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​拱桥构造

futao 桥梁拆除 2019-05-29 4160 0
川渝拆除17713551981

拱桥构造

1主拱的构造

1.板拱

板拱可以是等截面圆弧拱、等截面或变截面悬链线拱或其他拱轴形式的拱。绝大多数是无铰拱,也可做成三铰拱和两铰拱。按照主拱所用材料,板拱又分为石板拱、混凝土板拱、钢筋混凝土板拱等。

(1)主拱截面宽度对于实腹拱桥,拱圈的宽度主要取决于桥面的宽度。当不设人行

图7-9拱圈宽度确定与人行道布置

图7-9拱圈宽度确定与人行道布置

道时,仅将安全护栏悬出5~10cm(图7-9a);当设人行道时,通常将栏杆(宽15~25cm)

悬出(图7-9b)。对于多孔或大跨径实腹式拱桥,可将单独设置的钢筋混凝土构件组成的人行道部分悬出(图7-9c),也可将设置在横贯全桥的钢筋混凝土横挑梁上的人行道全部悬出(图7-9d)。

当板拱用于空腹式拱桥时,拱圈宽度的拟定随拱上腹孔形式的不同而各异。对拱式腹孔,拱圈宽度拟定与实腹式拱相同;对于梁式腹孔,拱圈宽度通常均小于桥面宽度,通过拱上立柱盖梁将人行道或部分行车道悬挑出拱圈宽度以外,如图7-9e、f所示。

在拟定拱圈宽度时,要使桥面悬出长度适当,一般以1.0~2.5m为宜。悬臂太长时,虽减小了拱圈及下部结构尺寸,但也使悬臂构件用料增大,必要时还需采用预应力混凝土悬挑结构。

公路拱桥主拱圈宽度一般均大于跨径的1/20,随着跨径的增大,宽跨比在减小。按

《桥规》规定,若主拱圈的宽跨比小于1/20时,为了确保拱的安全可靠,则应验算其横向稳定性。

(2)主拱厚度及变化规律拱圈厚度可以是等厚度,也可以是变厚度,其值主要根据桥梁跨径、矢高、建筑材料和荷载等级大小等因素综合确定。

对于等厚度的小跨径石板拱桥,初拟厚度时可按下式估算h=45mk5(71)式中h——拱圈厚度(mm);

10——拱圈净跨径(m);m—一系数,一般为4.5~6.0,取值随矢跨比的减小而增大;k——荷载系数,对于公路一I级为1.4,公路一Ⅱ级为1.2。

大跨径石拱桥的拱圈高度,可参照已建成桥梁的设计资料拟定或参考其他经验公式进行估算。对于钢筋混凝土板拱,拱顶厚度ha可按跨径的1/60~1/70估算,跨径大时取小值;若采用变高度截面,拱脚厚度可按h;=ha/cosp;估算,拱脚截面倾角可近似取相应圆弧拱之值,即9;=2arctan(2f/1)。

拱圈截面沿跨径变化的规律应当适应拱内内力的变化,尽量使正应力沿拱轴方向保持均匀,有利于充分发挥拱的每个截面的材料强度。同时,截面变化形式还应使其构造简单,便于设计与施工。

荷载作用下,拱圈内存在轴力N、弯矩M和剪力Q。拱圈为偏心受压构件,拱内轴力N由拱顶向拱脚逐渐增大,为了使各截面的应力值趋于相等,拱圈的截面也应自拱顶向拱脚逐渐增大。拱内弯矩M的变化也较复杂,不仅与截面位置、荷载布置及拱的静力体系有关,在很大程度上还取决于拱截面惯性矩I的变化规律。如对于无铰拱桥,随着截面惯性矩的增大,截面的弯矩也将增大。计算表明,用增大截面惯性矩来减小弯曲应力的方法并不是最有效的,根据拱桥的试验可知,由于拱上结构与拱圈的共同作用,拱上结构对拱圈的内力(主要是指截面弯矩值)有明显的减载作用(对拱顶影响较小,对1/4拱跨至拱脚区段较显著)。因此,在一般情况下,为了方便施工,拱圈一般宜采用等截面。

目前在无铰拱桥设计中,对于跨径小于50m的石板拱桥,跨径小于100m的双曲拱、箱形拱或钢筋混凝土肋拱桥,均可采用等截面拱圈。只有在更大跨径或很陡的圬工拱桥中,为了节省圬工,减轻拱圈自重,可考虑采用由拱顶向拱脚增厚的变截面形式。无铰拱截面惯性矩变化规律如式(7-2),截面变化如图7-10所示。

1a[1-(1-n)5]cose式中I——拱圈任意截面惯性矩;

1.——拱顶截面惯性矩;g——拱圈任意截面的拱轴切线与水平线的倾角;

1a n——拱厚变化系数,可用拱脚处=1的边界条件求得,即n=,其中l;和9;

分别为拱脚截面的惯性矩和倾角。

可以看出,n值越小,截面的变化就越大,n=1时,I=Ia/coso,截面按余弦变化。

在设计时,可先拟定拱顶和拱脚两截面的尺寸,求出n,再求其他截面的I;也可先拟定拱顶截面尺寸和拱厚变化系数n,再求I。在公路圬工拱桥中,空腹式拱桥的n值一般取为0.3~

图7-10变截面拱圈的截面变化规律

图7-10变截面拱圈的截面变化规律

0.5;实腹式拱桥采用0.4~0.6;钢筋混凝土拱桥采用0.5~0.8。矢跨比较小的拱,取较小的n值,反之取较大的n值。

(3)石板拱的构造石板拱按照砌筑拱圈的石料规格,分为料石板拱、块石板拱、片石板拱以及乱石板拱等。用于砌筑拱圈用的石料应石质均匀、不易风化、无裂纹,石料强度等级不得低于MU40。砌筑用的砂浆的强度等级,在大、中跨拱桥中不得小于M10,小跨径拱桥不得小于M7.5。在有条件的地方,可以用小石子混凝土代替砂浆砌筑片石或块石板拱,不但砌筑强度比同强度的水泥砂浆砌筑的砌体强度高,而且节省水泥。

为了便于拱石加工和确保砌筑符合构造要求,需对拱石编号。对等截面圆弧拱,因截面相等,又是同心圆弧线,拱石规格较少,编号比较简单,如图7-11所示;当采用变截面悬链线拱圈时,由于截面发生变化,拱石类型较多,编号较复杂(图7-12),给施工带来很大的麻烦;对等截面悬链线拱,因内外弧线与拱轴线平行,拱石编号大为简化。目前,等截面石砌板拱桥修建得最为广泛。

图7-11等截面圆弧拱的拱石编号 a)单层拱石砌筑b)多层拱石砌筑

图7-11等截面圆弧拱的拱石编号

a)单层拱石砌筑b)多层拱石砌筑

图7-12变截面悬链线拱的拱石编号

图7-12变截面悬链线拱的拱石编号

在砌筑拱圈时,根据拱圈的受力的特点和需要,构造上应满足下列要求:

1)拱石受压面的砌缝应呈辐射状,即与拱轴线相垂直。这种辐射状砌缝一般可做成通缝,不必错缝。

2)当拱圈厚度不大时,可采用单层拱石砌筑(图7-11a),当拱圈厚度较大时,可采用多层拱石砌筑(图7-11b),但要求垂直于受压面的顺桥向砌缝错开,其错缝间距不小于10cm(图7-13)。

图7-13拱石的砌缝

图7-13拱石的砌缝

3)在拱圈的横截面内,拱石的竖向砌缝应当错开,错开宽度不小于10cm,如图7-13所示的I-I截面和Ⅱ-Ⅱ截面,以免因存在通缝而降低砌体的抗剪强度和削弱其整体性。

4)砌缝的缝宽,对料石拱应不大于2cm,对块石拱不大于3cm,对片石拱不大于4cm,采用小石子混凝土砌筑时,块石缝宽不大于5cm,片石砌缝宽为4~7cm。

5)拱圈与墩台及拱圈与空腹式拱上建筑的腹孔墩相连接处,应采用特殊的五角石(图7-14),以改善连接处的受力状态。为避免施工时损伤或被压碎,五角石不得带有锐角。目前,为简化施工,基本上都采用现浇混凝土拱座和腹孔墩底梁来代替复杂的五角石。

图7-14五角石及混凝土拱座、底梁

图7-14五角石及混凝土拱座、底梁

(4)混凝土板拱的构造

1)素混凝土板拱。在缺乏合格天然石料的地区,板拱可以采用素混凝土来建造。混凝土板拱拱圈可以整体现浇,也可以预制砌筑。整体现浇混凝土拱圈,拱内收缩应力大,受力不利;同时,拱架、模板木材用量大,工期长,质量不易控制,故较少采用。预制砌筑就是将混凝土板拱圈划分成若干块件,然后预制混凝土块件,最后将预制块件砌筑成拱。预制砌块在砌筑前应有足够的养护期,以消除或减少混凝土的收缩。

2)钢筋混凝土板拱。与石板拱相比,钢筋混凝土板拱具有外形美观、表面整齐、构造简单、板薄轻巧等特点(图7-15)。钢筋混凝土板拱可以做成全宽整体式板拱(图7-15a),也可以沿横向做成多条分离式平行板拱(图7-15b),后者可重复利用一套较窄的拱架和模板进行施工,同时可节省材料,减轻自重。

钢筋混凝土板拱的配筋由计算与构造要求决定。沿拱圈轴向所配置的纵向受力钢筋的最小配筋率一般为0.2%~0.4%,上下缘对称通长布置,以适应拱圈各截面的弯矩变化。无铰拱的纵向钢筋应伸入墩台并达到锚固要求。拱圈横向配置与受力钢筋相垂直的分布钢筋及箍

图7-15钢筋混凝土板拱截面

图7-15钢筋混凝土板拱截面

a)整体式板拱b)分离式平行板拱

筋,分布钢筋设在纵向主筋内侧,箍筋应将上、下缘主筋连起来,以防止主筋在受压时发生屈曲和在拱腹受拉时发生外崩。在拱脚及其他结点处横向钢筋按相关桥梁规范要求加密布置。

2.肋拱

为减轻结构自重,增大拱桥跨越能力,充分利用材料的强度,以较小的截面积获得较大的截面抵抗矩,将整块矩形截面划分成两条或多条分离式拱肋,这种由几条拱肋通过横系梁连接而成的拱桥,称为肋拱桥(图7-16)。上承式肋拱桥包括横系梁、立柱和有横系梁支承的行车道部分,下承式肋拱桥则将吊杆锚固在肋拱背上。

图7-16肋拱截面

图7-16肋拱截面

拱肋是肋拱桥的主要承重结构,通常由钢筋混凝土做成。近年来,钢管混凝土肋拱的应用日益广泛。拱肋的数目、间距及截面形式主要根据桥梁宽度、所用材料、施工方法与经济性等方面综合确定。一般在吊装能力满足要求的情况下,宜采用少肋形式。通常,桥宽在20m以内时均可考虑采用双肋式,当桥宽在20m以上时,为避免由于肋中距增大而使肋间横系梁、拱上结构横向跨度与尺寸增大太多,可采用三肋(多肋)拱或分离的双肋拱。三肋式拱的受力较复杂,且中肋长期处于高负荷状态,实际已很少采用。同时,为保证各肋拱的横向整体稳定性,肋拱两外侧拱肋最外缘的间距一般不宜小于跨径的1/20。

拱肋的截面形式分为矩形、工字形、箱形、管形等,如图7-17所示。

矩形截面构造简单、施工方便,但经济性差,一般仅用于中、小跨径的肋拱桥。在初拟尺寸时,矩形拱肋肋高可取跨径的1/60~1/40,肋宽可为肋高的0.5~2.0倍。工字形截面,由于截面核心距比矩形的大,可以降低截面的拉应力数值,能适应拱内弯矩更大的场合,因此,常用于大、中跨度的肋拱桥中。工字形拱肋的肋高为跨径的1/25~1/35,肋宽为肋高的0.4~0.5倍,腹板厚30~50cm。工字形拱肋虽在材料使用上比矩形截面节省,但有构造复杂、施工麻烦和拱肋横向刚度小等缺点。

图7-17肋拱拱肋的截面形式

图7-17肋拱拱肋的截面形式

a)矩形截面b)工字形截面

c)箱形截面d)管形混凝土材料拱肋截面

拱肋的纵向钢筋配置按使用期、施工阶段的受力和构造要求确定,箍筋按受压构件要求设置(图7-18),在拱脚处箍筋应加密布置。若采用支架施工且按受力要求不需要配置钢筋时,则应按构造要求布筋。采用无铰拱肋时,纵向钢筋应伸入墩台并达到锚固要求。当肋拱桥跨径大、桥面宽时,肋拱可以采用箱形截面,这样就可以减少更多的圬工体积。箱形截面拱肋的构造,详见本节后面箱形拱的有关内容。

管形肋拱是指采用钢管混凝土结构作为拱肋的拱桥。钢管混凝土肋拱断面中钢管的直径、根数、布置形式等应根据桥梁跨径、桥宽及受力等具体情况确定,一般有单管式、双管式(哑铃形)和四管式(梯形、矩形),如图7-19所示。钢管混凝土具有强度高、质量小、塑性好、耐疲劳和冲击等优点。

图7-18肋拱截面配筋

图7-18肋拱截面配筋

图7-19钢管混凝土拱肋形式

图7-19钢管混凝土拱肋形式

分离式的拱肋需设置横系梁,以增强肋拱横向整体稳定性,同时还可起到横向分布荷载的作用,因此要求横系梁具有足够的强度和刚度,并与拱肋牢固连接。横系梁一般可采用矩形或工字形,其尺寸应根据构造和对拱的横向稳定要求确定。一般横系梁高度与拱肋高相同,截面的短边不应小于其长度的1/15。横系梁一般可按构造要求配置钢筋,但不得少于4根(沿四周放置),并用箍筋组合形成骨架。横系梁与拱肋间的连接,可采用干接头或湿接头。干接头主要采用预埋钢板焊接,湿接头则分别在拱肋侧面与横系梁端留出连接钢筋,待横系梁安装就位后焊接钢筋并现浇接缝混凝土。

3.箱形拱

主拱圈(肋)截面由一个闭合箱(单室箱)或几个闭合箱(多室箱)构成的拱称为箱形拱。每一个闭合箱又由箱壁(侧板)、顶板(盖板)、底板及横隔板组成(图7-20)。箱形拱包括箱形板拱和箱形肋拱,由箱形截面组成的主拱圈截面外观如同板拱,故称为箱板拱。如果肋拱桥的拱肋截面为箱形,则称为箱肋拱。

图7-20箱形拱闭合箱的构造

图7-20箱形拱闭合箱的构造

(1)箱形拱的主要特点

1)箱形截面挖空率大。挖空率可达全截面的50%~70%,与板拱相比,可大量节省坛工体积,减轻重量。

2)箱形截面的中性轴大致居中,对抵抗正负弯矩具有几乎相等的能力,能较好地适应各截面正负弯矩变化的情况。

3)由于是闭合空心截面,抗弯抗扭刚度大,拱圈的整体性好,应力分布比较均匀。

4)单根箱肋的刚度较大,稳定性较好,能单片成拱,便于无支架施工。

5)预制拱箱的宽度较大,施工操作安全,易保证施工质量。

6)构造复杂,制作要求较高,需要较大的吊装能力。因此,跨径在50m以上的大跨径拱桥才宜采用箱形拱。

可以看出,箱形截面是大跨径拱桥一种比较经济合理的截面形式,因此,国内外修建的大跨径钢筋混凝土拱桥,绝大多数采用箱形截面。

(2)箱形拱截面的组成方式

1)由多条U形肋组成的多室箱形截面(图7-21)。它是将底板和箱壁预制成U形(开口)拱肋,并沿轴线方向一定间距内设置横隔板。采用分段预制,吊装合龙后安装预制盖板,再现浇顶板和箱壁接缝混凝土,形成箱形截面。盖板可以是平板或微弯板。U形肋的优点是预制时不需要顶板模板,只需在拱胎上立侧模板,吊装质量轻;缺点是现浇混凝土工作量大,盖板参与拱圈受力时作用不大,反而增加了拱圈质量,纵、横向刚度不够大,吊装及单肋合龙时的稳定性不易满足,目前已较少采用。

2)由多条工字形肋组成的多室箱形截面(图7-2)。由工字形拱肋组合的箱形拱,按其翼缘板的长度分为两种:一种是短翼缘工字形肋,拱肋合龙后在其肋上安装预制的底板,

图7-21U形肋组合箱截面形式

图7-21U形肋组合箱截面形式

再现浇底板和盖板的加厚层混凝土,形成闭合箱;另一种是宽翼缘工字形肋,翼缘板对接

图7-22工字形组合箱

图7-22工字形组合箱

a)短翼缘工字形组合箱b)宽翼缘工字形组合箱

后,即组合成箱形截面,省去了现浇混凝土部分,减少了施工工序。工字形拱肋的缺点是吊装稳定性较差,焊接下翼缘和横隔板的连接钢板时,工作条件差。

3)由多条闭合箱肋组成的多室箱形截面(图7-23a)。这种箱肋的特点是在预制过程中采用预制组拼工艺,即先将预制好的箱侧板和横隔板在拱胎上拼装起来,然后现浇底板和侧板与横隔板的接头,形成U形开口箱,最后在U形箱内立模现浇顶板形成闭合的箱肋。为了加强块件之间的连接,在箱壁和横隔板四周预留环状剪力钢筋及连接钢筋

图7-23箱壁横隔板连接示意

图7-23箱壁横隔板连接示意

(图7-23b)。闭合箱肋吊装成拱后,现浇肋间填缝混凝土形成多室箱形截面。闭合箱的优点在于,箱侧板和横隔板分块预制,可改为卧浇,采用干硬性混凝土,并在振动台上施工,可节省大量模板,提高工效,即使构件厚度只有5~6cm,仍能保证质量;同时,闭合箱的抗弯抗扭刚度大,吊装过程中的稳定性容易得到保证。

图7-24单箱多室截面

图7-24单箱多室截面

4)单箱多室截面(图7-24)。这种截面主要用于不能采用预制吊装的特大型拱桥。截面形成与施工方法有关,可以在支架上组装或现浇成形,也可以采用悬臂拼装或悬臂浇筑的方法

施工。当采用劲性骨架施工时,拱箱是在劲性骨架拱(钢管混凝土或型钢骨架)上分层分段浇筑而成的。

(3)拱圈截面尺寸的拟定拟定箱形拱截面尺寸主要包括拱圈的高度、宽度、箱肋的宽度、顶底板及腹板尺寸。

1)拱圈高度。拱圈的高度主要取决于拱的跨度,还与拱圈所用混凝土强度有很大关系。初拟拱圈的高度时可取跨径的1/75~1/55,或者按如下经验公式估算h=20A式中h——拱圈高度(m);10——拱圈净跨度(m);A——箱形拱取0.6~0.7,箱肋拱取0.8~1.0。

提高混凝土的强度,可以减小截面尺寸,从而减轻拱体自重或加大跨径。目前常用C30~C40混凝土,对特大跨径拱桥应尽量采用更高强度的混凝土。

2)拱圈宽度。箱形拱的拱圈宽度拟定与板拱相同,为了节省材料,可以采用悬挑桥面,减小拱圈宽度,即采用窄拱圈形式。拱圈宽度一般可为桥宽的0.6~1.0倍,桥面结构外悬拱圈的长度比板拱更大,一般为1.5~4.0m。对于特大跨径拱桥,拱圈宽度可能小于跨径1/20,不能满足拱圈横向稳定的构造要求,故需进行必要的稳定性分析,以确保拱圈有足够的安全度。

3)箱肋的宽度。箱肋是组成预制吊装施工的箱形拱桥的基本构件。拱圈宽度确定后,在横向划分为几个箱肋,主要取决于(缆索)吊装能力。拱圈宽度一定时,箱肋宽度大,则箱肋数少,横向接缝少,整体性强,单箱肋安装时的横向稳定性好,但吊装重量大,设计时必须充分考虑施工设备和起吊能力,一般箱肋宽度为1.2~1.7m。

4)顶底板及腹板尺寸拟定。对由多个闭口箱组成的箱形拱,其截面各部分尺寸采用何值与跨径及荷载大小有关。顶、底板厚度一般取15~22cm,可以等厚,也可以不等厚,跨径大但拱圈窄时取大值。两外边箱外腹板厚一般为12~15cm,内箱肋腹板厚常取5~6cm,以尽量减轻起吊重量。需要注意的是,在国内外工程实践中不乏因拱圈顶、底板和腹板太薄而出现压溃现象,究其原因,主要是构造尺寸太小和混凝土允许应力值太大,因此,必须进行压溃和局部弯矩验算。箱肋间的填缝宽度应根据受力大小(主要是轴应力)确定,一般取20~35cm,但为保证填缝混凝土浇筑质量,常取24cm,其中4cm为两箱肋间的安装缝。

对采用转体施工或其他施工方法施工的箱形拱桥,拱箱顶、底板和腹板的厚度应根据受力状态和施工需要综合确定。如采用转体法施工的200m的重庆涪陵乌江大桥为单箱三室截面,其顶、底板和腹板厚度均取20cm;采用劲性骨架施工的万县长江大桥为单箱三室截面,顶、底板厚度为40cm,腹板厚为30cm。

4.双曲拱

双曲拱是20世纪60年代中期我国江苏省无锡县的建桥职工首创的一种桥梁。由于拱圈在纵、横向均呈拱形而得名。这种拱桥结构充分利用了预制装配的优点,可以不要拱架,节省木材,加快施工进度,所耗钢材也不多,因此,在它出现之后,很快得到了广泛采用。双曲拱主拱圈的特点是先化整为零,再集零为整,以适应无支架施工和无大型起吊机具的情况。

图7-25双曲拱圈横截面

图7-25双曲拱圈横截面

双曲拱圈由拱肋、拱波、拱板和横向连系等部分组成(图7-25)。施工时,先将拱圈划分成拱肋、拱波、拱板及横向连系四部分,并预制拱肋、拱波和横向连系(梁板),即化整为零;然后吊装钢筋混凝土拱肋成拱并与横向连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。

图7-26双曲拱圈截面形式 a)、b)、c)多肋多波d)双肋单波

图7-26双曲拱圈截面形式

a)、b)、c)多肋多波d)双肋单波

根据桥梁的跨度、宽度、设计荷载的大小、所用材料以及施工等不同情况,双曲拱圈的截面有多种形式(图7-26),目前采用最多的是多肋多波形式(图7-26a、b、c)。一般说来,肋间距不宜过小,以免限制了拱波的矢高,减小拱圈的截面刚度,但同时肋间距受吊装机械控制又不宜过大,以免拱肋数量少而过分加大拱肋截面尺寸,增加吊装重量,给施工带来不便。在小跨径的双曲拱桥中,还可采用单波的形式(图7-26d)。

双曲拱圈为组合截面的受力构件,但拱肋是拱圈的重要组成部分,它不仅参与拱圈受力,而且在施工过程中,又起砌筑拱波和浇筑拱板的支架作用,因此拱肋应具有足够的强度、刚度及纵横向稳定性。常用的拱肋截面形式有矩形、倒T形、槽形和工字形等(图7-27),一般根据跨径大小、受力性能、施工难易等条件综合选择,要求所选拱肋截面有利于增强主拱圈的整体性,制作简单且能保证施工安全。拱肋通常可以利用支架现浇混凝土或采用分段预制安装的方法施工。

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拱波一般都用混凝土预制,常做成圆弧形。拱波不仅是参与拱圈共同受力的组成部分,而且在浇筑拱板混凝土时,它又起模板作用。

拱板在拱圈截面中占有最大比重,且现浇混凝土拱板将拱肋、拱波连成整体,使拱圈实现“集零为整”。因此,拱板在加强拱圈整体性方面起着重要作用。

为使拱肋的变形在横桥方向均匀,避免拱波顶部可能出现的纵向裂缝,需在拱肋间设置横向连系,设置横向连系还能保证在无支架施工中裸拱的稳定性。横向连系常用的形式是横系梁和横隔板,通常布置在拱顶、腹孔墩下面、分段吊装的拱肋接头处等,间距一般为3~

5m。考虑到横向连系在拱顶附近作用更为明显,因此在拱顶部分(或在整个拱顶实腹区段)可适当加密。对于跨径较小的宽桥,拱顶部分的横向连系更应特别加强。

双曲拱相当于一种曲形板肋拱。由于它是由几部分按一定顺序组合而成的,其截面受力复杂,整体性差,经多年使用证明,多数双曲拱都出现了较严重的开裂,使其承载能力受到影响,存在安全隐患,目前已很少采用。

2拱上建筑的构造

按拱上建筑采用的不同构造方式,可将其分为实腹式和空腹式两种。实腹式拱上建筑的构造简单,施工方便,而填料的数量较多,恒载较重,一般多用于小跨径拱桥中。大、中跨径拱桥多采用空腹式,以减轻恒载,并使桥梁显得轻巧美观。选择拱上建筑的构造形式一方面要考虑桥型美观,另一方面还要考虑结构的受力及变形的适应性。

1.实腹式拱上建筑

实腹式拱上建筑由拱腹填料、侧墙、护拱、变形缝、防水层、泄水管以及桥面系组成(图7-28)。拱腹填料的做法有填充式和砌筑式两种。

图7-28实腹式拱上建筑(尺寸单位:mm)

图7-28实腹式拱上建筑(尺寸单位:mm)


填充式是在拱圈两侧砌筑侧墙,以承受拱肩填料及汽车荷载所产生的侧压力(推力)。

侧墙的主要作用是围护拱腹上的散粒填料,一般用块石或片石砌筑,为了美观需要,可用粗料石或细石镶面。侧墙厚度一般按构造要求确定,其顶面宽500~700mm,向下逐渐增厚,墙脚厚度可采用侧墙高度的0.4倍。特殊情况下侧墙厚度应由计算确定。填充用的材料尽量就地取材,通常采用砾石、碎石、粗砂或卵石类黏土并加以夯实。在地质条件较差的地区,为了减小拱上建筑的重量,可以采用其他轻质材料(如炉渣、石灰、黏土等混合料)作填料。

当填充材料不易取得时,可采用砌筑式,即采用干砌圬工或浇筑素混凝土作为拱腹填料。当用素混凝土时,往往可以不另设侧墙,而在外露混凝土表面用砂浆饰面或设置镶面。

在多孔拱桥中,为了便于敷设防水层和排除积水,又设置了护拱。护拱一般用现浇混凝土或砌筑块、片石修筑。如图7-28中用浆砌片石做的护拱,还起着加强拱圈的作用。

2.空腹式拱上建筑

空腹式拱上建筑由多跨腹孔构造、桥面结构及其支承构造(腹孔墩)组成(图7-29),在腹孔布置中有带实腹段式和全空腹式两种情况。大、中跨径的拱桥,特别是当矢高较大时,应以空腹式拱上建筑为宜。空腹式拱上建筑除具有实腹式拱上建筑相同的构造外,还具有腹孔和腹孔墩。

图7-29空腹式拱桥构造图(尺寸单位:cm)

图7-29空腹式拱桥构造图(尺寸单位:cm)

(1)腹孔根据腹孔结构的不同可分为拱式和梁式。拱式腹孔拱上建筑构造简单,外形美观,但重量较大,一般用于圬工拱桥;梁式腹孔的拱上建筑可使桥梁造型轻巧美观,减轻拱上重力和地基承压力,一般用于大跨径拱桥。

1)拱式腹孔,简称为腹拱,一般在每半跨内不超过主拱跨径的1/4~1/3,腹孔跨数随桥跨大小不同而异,以3~6孔为宜(图7-30a),每孔跨径一般可选用2.5~5.5m,也不宜大于主拱圈跨径的1/15~1/8。有时,为进一步减轻拱上建筑重量,采用全空腹形式,即在全拱范围内布置腹孔,跨中部分不再设实腹段,腹孔数依腹孔跨径而定,一般以奇数跨居多(图7-30b)。腹拱宜做成等跨,以利于腹拱墩受力并方便施工。

图7-30拱式腹孔布置

图7-30拱式腹孔布置

a)带实腹段式b)全空腹式

腹拱圈可以采用石砌、混凝土预制或现浇的圆弧形板拱,矢跨比一般为1/6~1/2。为了减轻重量,也可以采用微弯板和扁壳结构,微弯板的矢跨比为1/12~1/10。腹拱圈的厚度与其构造形式和跨径大小等有关。当跨径小于4m时,可采用厚度不小于30cm的石板拱或厚度不小于15cm的混凝土板拱,也可以采用厚度为14cm(其中预制厚6cm、现浇8cm)的微弯板。当跨径大于4m时,可根据板拱厚度经验公式拟定或参考已成桥资料确定。

腹孔在墩台处的支承方案如图7-31所示。图7-31a所示为腹拱的拱脚直接支承在桥台上;图7-31b为腹拱支承在墩顶实墙上;图7-31c为腹拱跨过桥墩。由于拱圈受力后变形较大,而墩台变形较小,容易造成第一个腹拱因拱脚变位而开裂,因此靠近墩台的第一个腹拱应做成三铰拱,并相应地设置伸缩缝或变形缝。

图7-31腹拱与墩台的连接

图7-31腹拱与墩台的连接

2)梁式腹孔。在大跨径钢筋混凝土拱桥或无支架施工的拱桥中,为了进一步减轻拱上建筑的重量,改善拱圈在施工期的受力状况,通常采用钢筋混凝土梁式结构的腹孔。梁式腹孔结构有简支、连续和框架式等多种形式(图7-32)。不同的腹孔结构形式使拱上建筑参与主拱联合作用的程度不尽相同。


图7-32梁式腹拱

图7-32梁式腹拱

a)带实腹段的简支腹拱b)全空腹的简支腹拱c)连续腹拱d)框架式腹拱简支腹孔(图7-32a、b)由底梁(座)、立柱、盖梁和纵向敷设的桥道板(梁)等组成,由于桥道板(梁)简支在盖梁上,因此基本上不存在拱与拱上结构的联合作用,受力明确。当腹孔的跨径小于10m时,通常采用钢筋混凝土简支实心或空心板;当跨径在10~20m时,常采用预应力混凝土简支空心板;当跨径大于20m时,一般采用预应力混凝土简支T形梁。

连续腹孔(图7-32c)由立柱、纵梁、实腹段垫墙及桥道板组成。荷载通过横铺在连续纵梁和拱顶垫墙上的桥道板,传递到拱上立柱处,再经过拱圈传递给墩台,这种形式主要用于肋拱桥中。由于拱顶上总的厚度为一个板厚(含垫墙)加上桥面铺装厚,建筑高度小,适用于建筑高度受限制的拱桥。

框架腹孔(图7-32d)在横桥向根据需要设置多榀平面框架,每榀间通过横系梁连接成整体。

(2)腹孔墩腹孔墩由底梁、墩身和墩帽组成。按照墩身的结构形式可分为横墙式和立柱式。

1)横墙式(图7-33a)。横墙式腹孔墩墩身,一般采用圬工材料砌筑或现浇混凝土做成实体墙。有时为了减轻墩身的重量,或便于检测人员通行,可在横墙挖一个或几个孔,如图7-33a所示。横墙式腹孔墩,自重较大,但节省钢材,多用于圬工拱桥。浆砌块、片石横墙厚度一般不小于60cm;现浇混凝土横墙时,其厚度一般应大于腹拱圈厚度的1倍。

2)立柱式(图7-33b)。立柱式腹孔墩是由立柱和盖梁组成的钢筋混凝土排架结构。立柱多采用矩形实体或空心截面,采用现浇或预制安装的钢筋混凝土结构。当立柱过高时,需验算其压曲稳定性,必要时应加设横系梁,其上下间距不宜大于6m。为了使立柱传递给主拱圈的压力不至于过分集中,通常在立柱下面设置底梁,厚度不小于横向柱距的1/5。在河流有漂流物或流冰时,如果拱圈会被部分淹没,就不宜采用立柱式腹孔墩。腹孔墩的侧面一般做成竖直式,以利于施工,如需采用斜坡式,则以不超过30:1的坡度为宜。

图7-33腹孔墩构造形式

图7-33腹孔墩构造形式

3其他细部构造

1.拱上填料、桥面铺装及人行道

无论是实腹拱,还是空腹拱(除无拱上填料的轻型拱桥),在拱顶截面上缘以上都做了拱腹填充处理。填充后,通常还需设置一层填料,即拱顶填料,在该填料以上才是桥面铺装,如图7-34所示。拱顶填料,一方面能扩大车辆荷载的分布面积,同时还能减小车辆荷载的冲击作用,但也增加了拱桥的恒载。一般情况下,主拱圈及腹拱圈的拱顶处的填料厚度(包括路面厚度)均不宜小于30cm,《公路桥涵设计通用规范》的规定:当拱上填料厚度(含桥面铺装厚度)大于或等于50cm时,设计计算中不计汽车荷载的冲击力。大跨径钢筋混凝土拱桥或很差地基上建造的拱桥,为了进一步减轻拱上建筑重量,可以减薄填料厚度,甚至可以不用填料,直接在拱顶面上修建混凝土桥面。这时,混凝土层的最小厚度应不小于8cm,并在其中设置钢筋网。在计算主拱内力时,应计入汽车荷载的冲击力。

对具有拱顶实腹段的梁式空腹拱(肋拱除外),拱及实腹段的拱上填料与上述相同。对全空腹梁式空腹拱不存在拱上填料问题。

拱桥行车道部分的桥面铺装,应根据桥梁所在的公路等级以及使用要求、交通量大小等条件综合考虑。目前采用较多的是碎(砾)石路面和沥青混凝土路面。为利于桥面排水。应根据桥面的不同类型设置1.5%~3.0%的横坡(单幅桥为双向,双幅桥为单向)。

拱桥行车道两侧,根据需要可设人行道及栏杆。其构造与梁桥的相似,不再赘述。

图7-34拱上填料示意图图7-34拱上填料示意图


2.伸缩缝与变形缝

由于拱上建筑与主拱圈的共同作用,一方面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,使结构受力复杂。

为了使结构的计算图式尽量与实际的受力情况相符合,避免拱上建筑的不规则开裂,以保证结构的安全使用和耐久性,除在设计计算上应做充分考虑外,还需在构造上采取必要的措施。通常用伸缩缝及变形缝来使拱上建筑与墩、台分离,并使拱上建筑与主拱圈一起自由变形。

实腹式拱桥的伸缩缝通常设在两拱脚的上方,并应在横桥方向贯通,向上延伸侧墙全高直至人行道及栏杆。伸缩缝一般做成直线形(图7-35a),以使构造简单、施工方便。

对于空腹、拱式拱上结构,一般将紧靠桥墩台的第一个腹拱圈做成三铰拱,并在靠墩台的拱铰上方设置伸缩缝,且应贯通全桥宽,而在其余两铰的上方设变形缝(图7-35b)。在大跨径拱桥中,根据温度变化情况和跨径大小,必要时还需将靠近拱顶的腹拱圈或其他腹拱也做成两铰拱或三铰拱。拱铰上面的侧墙也需相应地设置变形缝,以便使拱上建筑更好地适应拱圈的变形。

图7-35拱桥伸缩缝及变形缝的布置

图7-35拱桥伸缩缝及变形缝的布置

对梁式腹孔,通常是在桥台和墩顶立柱处设置标准伸缩缝,而在其余立柱处采用桥面连续。

伸缩缝的宽度一般为2~3cm。通常是在施工时将用锯木屑与沥青按1:1比例配合压制成的预制板嵌入砌体或埋入现浇混凝土中即可。变形缝则不留缝宽,其缝可干砌、用油毛毡隔开或用低强度等级的砂浆砌筑,以适应主拱圈的变形。

人行道、栏杆、缘石和混凝土桥面,在腹拱铰的上方或侧墙有变形缝处,均应设置贯通全桥宽度的伸缩缝或变形缝,以适应主拱圈的变形,其构造形式可参照梁桥选用。

3.拱铰

拱铰按其作用分为永久性铰和临时性铰两种。永久性铰主要用在三铰拱或两铰拱体系或空腹式拱上建筑中腹拱圈按构造要求需要采用的两铰拱或三铰拱中。永久性铰除要满足设计计算的要求外,还要能保证长期的正常使用,因此,构造比较复杂,造价高。临时性铰是在施工中,为消除或减少主拱的部分附加内力,以及对主拱内力作适当调整时在拱脚或拱顶设的铰。由于临时性铰是暂时设置的,待施工结束时,将其封固,故构造简单,但必须可靠。

拱铰按其所处的位置、作用、受力大小、使用材料等条件综合考虑,常有弧形铰、铅垫铰、平铰、不完全铰、钢铰。

图7-36弧形铰

图7-36弧形铰

(1)弧形铰弧形铰一般用混凝土、钢筋混凝土或石料做成,它是由两个不同半径的弧形表面块件合成,一个为凹面(半径为R2),一个为凸面(半径为R1),如图7-36所示。2与R1之比值常在1.2~1.5范围内取用。铰的宽度应等于构件的宽度,沿拱轴线的长度取为拱厚的1.15~1.20倍。铰的接触面应精加工,以保证紧密结合。由于构造复杂,加工铰面既费工,又难以保证质量,故主要用于主拱圈的拱铰。

图7-37铅垫铰构造

图7-37铅垫铰构造

(2)铅垫铰对于中小跨径的板拱或肋拱,可以采用铅垫铰(图7-37)。铅垫铰一般由厚度1.5~2.0cm的铅垫板外包以锌、铜薄片(1.0~2.0cm)构成,利用铅的塑性变形达到支承面的自由转动,从而实现铰的功能。垫板宽度为拱圈厚度的1/4~1/3,在主拱圈的全部宽度上分段设置。

图7-38平铰构造

图7-38平铰构造

图7-39拱圈不完全铰构造

图7-39拱圈不完全铰构造

(3)平铰平铰(图7-38)就是构件两端面(平面)直接抵承,其接缝可铺一层低强度砂浆,也可以垫衬油毛毡或直接干砌。由于平铰的变形量较小,一般用在空腹式的腹拱圈上。

图7-40腹孔墩或立柱端铰构造

图7-40腹孔墩或立柱端铰构造

(4)不完全铰对于小跨径或轻型的拱圈以及空腹式拱桥的腹孔墩柱铰,目前常采用不完全铰。图7-39所示为小跨径拱圈的不完全铰,由于拱的截面急剧地减小,保证了该截面的转动,在施工时拱圈不断开,使用时又能起铰的作用。由于减小截面内的应力很大,很可能开裂,故必须配以斜钢筋。图7-40所示为墩柱的不完全铰。由于该处截面的减小(一般为全截面的1/3~2/5),因此可以保证支承截面的转动。支承截面应按局部承压进行设计和计算。

(5)钢铰在大跨拱桥中还可以采用钢铰。钢铰可做成有圆柱形销轴的形式或没有销轴的形式。但其用钢量多,构造复杂,一般较少采用,更多的用于施工需要的临时铵。

4.排水及防水层

对于拱桥,不仅要求将桥面雨水及时排除,而且也要求将透过桥面铺装渗入到拱腹内的雨水及时排除。桥面雨水的排除,除了桥梁设置纵坡和桥面设置横坡外,一般还沿桥面两侧缘石边缘设置泄水管(图7-41)。

图7-41桥面排水设施(尺寸单位:mm)

图7-41桥面排水设施(尺寸单位:mm)

透过桥面铺装深入到拱腹内的雨水,应由防水层汇集于预埋在拱腹内的泄水管排出。防水层和泄水管的设置方式,与上部结构的形式有关。

实腹式拱桥防水层应沿拱背护拱、侧墙敷设。如果是单孔,可以不设泄水管,积水沿防水层流至两个桥台后面的盲沟,然后沿盲沟排出路堤。如果是多孔拱桥,可在1/4跨径处设泄水管(图7-42a)。

对于带实腹段的拱式腹拱空腹拱桥,其防水层及泄水管布置如图7-42b所示。对拱式腹拱全空腹拱桥,其防水层及泄水管参照多孔实腹拱进行设置。

泄水管可以采用铸铁管、混凝土管或陶瓷(瓦)管及PVC管。泄水管的内径一般为60~100mm,在严寒地区需适当加大,但不宜超过150mm。泄水管应伸出结构表面50~100mm,以免雨水顺着结构物的表面流下。为了便于泄水,泄水管尽可能采用直管,并减少管节的长度。

防水层在全桥范围内不宜断开,在通过伸缩缝或变形缝处应妥善处理,使其既能防水又可以适应变形。

防水层有粘贴式和涂抹式两种。前者是由2~3层油毛毡与沥青胶交替贴铺而成,效果

图7-42防水层及拱腹泄水管布置

图7-42防水层及拱腹泄水管布置

较好,但造价较高,施工麻烦,适用于雨水较多地区。后者采用沥青或柏油涂抹于砌体表面,施工简便,造价低廉,但效果较差。


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