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武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 第二章 拱桥构造与设计 【教学要点】

拱桥整体布置与设计构思；简单体系拱桥构造；组合体系拱桥构造。 【教学要求】

掌握拱桥设计标高和矢跨比的确定；熟悉拱轴线的选择及不等跨连续拱的处理；掌握板拱、肋拱、箱形拱的主拱圈和拱上建筑构造及有关尺寸拟定；熟悉中下承式拱和桁架拱及刚架拱桥构造及有关尺寸拟定。

【重点难点】

重点：拱桥设计标高和矢跨比的确定，板拱、肋拱、箱形拱主拱圈和拱上建筑的构造及有关尺寸拟定。

难点：不等跨连续拱的处理；中下承式拱和桁架拱及刚架拱桥的构造及有关尺寸拟定。 【本章知识点】

第一节 拱桥整体布置与设计构思 1.设计标高和矢跨比的确定

拱桥布置十分重要，是全局性问题，牵涉到地质条件、桥址环境及两岸接线等各方面因素。

总体布置主要内容包括拟采用拱桥结构形式及结构体系；确定桥梁长度、跨径及孔数；拱主要几何尺寸，如矢跨比、宽度、高度等；桥梁高度；墩台及其基础形式和埋置深度；桥上及桥头引道纵坡等。

1）确定桥梁长度及分孔

通过水文水力计算、泄洪总跨径计算和技术经济等方面比较，确定两岸桥台台口之间总长度，再综合考虑纵、平、横三个方向桥梁与两端路线衔接，确定桥台位置和长度，桥梁全长便被确定。

在桥全长确定后，可以进一步对拱桥分孔。拱桥分孔就是根据桥址处地形、地质、水位及通航要求等情况，并结合选用结构体系、结构型式和施工条件，确定选择单孔还是多孔。

如果跨越通航河流，还应按考虑通航孔和不通航孔。分孔除应保证净孔径之和满足设计洪水通过的需要外，还应确定一孔或两孔作为通航孔。

通航孔径和通航标高大小应满足航道等级要求，通航孔的位置通常布置在常水位时的河床最深处或航行最方便的地方。

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 对航道可能变迁的河流，必须多设几个通航的桥跨，即使主河道位置变迁时，也能满足通航要求。

对不通航或非通航河段，桥孔的划分可按经济原则考虑，尽量使上、下部结构总造价最低。

2）确定桥梁设计标高和矢跨比

拱桥标高主要有桥面标高、拱顶底面标高、起拱线标高和基础底面标高。

桥面标高代表建桥高度，特别在平原区，相同纵坡，桥高会使两端引桥或道路工程显著增加，提高桥梁总造价。

如果桥修矮了，不但有遭受洪水冲毁的危险，而且往往影响桥下通航的正常运行，致使桥梁建成后带来难以挽救的缺陷。

建在山区河流上拱桥，两岸公路路线位置一般较高，桥面标高一般由两岸线路纵面设计所控制。对跨平原区河流拱桥，其桥面最小高度一般由桥下净空所控制。

为保证桥梁安全，桥下必须留有足够排泄设计洪水流量的净空。对有淤积河床，桥下净空应适当加高。对通航河流，通航孔最小桥面高度，除满足以上要求，还应满足对不同航通等级所规定桥下净空界限的要求。

设计通航水位，一般是按照一定设计洪水频率进行计算，并与航运部门具体协商决定。 拱桥桥面标高一方面由两岸线路的纵断面设计来控制，另一方面要保证桥下净空能满足通航及泄洪的要求。

当桥面标高确定后，由桥面标高减去拱顶处的建筑高度（拱顶填料厚度和主拱圈厚度），就可以得到拱顶底面标高。

起拱线标高由矢跨比要求确定。基础底面的标高，主要根据河流的冲刷深度，基础位置处地质情况，地基承载能力等因素确定。

主拱圈矢跨比是拱桥设计的主要参数之一，它不但影响主拱圈内力，还影响拱桥构造型式和施工方法选择，应根据通航、泄洪和上下部结构受力等综合因素确定矢跨比。

拱的水平推力与垂直反力之比值，随矢跨比的减少而增大。当矢跨比减小，拱的推力增加。反之则推力减小。推力大，相应地在主拱圈内产生的轴向力也大，对主拱圈本身是有利的，但对墩台基础不利。同时，矢跨比小，则弹性压缩、混凝土收缩和温度等附加内力均较大，对主拱圈又不利。

另外，拱桥与周围环境是否协调，外形是否美观，也与矢跨比有很大的关系。在设计时，矢跨比的大小应经过综合比较进行选择。

通常，对于砖石、混凝土拱桥和双曲拱桥，矢跨比一般为1/4-1/8，箱形拱桥矢跨比一

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 般为1/6-1/10。但拱桥最小矢跨比不宜小于1/12。

一般将矢跨比大于或等于1/5拱称为陡拱，矢跨比小于1/5的称为坦拱。 2.拱轴线的选择

选择拱轴线原则：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：恒载作用下拱轴线与压力线偏离较大，拱圈各截面受力不均匀。 2)悬链线：恒载作用下拱轴线与压力线相吻合，拱圈各截面受力较均匀。 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。

一般情况，上承式小跨径拱桥可采用实腹式圆弧拱或实腹式悬链线拱；大、中跨径上承式拱桥可采用空腹式悬链线拱；轻型拱桥、矢跨比较小的各种大跨径拱桥可以采用抛物线拱。

3.不等跨连续拱的处理

一般情况下，多孔拱桥最好选用等跨分孔的方案。但有时受地形、地质、通航等条件的限制，或引桥很长，考虑与桥面纵坡协调一致，或对桥梁美观有特殊要求，可考虑用不等跨分孔的办法处理。

不等跨拱桥，由于相邻两孔的恒载推力不相等，使桥墩和基础增加了恒载不平衡水平推力。

为改善桥墩受力状况，可采取措施： 1）采用不同的矢跨比。

利用矢跨比与推力大小成反比的关系，相邻两孔，大跨径用较陡拱，小跨径用较坦拱，使相邻两孔在恒载作用下的水平推力大致相等。 2）采用不同的拱脚标高。

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计

采用不同矢跨比，致使相邻两孔拱脚标高不在同一水平线上，因大跨径孔的矢跨比大，拱脚降低，减小了拱脚水平推力对基底的力臂，可使大跨与小跨的恒载水平推力对基底产生的弯矩得到平衡。

3）调整拱上建筑的恒载重量。

大跨径用轻质拱上填料或采用空腹式拱上建筑，小跨径用重质拱上填料或采用实腹式拱上建筑。

用增加小跨径拱的恒载重力来增大恒载的水平推力。 4）采用不同类型的拱跨结构。

小跨径用板拱或厚壁箱拱结构，大跨径用分离式肋拱或薄壁箱拱结构，以减轻大跨径拱恒载质量来减小恒载水平推力。

为进一步减小大跨径拱的恒载水平推力，可将大跨径部分做成中承式拱。

也可将以上几种措施同时采用。若仍不能达到平衡推力的目的，可加大桥墩和基础尺寸，或将其做成不对称的形式。

第二节 简单体系拱桥构造 一、拱圈构造

1、板拱（带肋板拱） （1）拱圈宽度确定

其宽度一般由桥面宽度确定，人行道可放置或悬挑在拱圈上。 桥规规定：当拱圈宽跨比B/L＜1/20时，应验算拱圈的横向稳定性。 （2）拱圈高度

根据跨径、矢高、荷载大小及材料等试算确定。 等厚小跨径石拱桥h=45·m·k·l01/3

h为拱圈高度mm，l0为拱圈净跨径m，m为系数,取值随矢跨比的减小而增大,一般取β=4.5-6.0，k为荷载系数,一般取1.4和1.2。

变厚小跨径石拱桥h=α（1+l0) (α= 0.13-0.17的系数） （3）拱圈截面变化(少采用) 等截面 变截面

变宽，不变高

变高，不变宽（与内力变化趋势相同）

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 变宽：可有效提高拱圈的横向稳定性，对大跨径拱肋或窄拱圈有重要意义，但增大了墩台宽度，增加造价。多用于中承式拱桥。

镰刀形拱：由于减小拱脚截面可有效降低拱脚弯矩，使得弯矩在全跨均匀分布，较经济合理，但该种形式适用于100m左右，少用。

（4）石板拱构造

（a）材料规格要求：石质均匀、不易风化、无裂纹，形状为长方形或楔形，强度等级不应低于MU50;砌筑砂浆对大、中跨径拱桥不应低于M10，对小跨径拱桥不应低于M7.5。

（b）错缝：料石拱，拱石受压面与拱轴线垂直，可不错缝，横向必须错缝10厘米以上；块石拱，择较大平面与拱轴线垂直，大头在上，错缝大于8厘米。

（c）限制砌缝宽度：砂浆强度小，通常规定缝宽料石拱小于2厘米，块石拱小于3厘米，片石拱小于4厘米；小石子混凝土砌筑，块石砌缝宽小于5厘米，片石砌缝宽为4-7厘米。

（d）设置五角石：在拱圈与腹拱墩及墩台连接处，设置特殊的五角石改善受力状况，目前也常采用现浇混凝土拱座。

（e）拱石编号：为便于拱石加工和确保施工砌筑要求，需对每块拱石进行编号。对等截面悬链线拱可采用多心圆代替悬链线放样。

（5）混凝土板拱构造 （a）素混凝土板拱

现浇素混凝土板拱：收缩应力大，加强养护。

预制块件砌筑板拱：简单预制块板拱；分肋合拢，横向填镶砌筑板拱；卡砌空心板拱。 （b）钢筋混凝土板拱

构造简单，外表整齐，轻巧美观，可设计成最小板厚。

可做成单条整体拱圈或多条平行板（肋）拱圈，施工可反复利用一套较窄的拱架与模板来完成，大大节省材料。

2、肋拱

拱肋质量小，恒载内力减小，相应活载内力的比重增大，可充分发挥钢筋等材料性能，具有较好经济性，已在大中型拱桥中广泛使用，并逐渐取代板拱。

拱肋是拱桥主要承重结构，可由混凝土、钢筋混凝土、劲性骨架混凝土、钢管混凝土组成。

拱肋的肋数、间距以及截面型式主要根据桥梁宽度、主拱制作材料、施工方法和经济性等方面综合考虑决定。

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 吊装能力满足要求时，为简化构造，宜采用少肋型式。

上下游拱肋最外缘的间距一般不宜小于跨径的1/15，以保证肋拱的横向整体稳定性。 3、双曲拱

1965年前后我国江苏省创造的桥型，由于主拱圈在纵横向均呈拱形而得名。 拱圈由四部分组成：拱肋、拱波、拱板和横向联系。

构造特点：

化整为零，再集零为整，以适应无支架施工但又无大型起吊设备情况。

施工时，先预制拱肋、拱波和横向联系（梁板），即化整为零；然后吊装钢筋混凝土拱肋成拱，并与横向联系构件组成拱形框架，在拱肋间安装拱波，随后浇筑拱板混凝土，形成主拱圈，即集零为整。

使用性能：

接缝较多，截面受力复杂，整体性差。

实践证明，该桥型问题多，受力部位严重开裂，存在安全隐患，目前几乎不再修建。 4、箱形拱

（1）箱板拱主要特点

1) 截面挖空率大，达50-60%，与板拱比，可节省圬工体积，减轻质量。

2）截面中性轴大致居中，对抵抗正负弯矩有几乎相等能力，能较好适应各截面正、负弯矩变化的情况。

3）为闭合空心截面，抗弯、抗扭刚度大，整体性好，应力分布比较均匀。 4）单根箱梁刚度较大，稳定性较好，能单片成拱，便于无支架吊装。 5）预制拱箱宽度较大，施工操作安全，易于保证施工质量。 6）制作要求较高，起吊设备较多，主要用于大跨径拱桥。 （2）箱板拱截面组合方式

①多条U形截面肋（整体性、单肋合拢稳定性差） ②多条工形截面肋（横向联接刚度、焊接条件差） ③多条闭合箱形肋

④单箱多室截面，用于不能采用预制吊装的特大桥，如万县长江大桥，KRK桥等。 （3）拱圈截面尺寸拟定

1）拱圈高度：主要取决于跨径，《拱桥设计手册》经验公式为：

Ld?（0??）k

100武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计

d—主拱圈厚度(cm)；L。其中：—主拱圈净跨径（cm）；单室箱?=70，?—系数，

多室箱?=60；k—荷载系数，公路-I级（即“汽车-超20级”）时可取1.2，公路-II级（即“汽-20级”）时取1.0。

2）拱圈宽度：一般为桥宽的0.6-1.0倍，不小于跨径1/20。

3）箱肋宽度：取决于吊装重量，目前国内吊装重量在90吨内，箱宽一般为1.2-1.7m。 4）顶底板及腹板尺寸：顶底板15-22cm，外腹板12-15cm，内腹板4-8cm，上部安装缝20cm，下部安装缝4cm。200米以上特大桥有例外。

（4）横隔板和横向联结

1）除了在段端部、吊扣点及拱上立柱处必设外，其余每隔3-5米设置一道，横隔板厚6-8厘米，中部常常挖空，便于施工行走。

2）肋间横向联接与拱肋形式有关，在横隔板处采用钢筋及钢板焊接等方法联接。 （5）拱箱接头 （6）肋间横系梁

要求具有一定刚度，使拱肋形成牢固的整体。其截面形式有工形、箱形及桁片等。在横系梁处箱内设横隔板，对箱形系梁，应设双横隔板，并在相应位置伸出预留钢筋。对桁片系梁则只需在上下弦杆位置有钢筋联接。

二、拱上建筑构造

拱上建筑—指桥面与主拱之间的结构，分为实腹式和空腹式两种。 1.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。 2.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

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 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；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

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 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

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。 四、中下承式拱桥构造要点

1.中下承式拱桥总体布置与适用情况

中下承拱桥保持上承式拱桥基本力学特性，可充分发挥拱圈混凝土材料抗压性能，一般适用于以下几种情况：

桥梁建筑高度受到严格限制，如采用上承式拱桥则矢跨比过小，可采用中下承式拱桥满足桥下净空要求。

不等跨拱桥，为平衡桥墩水平力，将跨度较大的拱矢跨比加大，做成中承式拱桥，从而减小大跨的水平推力。

平坦地形河流，采用中下承式拱桥可以降低桥面高度，有利于改善桥头引道纵断面线形，减少引道工程数量。

城市景点或旅游区，为配合当地景观而采用中下承式拱桥。 为推力拱，需要较好的地基。 2.中下承式拱桥基本组成和构造

中下承式拱桥的桥跨结构一般由拱肋、横向联系、系杆、吊杆和桥面系等组成。 拱肋是主要的承重构件。

横向联系设置在两片拱肋之间，以增加两片分离式拱肋的横向刚度和稳定性。 系杆沿拱肋纵向设置，以平衡拱肋水平推力。

吊杆和桥面系称为悬挂结构，桥面荷载通过它们将作用力传递到主结构拱肋上。 2.1 拱肋

组成拱肋的材料可以是钢筋混凝土、钢管混凝土、劲性骨架混凝土或纯钢材，两片拱肋一般在两个相互平行平面内。

为了提高拱肋的横向稳定性和承载力，可使两拱肋顶部互相内倾，称为提篮式拱。 拱肋的恒载分布比较均匀，拱轴线一般采用二次抛物线，也可以采用悬链线。

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 中下承式拱桥的拱肋一般采用无铰拱，以保证其刚度。

钢筋混凝土拱肋的截面形状根据跨径的大小、荷载等级和结构的总体尺寸，可以选用矩形、工字形、箱形或管形即构成钢管混凝土拱肋。

截面沿拱轴线的变化规律可以为等截面或变截面。 2.2 横向联系

为保证两片拱肋的面外稳定，一般须在两片分离的拱肋间设置横向联系。 横向联系可做成横撑、对角撑等型式。

横向联系设置受桥面净空高度的限制，其构件只容许设置在桥面净空高度范围之外的拱段。 对于中承式拱肋，还可以设置在桥面以下的肋段。

为满足规定的桥面净空高度要求，而不得不将拱肋矢高加大来设置横向构件。 为满足桥面净空要求和改善桥上的视野而取消行车道以上的横向构件，做成敞口式拱桥。

为保证敞口式拱桥横向刚度和横向稳定，可采取以下措施：

采用刚性吊杆，使吊杆与横梁形成一个刚性半框架，给拱肋提供足够刚劲的侧向弹性支承，以承受拱肋上横向水平力；

加大拱肋宽度，使其本身具有足够的横向刚度和稳定性； 使拱脚具有牢固的刚性固结；

对中承式拱桥，要加强桥面以下至拱脚区段的拱肋间固定横梁的刚度，并设置K撑或X撑。

2.3 系杆

系杆拱设计，最关键问题是系杆的设置。既要考虑系杆与拱肋的连接，保证系杆能与拱肋共同受力，又要考虑系杆与行车道部分之间相互作用，避免桥面行车道部分阻碍系杆的受拉而遭到破坏，构造上常见的处理方法有：

1）行车道设横向断缝，使行车道与系杆分离，不参与系杆的受力作用，行车道板简支在横梁上，这种形式受力明确，用得较多。

2）采用型钢制作金属系杆，系杆与行车道完全不接触。为防止行车道参与系杆受力，一般在行车道内也要设横向断缝。

金属系杆外露部分容易锈蚀，需要采取防锈处理。温度变化时，外露系杆与拱肋钢筋混凝土的表面吸温及线膨胀系数有差别，会产生附加内力，使用较少。

3）采用独立钢筋混凝土系杆，每根系杆分为两部分，沿吊杆两边穿过，自由地搁置在

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 横梁上。

吊杆与横梁重叠搁置，建筑高度可能受到影响。一般尽量把系杆做得宽矮以增加柔性，常用于柔性系杆刚性拱。

4）采用预应力混凝土系杆，截面形式与拱肋截面形式一致。行车道可设横向断缝，但考虑行车条件，不设为宜。

预加压力可避免混凝土出现拉力，而使混凝土不出现裂缝，维修费用比钢系杆低，这种系杆较为合理。

刚性系杆是偏心受拉构件，截面一般设计为工字形或箱形，正负弯矩绝对值相差不大，钢筋宜靠上、下缘对称或接近对称布置。沿截面高度应布置适当数量的分布钢筋，防止裂缝扩展。

2.4吊杆

桥面系悬挂在吊杆上，受拉吊杆根据其构造分为刚性吊杆和柔性吊杆两类。 使用刚性吊杆可以增强拱肋的横向刚度，但用钢量大，施工程序多，工艺复杂。 刚性吊杆两端钢筋应扣牢在拱肋与横梁中，一般设计为矩形，吊杆除了承担轴向拉力，还须抵抗上下节点处的局部弯曲。

为减小刚性吊杆承受弯矩，其截面尺寸在顺桥向应设计小一些，横桥方向应设计大一些，以增加横桥向拱肋的稳定性。

柔性吊杆一般用高强钢丝和高强低松弛钢绞线或冷扎钢筋制作。高强钢丝做的吊杆，通常采用镦头锚，而粗钢筋则采用轧丝锚与拱肋横梁相连。

为提高钢索耐久性，必须对钢索进行防护。

为防止钢索锈蚀，要求防护层有足够强度而不至于开裂，有良好的附着性而不会脱落。 钢索的防护方法很多，主要有缠包法和套管法。

缠包法是采用耐候性防水涂料、树脂对钢丝进行多层涂覆，用玻璃丝布或聚酯带缠包。 套管法是在钢索上套上钢管、铝套、不锈钢管或塑料套管。在套管内压注水泥浆、黄油或其他防锈材料。

目前主要用PE热挤索套防护工艺，它直接将PE材料覆在钢束表面制成成品索，简单可靠，且较经济。

吊杆间距一般根据构造要求和经济美观等因素决定。间距大，吊杆数目减少，但纵横梁用料增多。反之，吊杆数目增多，纵横梁用料减少，一般吊杆间距为4-10米 ，通常吊杆取等间距。

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 2.5 桥面系

桥面系由横梁、纵梁、桥面板组成。 1）横梁

中承式拱桥桥面横梁可分为固定横梁、普通横梁及刚架横梁三类。

桥面系与拱肋相交处的横梁一般与拱肋刚性联结，其截面尺寸与刚度远比其他横梁大，通常称为固定横梁。

通过吊杆悬挂在拱肋下的横梁称为普通横梁，通过立柱支承在拱肋上的横梁称为刚架横梁。

横梁高度可取拱肋间距（横梁跨径）的1/10-1/15。为满足搁置和连续桥面板的需要，横梁上缘宽度不宜小于60cm。

固定横梁，由于位置特殊，它既要传递水平横向荷载，还要传递纵向制动力，承担由拱肋和桥面传递到该处的弯矩、扭矩和剪力，受力情况复杂，因此必须与拱肋刚性联结，且其外形须与拱肋及桥面系相适应。

在桥面与拱肋交界处，主拱肋占去一定宽度的桥面，为保证人行道不在此处变窄，固定横梁一般比普通横梁要长。常用截面形式有对称工字形、不对称工字形和三角形等。

普通横梁截面形式常用矩形、工字形或土字形。大型横梁也可采用箱形截面，其尺寸取决于横梁跨度（拱肋中距）和承担桥面荷载长度（吊杆间距）。一般为钢筋混凝土构件，跨度较大，也可采用预应力混凝土构件。

2）纵梁

横梁的间距一般在4-10米之间，纵梁多采用T形、Π形小梁，设计成简支梁结构或连续结构，或直接在横梁上满铺空心板、实心板。

3）桥面板

桥面板可与纵梁连成整体，形成T梁。也可在预制的纵梁上现浇桥面板形成组合梁。 另一种方法是在横梁上密铺预制空心板或实心板来取代桥面板和纵梁两者的作用。 桥面板一般为钢筋混凝土结构，也可采用预应力或部分预应力混凝土结构。 第三节 组合体系拱桥构造 一、整体式拱桥构造

1、桁架拱桥 （1）普通桁架拱桥 (a) 组成：

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 桁架拱片、横向联系、桥面。

(b) 一般特点：桁架拱片是主要承重结构，由上下弦杆、腹杆和实腹段组成整体，共同受力，各杆件主要承受轴力；桁架拱片在荷载作用下有水平推力，跨中实腹段受压为主；桁拱片外部为两铰结构，温变及变位引起的结构附加内力较小。

(c) 缺点：杆件纤细、模板复杂、浇筑及吊运要求高，节点是薄弱环节，常有开裂现象。

（d）桁杆布置形式：斜杆式、竖杆式和桁肋式。 （e）桁架拱结构主要尺寸

实腹段长度为计算跨径的0.3-0.5之间；节间长度不宜大于计算跨径的1/10左右；斜杆与上弦杆夹角应在30-50度之间；实腹段跨中截面高度大约为跨径的1/40左右；下弦杆常采用等截面形式，高度约为跨径的1/80；桁架拱片数和间距与桥宽、跨径及桥面板等有关。

（f）节点构造

各杆要相交于节点，避免产生附加弯矩；相邻杆件外缘交角以圆弧或直线过渡，不出现小于90度角；

腹杆主筋伸过上下弦杆轴线一定深度，拉杆不小于30d带钩；设置节点块包络钢筋，节点块范围内箍筋加密；预制装配时，现浇节点块部分将预制端面包入一定深度（5厘米）。

（g）桁架拱片与墩台的连接形式 悬臂式、过梁式、伸入式。 (h)桁架拱片的横向联系

横系梁，横拉杆，横隔板，剪刀撑。 （2）桁式组合拱桥

1）与普通桁架拱的主要区别在于上弦杆的断点，普通桁架拱没有断点，即在 l/4附近设一道断缝，使断点至墩台顶部形成一个与墩台固结的悬臂桁架。

2）两断点之间为一普通桁架拱，全桥下弦杆保持连续。

3）上弦杆断开，拉力减小很多。拱顶弯矩比同跨度的桁架拱减少1/3以上。 4）桁式组合拱常用于100米以上的特大型预应力砼拱桥，1995年建成的贵州江界河大桥，跨径达330米，居世界首位。

2、刚架拱桥 （1）刚架拱的特点

属于有推力的高次超静定结构；

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 具有构件少、质量轻、整体性好、刚度大； 施工简便、造价低、造型美观等优点； 广泛用于25-70米跨径的桥梁建造中。 （2）刚架拱组成

跨中实腹段主梁、主拱腿、空腹段次梁、次拱腿、桥面。 （3）刚架拱桥总体布置

跨径小于30米时，只设主拱腿（主斜撑）；跨径30-50米时，为减小次梁和斜撑内力，设置次拱腿；跨径大于50米，可设多根次拱腿支撑于墩台或主拱腿上；主节点和次节点均按固结设计，主拱腿和次拱腿的支座根据构造和计算图示采用固结和铰接；刚架拱片上缘线与桥面纵向平行；下缘线可采用抛物线、圆弧线和悬链线，使拱内弯矩最小为原则。 二、拱式组合桥构造

(一)拱式组合体系桥分类与特点

拱式组合体系桥是将梁和拱两种基本构件组合起来共同承受荷载,充分发挥梁受弯、拱受压的结构特性及其组合作用,达到节省材料的目的。

按照拱脚是否产生推力，拱式组合体系桥一般可分为有推力和无推力两种类型。 当建桥地质条件较好，可采用有推力的拱式组合体系桥。

无推力拱式组合体系桥，也称系杆拱桥，是外部静定结构，兼有拱桥的较大跨越能力和简支梁桥对地基适应能力强的两大特点，因而使用较多。

当桥面高程受到严格限制而桥下又要求保证较大的净空，或当墩台基础地质条件不良易发生沉降，但又要保证较大跨径，无推力拱式组合桥梁是较优越的桥型。

1.简支梁拱组合式桥梁

只用于下承式，为无推力的组合体系拱，拱肋结构一般为钢管混凝土和钢筋混凝土，桥面上常设风撑。

其外部为静定结构，内部为高次超静定结构。

根据拱肋和系杆相对刚度的大小，简支梁拱组合体系拱（系杆拱桥）可分为柔性系杆刚性拱、刚性系杆柔性拱、刚性系杆刚性拱三种基本组合体系。

（1）柔性系杆刚性拱

比普通下承式拱桥多设了承受拱肋推力的受拉柔性系杆，因而假设系杆和吊杆均为柔性杆件，只承受轴向拉力，不承受压力和弯矩。

拱肋按普通拱桥的拱肋一样考虑，为偏心受压构件。严格地讲，该假定只有在拱肋和

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 系杆刚度之比趋于无穷大时才成立。

可以忽略系杆承受的弯矩，认为组合体系中的弯矩均由拱肋承受，系杆只承受拉力，从而发挥材料的特性，节省钢材，减轻墩台负担，使这种体系能用于软土地基上。

（2）刚性系杆柔性拱

拱肋与系杆的刚度比相对小得多。

拱肋分配到的弯矩远小于系杆，可忽略拱肋中的弯矩，认为拱肋只承受轴向压力，系杆不仅承受拱的推力，还要承受弯矩，为拉弯组合梁式构件。

该体系以梁和系杆为主要承重结构，柔性拱肋对梁进行加劲，所以称为刚性系杆柔性拱。

特点是内力分配均匀，刚性系杆与吊杆及横撑可以组成刚度较大的框架，拱肋不会发生面内S形变形，在适用的跨度 (100m以下）内拱的稳定性有充分保证。

（3）刚性系杆刚性拱

其特点介于柔性系杆刚性拱和刚性系杆柔性拱之间。

拱肋和系杆都有一定的抗弯刚度，荷载引起的弯矩在拱肋和系杆之间按刚度分配，它们共同承受纵向力和弯矩，内力计算与实际情况比较接近。

拱肋和系杆是刚性的，拱肋和系杆的端部是刚性连接，这种体系刚度较大，用于设计荷载大的桥梁。

2.连续梁拱组合式桥梁

该体系可为上承式、中承式及下承式，也可为单肋拱、双肋拱或多肋拱与加劲梁组合。 双肋拱及多肋拱加劲梁的截面形式类似于简支梁拱组合式桥梁布置，而单片拱肋必须配置有箱形加劲梁，以加劲梁强大的抗扭刚度抵消偏载影响。

这种桥型造型美观，本身刚度大，跨越能力大。 3.单悬臂组合式桥梁

只适用于上承式，采用转体施工特别方便。但中间设置牛腿带有挂孔，桥梁整体刚度差，较少使用。

单悬臂梁拱组合式桥梁实际上是将实腹梁挖空，用立柱代替梁腹板，原腹板的剪力主要由拱肋竖向分力及加劲梁剪力平衡。

这样的结构加劲梁受拉弯作用，加劲梁采用预应力混凝土，拱肋为钢筋混凝土。 (二)系杆拱桥构造 1.拱肋

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 对柔性系杆刚性拱，拱肋的构造基本可参考普通下承式拱桥，拱肋截面可根据跨径的大小和荷载等级选用矩形、工字形或箱形，拱肋高度对于公路桥h=（1/30-1/50）l0

拱肋宽为肋高的0.4-0.5倍，一般矩形截面，用于较小跨径。 当肋高超过1.5-3.0m时，采用工字形或箱形较为合理。 柔性系杆刚性拱矢跨比一般在0.25-0.20之间。

刚性系杆柔性拱以梁为受力主体，拱肋在保证一定强度和稳定性条件下，拱肋高度多采用h=（1/100-1/120）l0

拱肋宽度一般采用1.5-2.5h，对公路桥，刚性系杆高度，跨度较大时，还可做成变截面。

柔性拱肋截面常采用宽矮实心截面，拱肋本身的横向刚度较大。

若采用钢筋混凝土吊杆，就可和横梁一道组成半框架，拱肋之间常可不设横撑，就足以保证侧向稳定性，因此刚性系杆柔性拱可以设计成敞口桥，使之视野开阔。

拱轴线通常采用二次抛物线。

刚性系杆刚性拱的拱肋高度h=（1/50-1/60）l0

拱肋宽度一般采用0.8-1.2h，拱肋与系杆的截面常设计成相同的几何形状，便于支承点处的构造连接，截面多采用工字形和箱形截面。

拱肋轴线一般为二次抛物线。 2.系杆和吊杆

系杆和吊杆是长而细构件，与中下承式拱桥构造基本相同。

1）采用钢筋混凝土吊杆，吊杆内受力钢筋环绕浇注在拱肋混凝土中的钢管弯转扣接，并将钢筋末端锚固，钢管直径应满足吊杆主筋的弯转规定。或将吊杆钢筋末端环绕拱肋内的粗钢筋弯转，然后焊牢，以形成环扣。

2）采用钢吊杆，可在拱肋中预埋槽钢或劲性钢筋，把钢吊杆直接悬挂在预埋槽钢或劲性钢筋上。

3）采用高强钢丝，可在拱肋中预埋管道，将钢丝末端锚固在拱肋上，通常锚头处要设置垫板，垫板下设置局部钢筋网，以分散作用在锚头处混凝土上的应力。

采用柔性系杆，为避免系杆出现较大弯矩，同时克服系杆截面高度较小而造成构造上的困难，通常将吊杆与横梁相连接。

采用刚性系杆，系杆截面高度较大，有可能允许把吊杆钢筋末端伸入系杆混凝土足够长，形成扣结，可将吊杆与系杆相连接。

武汉理工大学教案 《桥梁工程》 第四篇 拱桥 第二章 拱桥构造与设计 3.横向连接系

为保证拱肋的横向稳定，一般需在两拱肋间设置横向联系。

横向连接构件截面可设计成矩形、T形或箱形，平面上可布置成X形、K形或与纵向垂直，顺桥方向可布置成单数或双数。

通常以单数布置较多，即拱顶布置一根，两侧对称布置。 特点是可以改变纵向波形，缩短波长，提高结构稳定性。

横向连接构件主要是防止拱肋横向失稳的作用，从受力形式上看是以轴向压力和自身恒载为主，配筋原则上照此进行。

拱肋与横向构件交接部位设横隔板或浇筑成实心段，使横向连接构件的钢筋末端有足够的锚固长度。

【教学内容】

【演示文稿】

【习题作业】

1.确定拱桥的标高有哪几个? 2.什么是理想的拱轴线？ 3.不等跨拱桥处理方法有哪些? 4.肋拱的主要截面有哪些, 各有何特点? 5.箱形拱的主要特点是什么? 6.实腹式拱拱上建筑由哪几部分组成? 7.梁式腹孔结构有哪几种型式?

8.拱上填料和伸缩缝及变形缝有哪些作用? 9.中下承式拱桥由哪几部分组成? 10.系杆拱分成哪几类?

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