更新时间:2022-09-13 22:56
如图1所示,在拱桥的两个拱脚和拱的中间各设一铰称为三铰拱。属外部静定结构构。因而温度变化,支座沉陷等不会在拱内产生附加应力,故当地质条件不良,可以采用三铰拱,但铰的存在使其构造复杂,施工困难,维护费用高,而且减小了整体刚度降低了抗震能力,因此一般较少使用。
反兀型三铰拱桥,拱圈截面形式是拱肋在上,拱板在下,类似反二型。它的优点是:便于施工,外型美观, 结构合理,节约建材。反兀型三铰拱桥的拱轴线选择,拱圈内力计算,和一般三铰拱相同。
拱截面比较分析
三铰拱桥在受静、活荷载时,l / 4处断面弯矩值最大,因此仅就此截面,进行比较分析。
实际工程中拱圈为受压受弯构件,由于轴向压力的存在,使受拉应力有所缓和,但是反兀型断面对正兀型断面的优越性不会改变,由于轴向压力的存在而引起受压应力的增加,仍远远小于混凝土受压允许强度。
根据拱圈受力特性,和便于在拱脚拱顶处设铰,拱肋采取变高度,在拱脚拱顶处为零,在接近l / 4处取最大值,下面列出抛物线型拱轴线 ,受正弯矩时,拱肋高度变化系数。( 在实际工程中,拱板均采用等厚度。)
桥台形式选择
桥台是否稳定,至于拱圈的强度,只要施工时注意质量,则在设计计算和在实际运用中,都是足够安全的。
这种桥台的特点是:1、基坑开挖较浅,使地基壤土持力层一般在0.5米以上,不需要进行地基人工处理; 2、底板有较大的宽度,使得上部填土较多,增加桥台的稳定性,同时也减少地基应力;3、有较高的后墙台背, 后墙基坑开挖成倾斜形状,便于保持原状土不扰动。所靠的台背土抗力,对于抵抗拱圈推力,保持桥台稳定是一个必不可少的因素。
桥台设计要点:1、在拱圈推力H,垂直力V,自重,土重及墙后主动土压力作用下,合力作用线基本通过底板中心,使得底板前后地基反力均匀 ,并小于地基允许承载力。2、底板对地基的摩阻力加上墙后被动土压力之和,大于拱圈水平推力,这样拱圈在抗滑稳定方面,就有较可靠的保证。
施工注意事项
小跨径三铰拱桥计算理论十分简单,计算应力均小于材料容许应力。
1、了解地基 土质分布情况,使地基持力层至少应在海淤土以上50厘米,如果底板底面高程位于海淤土上或接近海淤土,则应进行可靠的加固处理。
2、 基坑开挖应力求保持原状土不扰动。对于保持桥台稳定,十分重要 。
3 、拱圈浇筑均用土模,土模宽度至少大于拱圈宽度1 ~ 2米,便于操作及立侧模,土模填筑要分层夯实牢固,表而平整并铺垫一层油毛毡或塑料布。
4 、拱板拱肋应分两次浇筑,待拱板达到一定强度后,再浇拱肋,注意拱板拱肋的养护工作。
5 、当拱板拱肋达到一定强度后,即可进行侧墙砌筑和拱上还土,要求对称进土,分层夯实 。
6、当拱板拱肋达到28天强度后,即可进行土模拆除。土模拆除亦要对称均衡,先从拱顶开始向两边对称开挖,土模拆除后,拱圈受力变形,拱顶必然下沉,因此在做土模时,应预留起拱度约 5 ~ 10 厘米。
7 、侧墙在拱顶处,要留有足够宽度的伸缩缝,避免侧墙产生裂缝 。
利用Maple 编写了求解三铰拱结构反力及内力的计算机程序,并同时画出了结构的内力图。实例表明: 用Maple 编程求解三铰拱结构的力学问题,精确性高,可操作性强,快速、便捷,提高了计算效率及绘图效果。
Maple 等具有符号计算、数值计算、图形处理等功能。语言简单、界面友好,操作方便。提高计算精度方面。
三铰拱的约束力与内力
以竖向载荷作用下的平拱,说明三铰拱的约束力与内力的计算方法。
1)支座约束力的计算
三铰拱是由2 根曲杆与地基之间按“三刚片规则”组成的静定结构。
2)内力的计算
约束力求出后,用截面法即可求出拱上任一截面的内力。
分析
用 Maple 语言编程,求解三铰拱的反力,内力( 剪力、弯矩和轴力) ,并绘制了内力( 剪力、弯矩和轴力)图,具有如下特点:
( 1) 概念清晰、计算快捷、作图方便,容易领会。
( 2) 所编程序思路通用性强,适用于对称的、非对称的、平拱、斜拱、多工况、超静定等复杂情况。
( 3) 只求解了三铰拱的反力和内力,但对于画出结构影响线有很大指导意义。
( 4) 在计算方面,用 计算机编程 比手算更精确,且快捷; 在绘图方面,前者更具有优越性: 利用循环语句,进行多点计算,使曲线加密,使图形的拐点、突变、极值点,曲线凸凹度更为准确。
实例说明所编的程序,精确性高,可视化效果好,可操作性强,大大提高计算时间、绘图效果。所编的程序可进一步推广,扩充其应用范围,为理论分析和实际应用提供工具。
双曲拱桥、二铰平板拱桥、三铰拱桥等新型桥梁。这些新型桥梁具有造价低、材料省、施工工艺 简单、跨径适应性大等特点。
在林区公路建设中,共建微弯板涵、二铰平板拱桥、三铰拱桥 ( 涵 ), 均获得良好效果。
微弯板涵
双曲拱桥中,有用微弯板做腹拱的。曾设想微弯板可做腹拱,也应该可以做小跨径涵洞盖板。建了一座跨径1 米的微弯板涵,板厚5厘米,矢跨比1 /10,采用预制安装,拱脚适当用80# 水泥砂浆砌片石护拱。建成后,通过试车,证明具有足够的承载能力。这样,又修建了4座80 一100厘米的微弯板涵,与矩形板涵比较,使用材料量少,且施工简便。
二绞平板拱桥
一 座跨径10米,空心箱形钢筋混凝土二铰平板拱桥。建成后经过试车,证明具有较大的承载能力,刚性也较好。试车时,货车满载( 总重量约8.5吨 ),在桥上紧急刹车、启动 ,拱度变化甚微 (不超过1毫米)。与梁式桥比较,钢筋用量节省4 / 5左右。
三绞 拱桥
跨径6.40米三铰拱桥一座,跨径 2.0米无筋三铰拱涵两座,其中6.40 米三铰拱桥建成试车。拱上填土,设计要求干容重达到1.6 克/ 厘米3 以上。施工中进行了夯压 ,夯压后取5个土样进行土壤试验 ,结果说明,土壤密实度与设计要求接近。进行了量载过车试验 ,跨中拱度(矢高)设计预留拱度3厘米,实际拱度沉落值与设计接近 (略大) ,未发现裂纹等其它异常现象,证明三铰拱桥具有足够的承载能力与安全性。从经济效果看,三铰拱桥与跨径6.0米板式桥比,砼体积减少45%,钢筋用量减 少80%。