三鉸拱橋

拱橋的組成部分

在拱橋的兩個拱腳和拱的中間各設一鉸稱為三鉸拱。拱橋按拱圈的靜力體系分為無鉸拱、雙鉸拱、三鉸拱。三鉸拱則是在雙鉸拱的拱頂再增設一鉸,結構的剛度更差些,拱頂鉸的構造和維護也較複雜,一般不宜作主拱圈。

拱橋簡介


三鉸拱橋
三鉸拱橋
如圖,在拱橋的兩個拱腳和拱的中間各設一鉸稱為三鉸拱。屬外部靜定結構構。因而溫度變化,支座沉陷等不會在拱內產生附加應力,故當地質條件不良,可以採用三鉸拱,但鉸的存在使其構造複雜,施工困難,維護費用高,而且減小了整體剛度降低了抗震能力,因此一般較少使用。

反兀型


反兀型三鉸拱橋,拱圈截面形式是拱肋在上,拱板在下,類似反二型。它的優點是:便於施工,外型美觀,結構合理,節約建材。反兀型三鉸拱橋的拱軸線選擇,拱圈內力計算,和一般三鉸拱相同。
拱截面比較分析
三鉸拱橋在受靜、活荷載時,1/4處斷面彎矩值最大,因此僅就此截面,進行比較分析。
實際工程中拱圈為受壓受彎構件,由於軸向壓力的存在,使受拉應力有所緩和,但是反兀型斷面對正兀型斷面的優越性不會改變,由於軸向壓力的存在而引起受壓應力的增加,仍遠遠小於混凝土受壓允許強度。
根據拱圈受力特性,和便於在拱腳拱頂處設鉸,拱肋採取變高度,在拱腳拱頂處為零,在接近1/4處取最大值,下面列出拋物線型拱軸線,受正彎矩時,拱肋高度變化係數。(在實際工程中,拱板均採用等厚度。)
橋台形式選擇
橋台是否穩定,至於拱圈的強度,只要施工時注意質量,則在設計計算和在實際運用中,都是足夠安全的。
這種橋台的特點是:
1、基坑開挖較淺,使地基壤土持力層一般在0.5米以上,不需要進行地基人工處理。
2、底板有較大的寬度,使得上部填土較多,增加橋台的穩定性,同時也減少地基應力。
3、有較高的后牆台背,后牆基坑開挖成傾斜形狀,便於保持原狀土不擾動。所靠的台背土抗力,對於抵抗拱圈推力,保持橋台穩定是一個必不可少的因素。
橋台設計要點:
1、在拱圈推力H,垂直力V,自重,土重及牆后主動土壓力作用下,合力作用線基本通過底板中心,使得底板前後地基反力均勻,並小於地基允許承載力。
2、底板對地基的摩阻力加上牆后被動土壓力之和,大於拱圈水平推力,這樣拱圈在抗滑穩定方面,就有較可靠的保證。
施工注意事項
小跨徑三鉸拱橋計算理論十分簡單,計算應力均小於材料容許應力。
1、了解地基土質分佈情況,使地基持力層至少應在海淤土以上50厘米,如果底板底面高程位於海淤土上或接近海淤土,則應進行可靠的加固處理。
2、基坑開挖應力求保持原狀土不擾動。對於保持橋台穩定,十分重要。
3、拱圈澆築均用土模,土模寬度至少大於拱圈寬度1~2米,便於操作及立側模,土模填築要分層夯實牢固,表而平整並鋪墊一層油毛氈或塑料布。
4、拱板拱肋應分兩次澆築,待拱板達到一定強度后,再澆拱肋,注意拱板拱肋的養護工作。
5、當拱板拱肋達到一定強度后,即可進行側牆砌築和拱上還土,要求對稱進土,分層夯實。
6、當拱板拱肋達到28天強度后,即可進行土模拆除。土模拆除亦要對稱均衡,先從拱頂開始向兩邊對稱開挖,土模拆除后,拱圈受力變形,拱頂必然下沉,因此在做土模時,應預留起拱度約5~10厘米。
7、側牆在拱頂處,要留有足夠寬度的伸縮縫,避免側牆產生裂縫。

結構靜力分析


利用Maple編寫了求解三鉸拱結構反力及內力的計算機程序,並同時畫出了結構的內力圖。實例表明:用Maple編程求解三鉸拱結構的力學問題,精確性高,可操作性強,快速、便捷,提高了計算效率及繪圖效果。
Maple等具有符號計算、數值計算、圖形處理等功能。語言簡單、界面友好,操作方便。提高計算精度方面。
三鉸拱的約束力與內力
以豎向載荷作用下的平拱,說明三鉸拱的約束力與內力的計算方法。
1)支座約束力的計算
三鉸拱是由2根曲桿與地基之間按“三剛片規則”組成的靜定結構。
2)內力的計算
約束力求出后,用截面法即可求出拱上任一截面的內力。
分析
用Maple語言編程,求解三鉸拱的反力,內力(剪力、彎矩和軸力),並繪製了內力(剪力、彎矩和軸力)圖,具有如下特點:
(1)概念清晰、計算快捷、作圖方便,容易領會。
(2)所編程序思路通用性強,適用於對稱的、非對稱的、平拱、斜拱、多工況、超靜定等複雜情況。
(3)只求解了三鉸拱的反力和內力,但對於畫出結構影響線有很大指導意義。
(4)在計算方面,用計算機編程比手算更精確,且快捷;在繪圖方面,前者更具有優越性:利用循環語句,進行多點計算,使曲線加密,使圖形的拐點、突變、極值點,曲線凸凹度更為準確。
實例說明所編的程序,精確性高,可視化效果好,可操作性強,大大提高計算時間、繪圖效果。所編的程序可進一步推廣,擴充其應用範圍,為理論分析和實際應用提供工具。

應用


雙曲拱橋、二鉸平板拱橋、三鉸拱橋等新型橋樑。這些新型橋樑具有造價低、材料省、施工工藝 簡單、跨徑適應性大等特點。
在林區公路建設中,共建微彎板涵、二鉸平板拱橋、三鉸拱橋(涵),均獲得良好效果。
微彎板涵
雙曲拱橋中,有用微彎板做腹拱的。曾設想微彎板可做腹拱,也應該可以做小跨徑涵洞蓋板。建了一座跨徑1米的微彎板涵,板厚5厘米,矢跨比1/10,採用預製安裝,拱腳適當用80#水泥砂漿砌片石護拱。建成后,通過試車,證明具有足夠的承載能力。這樣,又修建了4座80一100厘米的微彎板涵,與矩形板涵比較,使用材料量少,且施工簡便。
二絞平板拱橋
一座跨徑10米,空心箱形鋼筋混凝土二鉸平板拱橋。建成后經過試車,證明具有較大的承載能力,剛性也較好。試車時,貨車滿載(總重量約8.5噸),在橋上緊急剎車、啟動,拱度變化甚微(不超過1毫米)。與梁式橋比較,鋼筋用量節省4/5左右。
三絞拱橋
跨徑6.40米三鉸拱橋一座,跨徑2.0米無筋三鉸拱涵兩座,其中6.40米三鉸拱橋建成試車。拱上填土,設計要求干容重達到1.6克/厘米以上。施工中進行了夯壓,夯壓后取5個土樣進行土壤試驗,結果說明,土壤密實度與設計要求接近。進行了量載過車試驗,跨中拱度(矢高)設計預留拱度3厘米,實際拱度沉落值與設計接近(略大),未發現裂紋等其它異常現象,證明三鉸拱橋具有足夠的承載能力與安全性。從經濟效果看,三鉸拱橋與跨徑6.0米板式橋比,砼體積減少45%,鋼筋用量減少80%。