拱结构

第二篇结构体系篇第七章拱结构拱结构的受力状态与梁式结构有根本的不同，梁结构以受弯为主，但合理的拱几乎可以不出现弯矩，拱只受到压力作用。拱结构具有优美的建筑形式，常常为城市建设带来不同的美的元素。拱是以受轴向压力为主的结构，对于混凝土、砖、石等材料是十分适宜的，特别是在没有钢材的年代，它可充分利用这些材料抗压强度高的特点，避免它们抗拉强度低的缺点。拱式结构最初大量应用于桥梁结构，在混凝土材料出现后，逐渐广泛应用于大跨度房屋建筑中。典型例子：赵州桥。第一节拱结构概念一、拱的形式根据铰的数量，拱可以分为无铰拱、两铰拱和三铰拱三种形式。两铰拱和无铰拱为超静定结构，工程上常用两铰拱和无铰拱形式。三铰拱两铰拱无铰拱根据拱的建筑外形，可以分为半圆拱和抛物线拱。拱结构常用的材料有石、木、混凝土、钢筋混凝土、钢等。由于拱是典型的受压构件，因此一般使用于抗压强度高的材料。对于钢材，很多情况下采用格构式拱、桁架拱或组合拱（钢-混凝土组合结构）等形式。二、拱结构的受力特点（一）、支座反力1、在竖向荷载作用下，拱脚支座内将产生水平推力；2、在竖向荷载作用下，；3、当结构跨度与荷载条件一定时为定值，拱脚水平推力（HA=HB）与拱的矢高f成反比。fMHCA00CM拱结构是使构件摆脱弯曲变形的一种突破性发展，因此，拱结构比桁架结构的力学优点更加显著，而且它为抗压性能好的材料提供了一种理想的结构型式。但是，拱结构的一个显著特点是产生水平力，而且与跨度有关系，跨度越大，其水平力越大。因此，一般拱结构的难点都在于水平推力的处理。（二）、拱身截面的内力1、拱身内的弯矩小于跨度相同荷载作用下简支梁内的弯矩；2、拱身截面内的剪力小于相同跨度相同荷载作用下简支梁内的剪力；3、拱身截面内存在有较大的轴力，而简支梁中是没有轴力的。以上是拱式结构比梁式结构受力合理的地方，同时拱式结构中以轴力为主，可以使用廉价的材料，并可充分发挥这类材料的抗压承载力，得到广泛应用。当拱脚地基反力不能有效地抵抗水平推力时，拱便成为曲梁。（三）、拱的合理轴线拱式结构受力最理想的情况是使拱身内弯矩为零，仅承受轴力。理想的拱曲线，将不产生弯矩，拱只受压力的作用。实际中的拱，由于场地的限制、建筑整体的限制等原因，不能做成理想的的二次抛物线形状，因此拱内会存在一定的弯矩；常见的拱曲线形状有抛物线形和半圆形（图7-4）。由于半圆拱的矢高是跨度的一半，因此该形式的拱其水平推力为零，称为“无推力拱”。从受力情况看，半圆拱具有明显的经济合理性，但由于矢高比较大，限制了这种拱形式的应用，一般很少用于建筑屋盖上。三、拱脚水平推力的平衡拱与曲梁的根本区别：拱脚水平推力是否存在。为保证拱的可靠工作，必须采用有效的措施来实现该水平力的平衡。（一）水平推力直接由拉杆承担拉杆既可用于搁置在墙、柱上的屋盖结构，也可用于落地拱结构。水平拉杆所承受的拉力等于拱的推力，两端自相平衡，与外界之间没有水平向的相互作用力。优点：经济合理，安全可靠，砖或柱子不承受拱的水平推力，基础受力简单，节省材料。缺点：室内有拉杆存在，房屋内景欠佳，浪费空间。（二）水平推力通过刚性水平结构传递给总拉杆拱的水平推力首先作用在刚性水平构件上，通过刚性水平构件传给设置在两端山墙内的总拉杆来平衡。天沟板或副跨屋盖可看成是一根水平放置的深梁，该深梁以设置在两端山墙内的总拉杆为支座，承受拱脚水平推力。优点：立柱不承受拱的水平推力，柱内力较小，两端的总拉杆设置在房屋山墙内，建筑室内没有拉杆，可充分利用室内建筑空间，效果好。（三）水平推力由竖向承重结构承担中跨拱式屋盖为两铰拱或三铰拱结构，拱把水平推力和竖向荷载作用于竖向承重结构上，竖向承重结构可为斜柱墩或位于两侧副跨的框架结构。要求两侧的副跨框架必须具有足够的刚度，侧移极小，方可保证上部拱屋架的正常工作。水平推力由斜柱墩承担水平推力由侧边框架承担（四）水平推力直接作用在基础上对于落地拱，当地质条件较好或拱脚水平推力较小时，拱的水平推力可直接作用在基础上，通过基础传给地基。为了更有效地抵抗水平推力，防止基础滑移，也可将基础底面做成斜坡状。落地拱四、拱的应用拱在建筑结构中的应用十分广泛，如桥、屋顶、窗洞、门洞、水坝、体育馆等大量采用拱结构。五、拱式结构的选型与布置（一）结构支承方式三铰拱为静定结构，由于跨中存在着顶铰，使拱本身和屋盖结构构造复杂，因而目前较少采用。两铰拱和无铰拱均为超静定结构，两铰拱的优点是受力合理、用料经济、制作和安装比较简单，对温度变化和地基变形的适应性较好，目前较为常用。无铰拱受力最为合理，但对支座要求较高，当地基条件较差时，不宜采用。（二）拱的矢高拱的矢高应考虑建筑空间的使用、建筑造型、结构受力、屋面排水构造等的要求和合理性来确定。1、矢高应满足建筑使用功能和建筑造型的要求矢高决定了建筑物的体量、建筑内部空间的大小，特别是对于散料仓库、体育馆等建筑，矢高应满足建筑使用功能上对建筑物的容积、净空、设备布置等要求。同时，拱的矢高直接决定拱的外形，因此矢高必须满足建筑造型的要求。2、矢高的确定应使结构受力合理拱脚水平推力的大小与拱的矢高成反比。当地基及基础难以平衡拱脚水平推力时，可通过增加拱的矢高来减小拱脚水平推力，减轻地基负担，节省基础造价。但矢高大，拱身长度增大，拱身及其屋面覆盖材料的用量将增加。3、矢高应满足屋面排水构造的要求矢高的确定应考虑屋面做法和排水方式。对于瓦屋面及构件自防水屋面，要求屋面坡度较大，则矢高较大。对于油毡屋面，为防止夏季高温时引起沥青流淌，坡度不能太大，则相应地矢高较小。（三）拱轴线方程从受力合理的角度出发，应选择合理的拱轴线方程，使拱身内只有轴力，没有弯矩。但合理拱轴线的形式不但与结构的支座约束条件有关，还与外荷载的形式有关。而在实际工程中，结构所承受的荷载是变化的。因此，要找出一条能适应各种荷载条件的合理拱轴线是不可能的，对于大跨度公共建筑的屋盖结构，一般根据恒荷载来确定合理拱轴线方程，实际工程中常采用抛物线。设计中只能根据主要的荷载组合，确定一个相对较为合理的拱轴线方程，使拱身主要承受轴力，减少弯矩。（四）拱身截面高度拱身截面可以采用等截面也可采用变截面。变截面一般是改变截面的高度而使截面的宽度保持不变。拱身截面的变化应根据结构的约束条件与主要荷载作用下的弯矩图一致，弯矩大处截面高度较大，弯矩小处截面高度可小些。拱是曲线形受压或压弯杆件，需要验算其受压稳定性。在拱轴线平面外的方向，可按轴心受压构件考虑，其稳定性可由屋面结构的支撑系统及檩条或大型屋面板体系来保证。（五）拱式结构的布置拱式结构可以根据平面的需要交叉布置，构成圆形平面或其他正多边形平面。（六）拱式结构的支撑系统拱为平面受压或压弯结构，因此必须设置横向支撑并通过檩条或大型屋面板体系来保证拱在轴线平面外的受压稳定性。为了增强结构的纵向刚度，应设置纵向支撑与横向支撑形成整体。拱支撑系统的布置原则与单层刚架结构类似。第二节拱结构典型案例土耳其索非亚大教堂巴黎圣母院拱式桥的组成拱式桥乌巢河大桥上海卢浦大桥北京首都国际机场3号航站楼作业1、试比较石梁、木梁、钢梁、钢筋混凝土梁、预应力混凝土梁、钢-混凝土组合梁特点。2、什么是刚架结构和排架结构？3、单层刚架结构的受力特点是什么？4、桁架结构的组成是什么？力学特点和计算假定是什么？5、试说明拱结构的受力特点。