拱式结构体系

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1、拱式结构体系在本小节中我们要给大家介绍拱式结构体系的组成、优缺点及适用范围；拱式结构体系的合理布置原则及及受力特点。在房屋建筑和桥梁工程中，拱是一种十分古老而现代仍在大量应用的结构型式。它是以受轴向压力为主的结构，这对于混凝土、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。而且能获得较好的经济和建筑效果。因而很早以前，拱就得到了十分广泛的应用。在我国，很早就成功地采用了拱式结构。公元605～616年隋代人在河北赵县建造的单孔石拱桥一安济桥（又称赵州桥），横越交河，跨度37.37m。它距今近140

2、0年，虽经多次地震，而巍峨挺立，是驰名中外的工程技术与建筑艺术完美结合的杰作。在古代的西方，建造了许多体型庞大、气魄雄伟的拱式建筑。在建筑规模、空间组合、建筑技术与建筑艺术等方面都取得了辉煌的成就，并对欧洲与世界建筑产生巨大的影响。古罗马最著名的穹顶（半圆拱）结构，当推公元前27～14年建造，后因焚毁并于公元120～123年重建的罗马万神庙（图1-29）,其中央内殿为直径43.5m的半圆球形穹顶，穹顶净高距地面也是43.5m。它是古罗马穹顶技术的最高代表作，也是世界建筑史上最早、最大的大跨结构。图1-29罗马，万神庙a一剖面图；b一平面图；c一穹顶（半圆拱）结构

3、近、现代的拱式结构应用范围很广，而且型式多种多样。例如著名的澳大利亚悉尼歌剧院（图1-30，始建于1957年）是大家熟知的建筑，处于深入海中的半岛上。建筑形象的基本元素一一拱壳，不但是主要的结构构件，而且是一个符号，一种象征，一个母题，它既象“白帆”、“浪花”，又象盛开的巨莲，使人产生丰富的联想。图1-30澳大利亚悉尼歌剧院一、拱结构的类型及其受力特点拱的类型很多，按结构组成和支承方式，拱可分为三铰拱、两铰拱、和无铰拱三种，如图1-31。图1-31拱结构计算简图a)三铰拱b）两铰拱c）无铰拱三铰拱为静定结构，两铰拱和无铰拱为超静定结构。拱结构的传力路线较短，因此

4、拱是较经济的结构型式。与刚架相仿，只有在地基良好或两侧拱脚处有稳固边跨结构时，才采用无铰拱。一般，无铰拱有用于桥梁的，却很少用于房屋建筑。双铰拱应用较多。跨度小者拱重不大，可整体预制。跨度大者，可沿拱轴线分段预制，现场地面拼装好后，再整体吊装就位。如北京崇文门菜场的32m跨双铰拱，就是由五段工字形截面拱段拼装成的。双铰拱乃一次超静定结构，对支座沉降差，温度差及拱拉杆变形等都较敏感。为适应软弱地基上支座沉降差及拱拉杆变形，最好采用静定结构的三铰拱。在跨中央设永久性铰后也便于分段制作，对大跨度拱更为有利。例如西安秦涌博物馆展览厅的67m跨的三铰拱，由于地基为I～Ⅱ级

5、湿陷性黄土，密度小压缩大，不宜用象双铰拱、网架等超静定结构，故采用了静定结构的钢三铰拱。拱与梁的主要区别是拱的主要内力是轴向压力，而弯矩和剪力很小或为零；但拱有支水平反力，一般称为水平推力（简称推力）。从图1-32可以看出，粱在荷载P的作用下，要向下挠曲；拱在同样荷载P作用下，拱脚支座产生水平反力H。它起着抵消荷载P引起的弯曲作用，从而减少了拱的弯矩峰值。图1-32拱与粱的受力分析（a）简支粱受力特点（b）拱的受力特点（c）拱的传力络线　　现以三铰拱为例，进一步说明拱的受力特点：1.拱脚处的水平推力三铰拱和筒支梁相比，在跨度与荷载相同条件下（图1-33）,其水平

6、推力H为HA=1f[VAl2−P1(l2−a1)]=M0cf式中,M0C—表示简支梁在C截面处的弯矩;f—表示拱的矢高。图1-33三铰拱的受力分析由上式可知：（1）在竖向荷载作用下，拱脚支座内将产生水平推力。拱脚水平推力的大小等于相同跨度简支梁在相同竖向荷载作用下所产生的在相应于顶铰C截面上的弯矩M0C除以拱的矢高f。（2）当结构跨度与荷载条件一定时，M0C为定值，拱脚水平推力H与拱的矢高f成反比。2.拱身截面的内力为求拱身D截面处的内力，取脱离体如图1-34所示。图1-34从结构力学中我们知道，拱杆任意截面的内力为：MD=M0−HyND=V0sinϕ+Hcos

7、ϕVD=V0cosϕ−Hsinϕ　　　　　　　（1-4）式中：M0与V0为相应简支梁的弯矩和剪力。由以上公式可知：（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，减少了Hy。而且，水平推力H与y的乘积越大，拱杆截面的弯矩越小。因此在一定荷载作用下，可以改变拱的轴线，使其各截面的弯矩为零，这样拱杆就只受轴力作用。（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。　　　　确定拱轴的形式主要有两点:（1）拱的合理轴线（2）拱的矢高1.拱的合理轴线拱的合理轴线:在一定的荷载作用下，使拱截面内

8、仅有轴力没有弯矩，满足这