拱桥
拱桥是我国传统的桥梁三大基本型式之一。
拱桥介绍
中国的拱桥始建于东汉中后期,已有一千八百余年的历史。它是由伸臂木石梁桥、撑架桥等逐步发展而成的。在形成和发展过程中又受墓拱、水管、城门等建筑的影响。因为拱桥的主要承重构件的外形都是曲的,所以古时常称为曲桥。在古文献中,还用“囷”、“窌”、“窦”、“瓮”等字来表示拱。
拱桥。造型优美,曲线圆润,富有动态感。单拱的如北京颐和园玉带桥,拱券呈抛物线形,桥身用汉白玉,桥形如垂虹卧波。多孔拱桥适于跨度较大的宽广水面,常见的多为三、五、七孔,
著名的颐和园十七孔桥,长约150米,宽约6.6米,连接南湖岛,丰富了昆明湖的层次,成为万寿山的对景。河北赵州桥的“敞肩拱”是中国首创,在园林中仿此形式的很多,如苏州东园中的一座。
构造特点
1、拱桥的受力特点:
拱桥在竖向荷载的作用下,支座处除产生竖向反力外,还产生水平反力;由于这个水平反力的存在,使拱内各截面的弯矩大大减小,拱内各截面主要受压,而弯矩和剪力较小。因此拱桥可以采用抗压强度大而抗拉强度低的材料来修建。
2、拱桥的主要优缺点:
优点: (1)跨越能力较大。
(2)可以就地取材,节省钢材和水泥。
(3)坚固耐久,养护维修费用少,而承载潜力大。 (4)外形美观、构造简单、有利于普及。
缺点:(1)自重较大,相应的水平推力也较大,增加了下部墩台圬工量。 (2)施工步骤多,需要的劳动力多,建桥时间较长。“费工费料” (3)由于水平推力大,在连续多孔拱中,必须设单向墩,防止连拱破坏 (4)平原地区不适合建造。
赵州桥
中国现存最早,并且保存良好的是隋代赵州安济桥,又称赵州桥。桥为敞间圆弧石拱,拱券并列28道,净跨37.02米,矢高7.23米,上狭下宽总宽9米。主拱券等厚1.03米,主拱券上有护拱石。在主拱券上两侧,各开两个净跨分别为3.8米和2.85米的小拱,以宣泄拱水,减轻自重。桥面呈弧形,栏槛望柱,雕刻着龙兽,神采飞扬。桥史建于隋.开皇十
五年(公元595年), 完工于隋.大业元年(公元605年),距今已有1406年。安济桥制作精良,结构独创,造型匀称美丽,雕刻细致生动,列代都予重视和保护。
中国石拱因南北河道性质及陆上运输工具不同,所以改造不同。北方大多为平桥(或平坡桥),实腹厚墩厚拱。南方水网地区则为驼峰式薄墩薄拱。
赵州桥设计建造原理:
1、选择了洨河两岸较为平直的地方建桥。这里的地层是由河水冲积而成,地层表面是久经水流冲刷的粗砂层,以下是细石、粗石、细砂和粘土层。赵州桥的桥台是厚度仅1.549米的既浅又小的普通矩形,桥台直接安放在轻亚粘土与亚粘土组成的第四纪冲积层上,这种天然地基土质均匀稳定,完全能承受大桥的荷载。根据现代测算,这里的地层每平方厘米能够承受4.5到6.6公斤的压力,而赵州桥对地面的压力为每平方厘米5—6公斤,能够满足大桥的要求。选定桥址后在上面建造地基和桥台。自建桥到现在,桥基仅下沉了5厘米,说明这里的地层非常适合于建桥。
2、选用附近州县生产的质地坚硬的青灰色砂石作为建桥石料,均采用了纵向(顺桥方向)砌置方法,就是整个大桥是由28道各自独立的拱券沿宽度方向并列组合而成;拱厚都为1.03米,每券各自独立、单独操作,相当灵活。每券完全合拢后就成一道独立拼券砌完一道供券,移动承担重量的“鹰架”,再砌另一道相邻拱。这种砌法有很多优点,它既可以节省制作“鹰架”所用的木材,便于移动,同时又利于桥的维修,一道拱券的石块损坏了,只要嵌入新石,进行局部修整就行了,而不必对整个桥进行调整。
3、赵州桥首次在主拱的两肩上各建两个小拱——伏拱。挖去部分填肩材料,称敞肩。敞肩有几大益处。
第一,减轻了桥身自重,节省材料,也减轻了桥身对桥台的垂直压力和水平推力。使桥
身变轻巧,下部结构变简
单,使桥的质量减轻了大约500吨,可以承担更大的有效载荷。
第二,敞肩的四个小拱在洪灾时能起到很好的泄洪作用,据桥梁专家推算,大约可增加过水面积
16.5%,不仅增大了过水面积,还有效减少了水对桥身的冲击力。
赵州桥受力分析:
此图为赵州桥的受力分析图,紫色箭头为荷载压力和桥身重力(受软件限制,重力作用示意有一定偏差),绿色箭头为桥体所受支持力。赵州桥成功将全桥重力通过大拱分到了桥体两侧。此外,赵州桥将桥体分为多个小模块,即使一个小模块受损失效,也不会影响整桥的受力结构。分布在两侧的四个伏拱也通过减小质量从而减小了支撑面的压强,在地基不尽如人意的情况下,防止了桥体下沉的问题。此外,敞肩的四个小拱在洪水来临时,减少了桥体受水流冲击的横截面积,缓解了水对桥身的冲击。
其他拱桥及其特点
按照拱上建筑的形式可以分为:实腹式拱桥及空腹式拱桥、组合体系式拱桥
实腹式拱桥:
是指拱上建筑作成实体结构,拱圈和主梁之间用石料或砌块填充的拱桥形式。优点是刚度比较大,构造简单,施工方便;缺
点是随着桥梁跨径的增大,拱桥的自重迅速加大,无法作成较大跨径的拱桥。一般用在跨径较小的拱桥中,常用跨径为20- 30m。 空腹式拱桥:
是指拱圈和主梁之间用立柱支撑。其优点是较实腹式拱桥轻巧,节省材料,外形美观,还有助于泄 洪;缺点是施工比较麻烦,
受力较复杂。一般用在大跨径的桥梁中。 组合体系式拱桥:
由拱和梁组成主要承重结构的拱桥。通常用钢筋混凝土或钢结构建造。兼有实腹式拱桥和空腹式拱
桥的优点, 跨越能力较大。 一般用在大、中跨度的桥梁中。 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。一般适用于跨度小于20m的石拱桥。 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。 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。
按照桥面的位置可分为:上承式拱桥、下承式拱桥、中承式拱桥; 上承式拱桥:
桥面系设置在拱圈之上的拱桥。 优点是桥面系构造简单,拱圈与墩台的宽度较小,桥上视野开阔,
施工方便;缺点是桥梁的建筑高度大,纵坡大和引桥长。一般用在跨度较大的桥梁。如图所示:
下承式拱桥:
桥面系设置在拱圈之下的拱桥。优点是桥梁建筑高度很小,纵坡小,可节省引道长度;缺点是构造 复杂,拱肋施工麻烦。一般 用于地基差的桥位上。如图所示:
中承式拱桥:
桥面系设置在拱肋中部的拱桥。优点是建筑高度较小,引道较短;缺点是桥梁宽度大,构造较复杂, 施工也较麻烦。 如图所示:
按照有无水平推力可分为:有推力拱桥、无推力拱桥;
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