中國疊梁拱橋研究模板

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。疊梁拱橋研究摘要:在分析汴京虹橋的基礎(chǔ)上,將疊梁拱橋擴(kuò)充到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管結(jié)構(gòu),并結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步對單孔疊梁拱橋的構(gòu)造、設(shè)計(jì)、計(jì)算和施工作了研究。關(guān)鍵詞:虹橋;疊梁拱橋;鋼筋混凝土疊梁拱;鋼管疊梁拱疊梁拱橋創(chuàng)始于公元1032~1033年,是中國特有的木拱結(jié)構(gòu),在國外古今橋梁史上是完全沒有的。疊梁拱創(chuàng)造了用大木縱橫相貫、交錯(cuò)搭置的結(jié)構(gòu)形式,創(chuàng)造了以較短的木材構(gòu)筑較大跨徑的構(gòu)造技術(shù)。北宋時(shí)的《清明上河圖》中的汴京(現(xiàn)河南省開封市)虹橋,寫實(shí)勾畫了以大木穿插疊架成木拱的虹橋結(jié)構(gòu)技術(shù)。隨著北宋南遷,在漸閩山區(qū)中有數(shù)十座古木拱橋,結(jié)構(gòu)與虹橋類似且有所改進(jìn)。為了達(dá)到古為今用的目的,探討了木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管結(jié)構(gòu)疊梁拱的構(gòu)造、設(shè)計(jì)、計(jì)算和施工方法。1疊梁拱橋的構(gòu)造1.1虹橋的構(gòu)造特點(diǎn)汴京橋?yàn)榇竽究v橫疊架而成的拱結(jié)構(gòu),故名疊梁拱,亦有貫?zāi)竟爸Q。虹橋木拱骨外側(cè)的一組為4根系統(tǒng),由2根長拱骨和2根短拱骨組成;再里面的一組為3根系統(tǒng),是3根等長的拱骨。中間拱骨按同一系統(tǒng)倆倆并列在一起。每個(gè)系統(tǒng)的拱骨單獨(dú)設(shè)置是一個(gè)不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),為把2個(gè)系統(tǒng)的各根拱骨連成整體,在2個(gè)系統(tǒng)拱骨的交匯點(diǎn)設(shè)置橫貫全橋?qū)挾鹊臋M梁,全橋共5道橫梁。橫梁使同一節(jié)點(diǎn)的所有拱骨都形成有機(jī)聯(lián)系,有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和橫向分配活載的作用。弓形梁斜向擱置在橫梁上,而且底面緊貼著拱骨,使其與主拱一起共同作用。弓形梁頂面為圓弧曲面,其上直接鋪設(shè)橋面板。由上述分析可知,虹橋是一座拱形木桁架結(jié)構(gòu),如圖1的拱骨架立面所示,以橫梁(腹桿)為中心,2根斜拱骨為上弦桿,底面拱骨為下弦桿,組成一個(gè)”桁架節(jié)間”。4根系統(tǒng)和3根系統(tǒng)的拱骨分別在各個(gè)節(jié)間中交替成為上弦桿和下弦桿,虹桿由5個(gè)這樣的節(jié)間組成。由拱骨與橫梁構(gòu)成的拱形桁架是疊梁拱橋的承重結(jié)構(gòu)。在拱平面,斜向固定在橫梁上的弓形梁與橫梁組成曲面桁架(見圖1拱骨架平面),呈”X”形所弓形梁起到剪刀撐的作用,保證了疊梁拱的橫向穩(wěn)定。虹橋木拱結(jié)構(gòu)兼具拱的桁架的性能,結(jié)構(gòu)整體受力,能較好地發(fā)揮材料的作用。1.2疊梁拱構(gòu)造及其分類單孔疊梁拱橋由主拱結(jié)構(gòu)、橋面部分和橋臺(tái)三部分組成。主拱是疊梁拱橋的主要承重結(jié)構(gòu),它由縱向拱骨、橫梁和弓形梁3種構(gòu)件組成的若干并列著的縱向拱骨和擱置在拱骨中部的橫梁構(gòu)成,斜置在橫梁上的弓形梁緊貼在拱骨之上,其中橫梁和弓形梁起到橫向聯(lián)系和保持橫向穩(wěn)定的作用。整個(gè)結(jié)構(gòu)都是經(jīng)過構(gòu)件的縱橫搭置、相互承托而逐節(jié)伸展?？缍却笮≈饕蓸?gòu)件長度和節(jié)間數(shù)量而定。按主拱結(jié)構(gòu)所用的材料劃分,當(dāng)前有木結(jié)構(gòu)疊梁拱橋和鋼筋混凝土疊梁拱橋之分。按主拱骨架縱向構(gòu)成分類,3根橫梁式為疊梁拱的基本類型(圖2(1)),這種主拱骨架只能適應(yīng)很小的跨徑。隨著跨徑增大的要求,采用4根、5根、6根橫梁式,甚至更多橫梁的類型。圖2示出了5種主拱骨架的縱向構(gòu)成,其中(3)為虹橋的疊梁拱形式,(2)為甘肅渭源臥橋的懸孔木拱形式,(5)為漸、閩山區(qū)保存完好的木拱橋的主拱骨架。主拱骨架的橫向構(gòu)成,按照橋面寬度橫橋向能夠密排若干拱骨,在橫梁上拱骨排列的基本原則是:(1)力求對稱排列;(2)橫梁上、下的拱骨根數(shù)接近;(3)既要考慮主拱骨架的橫向穩(wěn)定,又要有利于布置斜向的弓形梁。由此,拱骨在橫梁上的排列方法大致有2種類型:一是上下均勻排列,即一上一下布置;二是采用2個(gè)系統(tǒng)的骨架,每個(gè)系統(tǒng)都按2根一組排列,即倆倆成組。前者不利弓形梁的斜向擱置,因此要另外增設(shè)剪刀撐來保持主拱骨的橫向穩(wěn)定,這是漸閩木拱的編排方法。后者有利于弓形梁的布置,不需另設(shè)剪刀撐,是虹橋的做法。對于鋼筋混凝土疊梁拱橋,由于倆倆排列的拱骨能夠合并成一根構(gòu)件,即加大寬度,因此鋼筋混凝土疊梁拱的拱骨也屬一上一下的排列,而不影響弓形梁的布置(見力3(4))。鋼管疊梁拱的編排方法完全能夠參照木結(jié)構(gòu)疊梁拱。圖3列舉了主拱骨架橫向構(gòu)成的實(shí)例,(1)和(2)為12根縱向拱骨的橫向構(gòu)成;(3)為虹橋模型的一個(gè)橫斷面,上排為4根系統(tǒng),下排為3根系統(tǒng),上下均由16根縱向拱木組成;(4)為鋼筋混凝土疊梁拱的一個(gè)橫斷面。2.3節(jié)點(diǎn)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是疊梁拱橋的成功關(guān)鍵。不同時(shí)代的木結(jié)構(gòu)疊梁拱有著不同的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,不同材料的疊梁拱其結(jié)點(diǎn)構(gòu)造更有不同的處理方法。從《清明上河圖》上觀察虹橋的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,木拱骨縱向之間采用平接,再用繩子將上、下拱骨分別與橫梁捆扎在一起,見圖4所示。有關(guān)資料還表明,節(jié)點(diǎn)處使用了類似”鐵馬”的鐵件把上、下拱骨與橫梁連成整體。宋室南遷后將虹橋結(jié)構(gòu)技術(shù)帶到南方,在木料易得的浙閩山區(qū)還現(xiàn)存著不少木結(jié)構(gòu)疊梁拱。由實(shí)橋考察得知,浙閩疊梁木拱的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是拱骨端頭與橫梁的榫接處理。鋼筋混凝土疊梁經(jīng)過在橫梁預(yù)埋鋼筋,在安裝預(yù)制拱骨后,再現(xiàn)澆混凝土節(jié)點(diǎn);或者在橫梁和拱骨上預(yù)埋鋼板,經(jīng)過焊接來達(dá)到節(jié)點(diǎn)連接。鋼管疊梁拱的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是經(jīng)過專用夾具和L形專用鋼銷進(jìn)行連接(見圖5),這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造安裝方便,也易于拆卸和周轉(zhuǎn)使用。2.4橋跨結(jié)構(gòu)與橋臺(tái)的連接拱骨與橋臺(tái)的連接,一般在臺(tái)帽上預(yù)留槽溝,槽深10cm左右,槽底做成斜面,混凝土拱骨插入臺(tái)帽后,拱骨四周再以砂漿填塞。上海普慶橋的臺(tái)帽是條石砌筑的,斜面角度難以控制,故木拱骨與臺(tái)帽接觸為直角面,拱腳處拱骨之間用木楔塞緊。當(dāng)跨度較大時(shí),由于橋臺(tái)位移等原因,會(huì)造成支承面局部接觸,引起反力偏心而改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力。在此情況下,拱骨與臺(tái)帽的連接宜做成較完善的鉸。弓形梁與橋臺(tái)連接分2種情況:主拱上有拱上建筑時(shí),弓形梁直接擱置在拱腳的拱骨上,并支撐著臺(tái)帽;主拱上無拱上建筑時(shí),弓形梁擱置在橋臺(tái)頂面,并頂住橋臺(tái)橫梁(見圖1立面),以利于在弓形梁頂面直接安裝橋面板。3疊梁拱橋的設(shè)計(jì)按照疊梁拱的構(gòu)造特點(diǎn),其拱軸線采用拋物線較為合理,但采用圓弧拱軸線時(shí),因全拱曲率相同,施工簡便,因此對于中小跨徑的疊梁拱橋,其立面習(xí)慣按圓弧曲線布置。在跨徑和擬定桿件直徑確定的條件下,總體布置取決于圓弧半徑和構(gòu)件對應(yīng)的圓心角。在此基礎(chǔ)上,便可確定各類構(gòu)件的長度。下面以5根橫梁式的疊梁拱為例,說明疊梁拱橋總體布置的特點(diǎn)。為了使拱骨桿件標(biāo)準(zhǔn)化,將5個(gè)尖頂中心和2個(gè)拱腳點(diǎn)同設(shè)在半徑為R的圓弧上(7點(diǎn)同圓法),且相鄰2頂點(diǎn)對應(yīng)的圓心角均為θ,如圖6所示,疊梁拱計(jì)算跨徑為Lp,長、短拱骨軸線長度分別為L和L1,圓桿直徑均為d,尖頂中心與底桿軸線距離為h。根據(jù)上述布置可得幾何關(guān)系為:H=L/2tanθ/2=d(1+1/cosθ)L=2RsinθLp=2Rsin3θ經(jīng)推導(dǎo)可得三角方程:(1+cosθ)2(1+2cos2θ)/sin2θ-Lp/4d=0-------(1)式中計(jì)算跨度LP一般是確定值,d為擬定值,則可用試算法求得短桿長度L1對應(yīng)的圓心角θ。從而可求得半徑R,長短桿件長度L和L1:R=LP/2sin3θ-------(2)L=2Rsinθ--------(3)L1=l/2cosθ/2-------(4)由于疊梁拱結(jié)構(gòu)各桿件的幾何關(guān)系非常嚴(yán)密,上述布置方法一旦LP和d確定后,結(jié)構(gòu)就定型,便有確定的矢高。在拱腳標(biāo)高和拱頂標(biāo)高同時(shí)都有嚴(yán)格限制時(shí),宜選用2個(gè)拱腳點(diǎn)和中間3道橫梁中心這5點(diǎn)同在1個(gè)圓弧上進(jìn)行設(shè)計(jì)。5點(diǎn)同圓布置方法與上述7點(diǎn)同圓法相比,3根系統(tǒng)和4根系統(tǒng)的拱骨長度為L′,斜拱骨長度為L2′;四根系統(tǒng)的長拱骨長度L3′,短拱骨長度L1′。拱骨長度可采用下列實(shí)用方法求得。(1)確定圓心角θ?！湟源_定的跨度LP′和初擬的d代入式(1),求出θ的初定值。利用2種布置方法論的跨度關(guān)系式:LP=LP′+2dsin3θ/cosθ-----------(5)和式(1)便可求得足夠精度的θ值。(2)計(jì)算拱骨長度。按照式(5)以θ的確定值便可求得LP的修正值。再由R=LP/2sinθ可求得:′=2Rsinθ--------(6)2′=△=4疊梁拱橋的計(jì)算4.1基本假定及計(jì)算圖式根據(jù)地疊梁拱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與受力特性,采取下列基本假定:(1)拱骨插入臺(tái)帽只一小段,故假定拱腳與橋臺(tái)為鉸結(jié),拱腳的弓形梁擱置在橋臺(tái)頂面而只有豎向約束;(2)將橫梁處理為獨(dú)立的一類桿件,橫梁桿件與各桿端點(diǎn)視為全鉸,而橫梁與桿中連接為半鉸;(3)以全橋?qū)捵鳛橛?jì)算單元,按同一系統(tǒng)的拱骨之和為一桿件;(4)結(jié)構(gòu)計(jì)算圖式取各桿軸線,桿件長度取節(jié)點(diǎn)中心間的距離。電算分析疊梁拱時(shí),可采用平面桿系的有限單元法計(jì)算。以虹橋模型橋?yàn)槔?根據(jù)以上假定,虹橋即為外部3次超靜定結(jié)構(gòu),其一次落架的計(jì)算圖式如圖8所示。浙、閩木拱的計(jì)算圖式為外部1次超靜定結(jié)構(gòu),如圖9所示。計(jì)算恒載內(nèi)力時(shí),欄桿和橋面第重量視為均布荷載,橫梁自重作為集中外力。計(jì)算活載內(nèi)力時(shí),車輛荷載和人群荷載可經(jīng)過程序自動(dòng)加載。當(dāng)用手算分析疊梁拱時(shí),為簡化計(jì)算,不計(jì)弓形梁的受力作用,可按外部一次超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算。以虹橋?yàn)槔?其簡化的計(jì)算圖式如圖10所示。4.2贅余力的計(jì)算以水平推力H為贅余力,在單位荷載P=1作用下的水平推力為:H=-δHP/δHH式中:δHP為基本結(jié)構(gòu)在外荷載P=1作用下支點(diǎn)的水平變位;δHH為基本結(jié)構(gòu)在贅余力H=1作用下支點(diǎn)的水平變位。δδ在計(jì)算δHP與δHH時(shí),除拱腳的短斜桿和橫梁桿只考慮軸向力外,其余桿件均考慮軸向力和彎矩,因此:式中:NH、NP分別為 H＝1、P＝1作用于基本結(jié)構(gòu)時(shí),疊梁拱桿件的軸力;MH、MP分別為H＝1、P＝1作用于基本結(jié)構(gòu)時(shí),除拱腳短斜桿和橫梁桿的其它桿件的截面彎矩;A、I為桿件截面積和慣性矩;LO為拱腳短斜桿和橫梁桿菌的長度;L為除拱腳短斜桿和橫梁桿以外的其它桿件的長度。結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算恒載內(nèi)力計(jì)算。作為手算分析疊梁拱,為簡化計(jì)算,將全橋恒載視為均布荷載,作用在不計(jì)弓形梁的結(jié)構(gòu)上,利用推力影響線算出水平推力,然后采用靜力平衡條件直接求出桿件的恒載內(nèi)力?；钶d內(nèi)力計(jì)算。各桿件的活載內(nèi)力可用設(shè)計(jì)荷載直接在其影響線上布載而求得。以圖11的拱骨桿件3-4和橫梁桿析4-5為例,說明疊梁拱桿件軸力和桿端彎矩、剪力影響線的求解方法。①拱骨桿3-4。P＝1作用于結(jié)點(diǎn)4以右時(shí),對結(jié)點(diǎn)5取矩得:N34＝P＝1作用于結(jié)點(diǎn)4以左腳時(shí),對結(jié)點(diǎn)5取矩得:②桿端3的彎矩、剪力。③橫梁桿4-5。P＝1作用于結(jié)點(diǎn)4以右時(shí),對結(jié)A點(diǎn)取矩得:疊梁拱橋的施工汴京虹橋的施工方法,歷史上沒有詳細(xì)記載,但根據(jù)疊梁拱易于預(yù)制安裝,完成拼裝節(jié)段后便自成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),其施工方法可大致分為簡易支架法、纜繩吊裝法和無支架合攏方法等。簡易支架法在3根系統(tǒng)的橫梁位置臨時(shí)搭設(shè)2排木排架,直接支撐3根系統(tǒng)的斜拱骨,這便形成了縱向穩(wěn)定的八字撐架結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,逐根穿插4根系統(tǒng)的拱骨,拆除臨時(shí)木排架,結(jié)構(gòu)獨(dú)立成拱。弓形梁和橋面系統(tǒng)施工在主拱骨架上完成。5．2纜繩吊裝法先將外側(cè)3盆腔系統(tǒng)中的2根斜撐拱骨與一根橫梁組拼成平面排架,再用立在2個(gè)臺(tái)帽上的扒桿吊起排架的上端,接著安裝3根系統(tǒng)的水平拱骨,形成八字撐架結(jié)構(gòu)。4根系統(tǒng)拱骨、弓形梁和橋面系統(tǒng)的安裝完全與簡易支架法相同。浙、閩木拱橋施工也從3根系統(tǒng)的斜撐拱骨開始,先將3根系統(tǒng)的所有斜撐拱骨與上、下梁裝配成排架,下端支撐在臺(tái)帽上,上端用纜風(fēng)繩攔住,使斜撐排架傾向河中至設(shè)計(jì)位置。在前傾的排架頂部逐根安裝3根系統(tǒng)的水平拱骨,水平拱骨兩端做成燕尾榫,卡在排架上端橫梁的燕尾槽中,其節(jié)點(diǎn)尚能承受少量彎矩。在3根系統(tǒng)形成的基礎(chǔ)上,繼續(xù)安裝5根系統(tǒng)、剪刀撐、拱上建筑和橋面。5．3無支架合攏如圖12(1)所示,分別在兩岸臺(tái)帽上將6根拱骨和3根橫梁組拼成穩(wěn)定的初始結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)予以連接固定,并以拉索攔住上端的橫梁節(jié)點(diǎn)。在初始結(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ)上,再安裝一個(gè)拼裝節(jié)段(見圖12(2)),這樣在一定范圍內(nèi),可不斷增加懸臂跨徑。拉索緩緩放松,使懸臂拱架結(jié)構(gòu)徐徐下落直至主拱架合攏。初始結(jié)構(gòu)和拼裝節(jié)段既是主拱骨架的一部分,又起到拱架先合攏的作用。在合攏的拱架上逐根安裝3根系統(tǒng)和4根系統(tǒng)的拱骨,直至主拱桿件安裝完畢。纜繩吊裝法和無支架合攏方法適用于橋下通船或河谷較深不能在河中搭設(shè)施工支架的場合。小結(jié)疊梁拱的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)簡便。構(gòu)造簡便,所有構(gòu)件均為簡單的梁,類型少,制作加工容易。短構(gòu)件構(gòu)成較大路徑。不但能以較短的構(gòu)件裝配成較大路徑的結(jié)構(gòu),而且還能用同一規(guī)格的構(gòu)件在一定范圍內(nèi)構(gòu)成不同路徑、承受不同荷重的結(jié)構(gòu)。預(yù)制裝配。各種構(gòu)件都能定點(diǎn)預(yù)制、現(xiàn)場裝配,還便于拆卸、周轉(zhuǎn)使用。有利于懸臂拼裝施工。以初始結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),逐一安裝拼裝節(jié)段進(jìn)行懸臂拼裝,有利于無支架施工。這對簡化施工、減少相應(yīng)施工設(shè)施具有重要意義。疊梁拱是沒有實(shí)腹段的拱形桁架結(jié)構(gòu),是桁架拱的一種特殊形式。在橋縱向,拱骨與橫梁構(gòu)成拱形桁架,是疊梁拱橋的承重結(jié)構(gòu)。由于愛橫梁高