跨中設置可以容許水平移動的剪力鉸，或者設置掛梁。 4、剛構體系： 彈性支承的剛構。 優點：剛度大，梁、塔、墩固結處能抵抗大負彎矩。 總之，懸浮體系：受力較勻稱，主梁可作成等截面，抗風、抗震性能也較好，是采用較多的結構體系。 支承體系：不比懸浮體系有多大的優越性。 塔梁固結體系

26、：塔柱內力最小，溫度內力也最小，僅主梁邊跨負彎矩較大，整體剛度較小，也是可以考慮采用的結構體系，但支座噸位大。 剛構體系：溫度內力巨大，一般都做帶掛梁型式，它適用于對抵抗地震和風振無特殊要求的場合。 三、構造布置 1、斜索 斜索是斜拉橋的主要承重構件，宜用抗拉強度高、疲勞強度好和彈性模量較大的鋼材做成。斜索的造價約占全橋造價的2530。目前一般采用平行高強鋼絲束、平行鋼絞線、低合金鋼筋等。 斜索本身的構造分為剛性索與柔性索。 斜索的立面布置形狀有： (1)輻射式斜索傾角大，鋼索用量省。 缺點：塔柱受力不利，塔頂因斜索集中而使錨固困難。斜索傾角不一，錨具墊座的制作與安裝復雜。 (2)豎琴式斜索傾角相同，連接構造容易，塔柱受力較有利。外形簡潔美觀。 缺點是：傾角小，工