kAAA建筑选型拱式结构123

1、第第4 4章章 拱式结构拱式结构1.1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点2.2.拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡3.3.拱式结构的型式拱式结构的型式4.4.拱式结构的选型和布置拱式结构的选型和布置5.5.拱式结构的工程实例拱式结构的工程实例 第4章 拱式结构拱的定义：拱的定义：杆的轴线为曲线，在竖向荷载作用下，产生水平杆的轴线为曲线，在竖向荷载作用下，产生水平推力的结构，拱内部主要承受轴向压力作用。推力的结构，拱内部主要承受轴向压力作用。高跨比高跨比f/l:f/l:一般一般1-1/101-1/10常用常用1/4-1/61/4-1/6。 第4章 拱式结构与简支梁相比，拱的优点：与简支梁相

2、比，拱的优点：（1 1）弯矩、剪力较小，轴压力较大）弯矩、剪力较小，轴压力较大（2 2）应力沿截面高度分布均匀）应力沿截面高度分布均匀（3 3）节省材料，减轻自重）节省材料，减轻自重（4 4）宜采用抗压强度高的材料，如石、砖、混凝土等）宜采用抗压强度高的材料，如石、砖、混凝土等（5 5）跨度较大，有较大的利用空间）跨度较大，有较大的利用空间拱的缺点：拱的缺点：（1 1）拱对基础或下部结构施加水平推力，增加了）拱对基础或下部结构施加水平推力，增加了 下部结构的材料用量；下部结构的材料用量；（2 2）拱的曲线形状，使施工不方便）拱的曲线形状，使施工不方便 第4章 拱式结构赵州桥，又名安济桥、大石赵

3、州桥，又名安济桥、大石桥，位于河北省赵县城南五桥，位于河北省赵县城南五里的洨河上，设计者是隋代里的洨河上，设计者是隋代杰出的工匠李春，建造于杰出的工匠李春，建造于大业六年大业六年(610(610年年) )。安济桥是。安济桥是目前世界最古老的现存完好目前世界最古老的现存完好的大跨度单孔敞肩坦弧石拱的大跨度单孔敞肩坦弧石拱桥。桥。19911991年年1010月月2424日，赵州日，赵州桥被评为国际土木工程里程桥被评为国际土木工程里程碑。碑。由三个整体平衡方程和由三个整体平衡方程和半边对中间铰取矩的力矩平衡方程半边对中间铰取矩的力矩平衡方程可推出三铰拱的反力计算公式为：可推出三铰拱的反力计算公式为：

4、0aarr0bbrr0cabmhhhf1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点1 1）支座反力计算）支座反力计算1)该组公式仅用于：两底铰在同一水平线上该组公式仅用于：两底铰在同一水平线上且承受竖向荷载。且承受竖向荷载。2)三铰拱的反力与跨度、矢高（即三铰的位置）三铰拱的反力与跨度、矢高（即三铰的位置）有关，而与拱轴线的形状无关。有关，而与拱轴线的形状无关。3)水平推力与矢高成反比。水平推力与矢高成反比。1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点1 1）支座反力计算）支座反力计算1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点1 1）支座反力计算）支座反力计算1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点2

5、2）拱身截面内力计算）拱身截面内力计算1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点2 2）拱身截面内力计算）拱身截面内力计算1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点2 2）拱身截面内力计算）拱身截面内力计算内力符号规定：内力符号规定：弯矩使内侧受拉为正；弯矩使内侧受拉为正；剪力绕顺时针转向为正；剪力绕顺时针转向为正；轴力以压力为正。轴力以压力为正。 1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点2 2）拱身截面内力计算）拱身截面内力计算弯矩计算弯矩计算 0kkmhykakmr xkhy11()kf xa1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点2 2）拱身截面内力计算）拱身截面内力计算kakmr x11(

6、)kf xakakmr x11()kf xakhykakmr x11()kf xa0kkmhykhykakmr x11()kf xa剪力计算剪力计算 0cossinkkkvhsinkh1coskfcoskakvr1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点2 2）拱身截面内力计算）拱身截面内力计算1coskfcoskakvrsinkh1coskfcoskakvr0cossinkkkvhsinkh1coskfcoskakvr轴力计算轴力计算 0sincoskkkvhcoskh1sinkfsinkaknr1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点2 2）拱身截面内力计算）拱身截面内力计算1.拱式结构的受

7、力特点拱式结构的受力特点2 2）拱身截面内力计算）拱身截面内力计算kakmr x0kkmhy0cossinkkkvhcoskakvr0sincoskkkvhsinkaknr弯矩小弯矩小 剪力小剪力小 拱存在较大轴力，拱存在较大轴力，简支梁没有简支梁没有与相同跨度相同荷载简支梁比较与相同跨度相同荷载简支梁比较确定合理拱轴线的条件：确定合理拱轴线的条件：m mk k=0=00kkkmmhy00mmhy0myh1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点3 3）拱的合理轴线）拱的合理轴线注意：注意： 该组公式仅用于平拱承受竖向荷载的情况；该组公式仅用于平拱承受竖向荷载的情况； 拱的左半跨拱的左半跨取正，

8、右半跨取正，右半跨取负；取负； 剪力等于零处弯矩有极值；剪力等于零处弯矩有极值； m m、v v、n n图均不再为直线。图均不再为直线。 集中力作用处集中力作用处v v图、图、n n图将发生突变，但突变图将发生突变，但突变值不等于集中力的大小。值不等于集中力的大小。 集中力偶作用处集中力偶作用处m m图发生突变。图发生突变。1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点概念：在给定荷载作用下使拱内各截面概念：在给定荷载作用下使拱内各截面弯矩剪力等于零弯矩剪力等于零, ,只有轴力的拱轴线。只有轴力的拱轴线。 1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点3 3）拱的合理轴线）拱的合理轴线1.拱式结构的受力特

9、点拱式结构的受力特点3 3）拱的合理轴线）拱的合理轴线1.拱式结构的受力特点拱式结构的受力特点3 3）拱的合理轴线）拱的合理轴线注意：合理轴线对应的是一组固定荷载注意：合理轴线对应的是一组固定荷载 即合理轴线是一组即合理轴线是一组均布竖向荷载作用下，均布竖向荷载作用下，抛物线。抛物线。 静水压力作用下，静水压力作用下，圆弧曲线。圆弧曲线。 填土重量作用下，填土重量作用下，悬链线悬链线 2.2.拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡1) 1) 直接由拉杆承担直接由拉杆承担2.2.拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡1) 1) 直接由拉杆承担直接由拉杆承担适用的拱：搁置在墙、柱上的屋盖；或者落地拱适

10、用的拱：搁置在墙、柱上的屋盖；或者落地拱特点：水平拉杆承受的拉力等于拱的推力，经济特点：水平拉杆承受的拉力等于拱的推力，经济合理，安全可靠；缺点是室内有拉杆，浪费空间合理，安全可靠；缺点是室内有拉杆，浪费空间落地拱一般把拉杆设置在地坪以下，墙柱上拱一落地拱一般把拉杆设置在地坪以下，墙柱上拱一般设成折线拉杆般设成折线拉杆拉杆用料：型钢、圆钢、预应力混凝土、钢绞线等拉杆用料：型钢、圆钢、预应力混凝土、钢绞线等2.2.拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡2) 2) 通过刚性水平结构传递给总拉杆通过刚性水平结构传递给总拉杆将位于拱脚处的天沟板或副跨屋盖结构看成是水平将位于拱脚处的天沟板或副跨屋盖结构看

11、成是水平放置的深梁，水平刚度足够大。两端拉杆为深梁的放置的深梁，水平刚度足够大。两端拉杆为深梁的支座，承受拱脚水平推力。支座，承受拱脚水平推力。目的：尽量少设拉杆。目的：尽量少设拉杆。特点：立柱不承受拱的推力，柱内力小；室内无拉杆特点：立柱不承受拱的推力，柱内力小；室内无拉杆2.2.拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡3) 3) 由竖向承重结构承担由竖向承重结构承担斜柱墩承担拱脚水平推力斜柱墩承担拱脚水平推力斜柱墩承担拱脚水平推力斜柱墩承担拱脚水平推力2.2.拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡侧边框架承担侧边框架承担拱脚水平推力拱脚水平推力2.2.拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡2.2.

12、拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡侧边框架承担侧边框架承担拱脚水平推力拱脚水平推力美国威尔顿综合大厅美国威尔顿综合大厅某体育馆某体育馆2.2.拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡扶壁墙墩承担扶壁墙墩承担拱脚水平推力拱脚水平推力3) 3) 由竖向承重结构承担由竖向承重结构承担2.2.拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡4) 4) 直接作用在基础上直接作用在基础上基础直接承担基础直接承担拱脚水平推力拱脚水平推力适用适用 的拱：落地拱的拱：落地拱适用条件：水平推力不太大或地质条件适用条件：水平推力不太大或地质条件较好较好特点：基础尺寸比较大，材料用料较多特点：基础尺寸比较大，材料用料较多基础直接承

13、担基础直接承担拱脚水平推力拱脚水平推力2.2.拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡4) 4) 直接作用在基础上直接作用在基础上3.3.拱式结构的型式拱式结构的型式1 1）按分布荷载的位置分）按分布荷载的位置分3.3.拱式结构的型式拱式结构的型式2 2）按结构体系分）按结构体系分简单体系拱：简单体系拱：无铰拱、两铰拱、三铰拱无铰拱、两铰拱、三铰拱组合体系拱：组合体系拱：无推力拱、有推力拱无推力拱、有推力拱3.3.拱式结构的型式拱式结构的型式3 3）按主拱圈截面型式分）按主拱圈截面型式分实腹式、格构式、实腹式、格构式、等截面、变截面等截面、变截面3.3.拱式结构的型式拱式结构的型式4 4）按拱轴线

14、型式分）按拱轴线型式分圆弧拱圆弧拱抛物线拱抛物线拱悬链线拱悬链线拱低拱低拱高拱高拱一般做为曲线外形一般做为曲线外形常为焊接工字型截面常为焊接工字型截面格构式格构式节省材料节省材料施工快施工快构造简单构造简单受力合理受力合理稳定性好稳定性好3.3.拱式结构的型式拱式结构的型式钢钢结结构构拱拱实腹式实腹式5 5）按拱身材料分）按拱身材料分德国某建筑入口处钢拱德国某建筑入口处钢拱 北京体育馆北京体育馆德国某建筑入口处钢拱德国某建筑入口处钢拱常为工字型截面或矩形截面常为工字型截面或矩形截面施工方便施工方便3.3.拱式结构的型式拱式结构的型式钢钢筋筋混混凝凝土土拱拱实腹式实腹式5 5）按拱身材料分）按拱

15、身材料分常做成常做成板式截面拱结构板式截面拱结构把屋面板与拱合二为一，既是承把屋面板与拱合二为一，既是承重拱结构，本身又是屋面板。重拱结构，本身又是屋面板。优点是省料、自重轻，室内视觉优点是省料、自重轻，室内视觉效果好效果好无锡体育馆（波形拱） 同济建筑同济建筑礼堂，礼堂，建于建于19621962年。位于校园内图书馆后侧。礼堂大厅宽年。位于校园内图书馆后侧。礼堂大厅宽4040米、长米、长5656米，正面入口处为深米，正面入口处为深8 8米、宽米、宽2020米的米的5 5间折板顶开敞式门廊，间折板顶开敞式门廊，门廊内进厅上层为放映室。大厅内侧为舞台。结构采用净跨门廊内进厅上层为放映室。大厅内侧为

16、舞台。结构采用净跨4040米，外米，外跨跨5454米装配整体式钢筋混凝土联方网架。网架顶作弧形拱状，外侧每米装配整体式钢筋混凝土联方网架。网架顶作弧形拱状，外侧每8 8米布置钢筋混凝土三脚架米布置钢筋混凝土三脚架1 1对，以承受拱的侧推力。大厅两侧开门，对，以承受拱的侧推力。大厅两侧开门，网架起拱处辟折板顶老虎窗。网架起拱处辟折板顶老虎窗。 “ “落地拱落地拱”及及“钢筋混凝土联方网架钢筋混凝土联方网架”是那一时期的孤例。是那一时期的孤例。 礼堂侧面设计极富韵律感，内礼堂侧面设计极富韵律感，内顶网顶网架的侧墙支点每隔架的侧墙支点每隔4 4米的设米的设计有一个折光老虎窗，如此神计有一个折光老虎窗

17、，如此神来之笔，令礼堂内呈现出非凡来之笔，令礼堂内呈现出非凡的采光。的采光。拱状弧顶礼堂，拱状弧顶礼堂，采光竟有两叠折印折射采光竟有两叠折印折射 19971997年年重庆重庆万县万县长江大桥长江大桥建成。大桥位于万州区（原万县建成。大桥位于万州区（原万县市）黄牛孔处，是市）黄牛孔处，是上海上海至至成都成都高速公路跨越高速公路跨越峡江峡江天险的特天险的特大型大型拱桥拱桥。大桥一跨飞渡长江，全长。大桥一跨飞渡长江，全长 856.12856.12米，主米，主拱圈拱圈为为钢管混凝土劲性骨架箱型钢管混凝土劲性骨架箱型混凝土结构混凝土结构，主跨，主跨420420米，桥面宽米，桥面宽2424米，为双向四车道

18、，是世界最大跨径的混凝土拱桥。米，为双向四车道，是世界最大跨径的混凝土拱桥。 乌巢河桥乌巢河桥位于湖南省凤凰县沱江源头的乌巢河狭谷的县道位于湖南省凤凰县沱江源头的乌巢河狭谷的县道上。乌巢河大桥全长，该桥因地制宜，就地取材，上。乌巢河大桥全长，该桥因地制宜，就地取材，综合应用和发展了中国近多年来建设石拱桥的经验，综合应用和发展了中国近多年来建设石拱桥的经验，建成桥宽、主跨为的双肋石拱桥，腹拱桥为建成桥宽、主跨为的双肋石拱桥，腹拱桥为孔，南岸引桥孔，北岸引桥孔。孔，南岸引桥孔，北岸引桥孔。该桥是目前世界上最大跨径石拱桥纪录的保持者。于该桥是目前世界上最大跨径石拱桥纪录的保持者。于年建成通车。年建成

19、通车。1）拱式结构的支承方式4.4.拱式结构的选型与布置拱式结构的选型与布置有顶铰，拱本身有顶铰，拱本身和屋盖结构复杂和屋盖结构复杂受力最合理，但对受力最合理，但对支座要求较高，地支座要求较高，地基较差不宜采用基较差不宜采用受力合理，用料省，受力合理，用料省，施工简单，能适应施工简单，能适应温度变化和支座位移。温度变化和支座位移。2）拱的矢高建筑空间使用要求建筑空间使用要求建筑容积、净空等建筑容积、净空等建筑造型要求建筑造型要求矢高决定建筑外部形象矢高决定建筑外部形象结构受力合理结构受力合理矢高增大，拱脚推力减小；矢高增大，拱脚推力减小；矢高太大，材料用量增大矢高太大，材料用量增大4.4.拱式结构的选型与布置拱式结构的选型与布置屋面排水构造屋面排水构造瓦屋面或构件自防水屋面，矢高瓦屋面或构件自防水屋面，矢高大；油毡屋面，矢高小大；油毡屋面，矢高小3）拱的轴线方程找到适应各种荷载条件的合理拱轴线，不可能！找到适应各种荷载条件的合理拱轴线，不可能！设计中，根据主要荷载组合，确定相对合理拱轴线，设计中，根据主要荷载组合，确定相对合理拱轴线，使拱主要承受轴力，减小弯矩。使拱主要承受轴力，减小弯矩。4.4.拱式结构的选型与布置拱式结构的选型与布置实际工程中常采用抛物线形，拱轴线方程为实际工程中常采用抛物线形，拱轴线方程为可以