大跨度拱桥
以承受轴向压力为主的拱圈或拱肋作为主要承重构件的桥梁,拱结构由拱圈(拱肋)及其支座组成。
拱桥可用砖、石、混凝土等抗压性能良好的材料建造;大跨度拱桥则用钢筋混凝土或钢材建造,以承受发生的力矩。
按拱圈的静力体系分为无铰拱、双铰拱、三铰拱。
前二者为超静定结构,后者为静定结构。
无铰拱的拱圈两端固结于桥台,结构最为刚劲,变形小,比有铰拱经济,结构简单,施工方便,是普遍采用的形式,但修建无铰拱桥要求有坚实的地基基础。
双铰拱是在拱圈两端设置可转动的铰支承,结构虽不如无铰拱刚劲,但可减弱桥台位移等因素的不利影响,在地基条件较差和不宜修建无铰拱的地方,可采用双铰拱桥。
三铰拱则是在双铰拱的拱顶再增设一铰,结构的刚度更差些,拱顶铰的构造和维护也较复杂,一般不宜作主拱圈。
拱桥按结构形式可分为板拱、肋拱、双曲拱、箱形拱、桁架拱。
拱桥为桥梁基本体系之一,一直是大跨径桥梁的主要形式。
拱桥建筑历史悠久,20世纪得到迅速发展,50年代以前达到全盛时期。
古今中外名桥遍布各地,在桥梁建筑中占有重要地位,适用于大、中、小跨径的公路桥和铁路桥,更因其造型优美,常用于城市及风景区的桥梁建筑。
其中按照规范跨度大于四十米的拱桥就称为大跨度拱桥,按照目前技术水平,跨度大于100米的拱桥才称得上大跨度拱桥。
在大跨度拱桥中按照拱轴线的型式可分为:圆弧拱桥、抛物线拱桥、悬链线拱桥。
圆弧拱桥:拱圈轴线按部分圆弧线设置的拱桥。
优点构造简单,石料规格最少,备料、放样、施工都很简便;缺点是受荷时拱内压力线偏离拱轴线较大,受力不均匀。
如图所示,有一座拱桥圆弧形,它的跨度为60米,拱高为18米,当洪水泛滥到跨度只有30米时,就要采取紧急措施,若拱顶离水面只有4米,即PN=4米时,是否采取紧急措施?
解:不采取紧急措施。
其理由如下:设半径OA=∵AB=60 PM=18∴AM=30 OM=18∴在Rt△AOM中,由勾股定理,得:
解得:=34 即:OA=34OM=16 连接OA,则:OA =34ON=(PM―PN)+OM=(18―4)+16=30 ∴在Rt△A ON中,由勾股定理得:
解得:A N=16 则:32>30 所以不采取紧急措施。
抛物线拱桥:拱圈轴线按抛物线设置的拱桥,是悬链线拱桥的一种特例。
优点是弯矩小,材料省,跨越能力较大;缺点是构造较复杂,如果是石拱桥则料石的规格较多,施工较不方便。
如图,有一座抛物线形的拱桥,桥下面处在目前的水位时,水面宽AB=10m,如果水位上升2m,就将达到警戒线CD,这时水面的宽为8m.若洪水到来,水位以每小时0.1m速度上升,经过多少小时会达到拱顶?
解:以AB所在的直线为x轴,AB中点为原点,建立直角坐标系,则抛物线的
顶点E在y轴上,且B 、D两点的坐标分别为(5,0)、(4,2)
设抛物线为y=ax2+k.
由B、D两点在抛物线上,有
解这个方程组,得所以,
顶点的坐标为(0,)则OE=÷0.1=(h)
所以,若洪水到来,水位以每小时0.1m速度上升,经过小时会达到拱
顶.
悬链线拱桥:拱圈轴线按悬链线设置的拱桥。
优点是受力均匀,弯矩不大,节省材料。
多适用于实腹拱桥,大跨度的空腹拱桥中也常常采用这种线形布置。
除了按拱轴线形不同外,它还可以按材料分,石拱桥,钢,钢管混凝土,劲性混凝土。
按拱圈(肋)的静力图式分:有无铰拱、双铰拱、三铰拱(见拱)。
三铰拱:在拱冠与拱端处均设铰的拱桥,属于静定结构。
优点是对混凝土收缩、徐变、温度变化,以及墩台位移不受影响,适用于地质条件差而要求修建大跨度桥的场合。
缺点是结构复杂,施工麻烦,维护费用高,整体刚度差,由因三处设置铰,故对应的桥面处亦需设置构造缝;拱圈挠曲在铰处急剧变化,因而对行车不利。
所以,我国仅在一些较小跨径的桥上采用。
两铰拱:拱圈中间无铰而两端设铰与墩台铰接的拱桥,属于外部一次超静定结构。
其优点是,拱脚处不承受弯矩,较无铰拱桥可减小混凝土收缩、徐变,温度变化,以及墩台位移的影响。
缺点是,构造较复杂,对应的桥面处应设置构造缝,施工亦较麻烦,对地基要求比较高,但较无
铰拱对地基要求略低。
无铰拱:又称固端拱桥。
拱圈两端嵌固在桥墩上而中间无铰的拱桥,属于外部三次超静定结构。
优点是,较有铰拱桥桥内的弯矩分布合理,材料用量较省,结构刚度大,结构简单,施工方便,维护费用少,还可以将拱脚设计在洪水位以下,有利于降低桥面的设计标高,具有较好的经济与使用效益。
缺点是,对混凝土收缩、徐变、温度变化,以及墩台位移最敏感,会产生附加应力,应建设在可靠的地基上。
虽然这种分类方式构造不同,但三种拱轴线形都可取用。
大跨度主要用的材料是钢,钢管混凝土,劲性混凝土。
主要有的施工方法是预制拼装法,转体法,劲性骨架施工法。
大跨度拱桥的计算手段如下,施工过程的应力,稳定性控制,根据具体施工工序流程,施工阶段逐步进行计算,施工过程计算占全部计算量的百分之六十以上。