郭彦林,等钢拱结构设计理论与我国钢拱结

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1、郭彦林，等：钢拱结构设计理论与我国钢拱结构技术规程钢拱结构设计理论与我国钢拱结构技术规程*郭彦林窦超(清华大学土木系，北京100084)摘要：钢拱结构在竖向荷载作用下拱脚产生水平推力，将外荷载产生的弯矩转化为轴向压力，具有较高的结构承载效率。作为承受压力和弯矩为主的构件，钢拱结构的稳D定性能成为研究和设计中的主要问题。钢拱结构稳定问题的复杂性导致其稳定承载力设计理论的研究和应用严重滞后于工程实践。目前国内外均无较完善的设计规范或相关规程，我国正在编制的JGJ<铜拱结构技术规程》将在大量研究成果基础上补充这方面的内容。关键词：钢拱结构；稳定性；设计理论；技术规程DESIGNTH

2、EoRYANDCHINESEETECHNICALSPECIFICATloNFoRSTEELARCHSTRUCTUREYag，nTnmABSTRACT：AsteelarchsuectedmainlytopureUcoUmpressionorbothcompressionandbendingmomentiscontrolledbyitsstabilitybehaviorinthedesign．ThemaincharacteristicsarepointedoutinthispaperwhenitlosesO．stabilityinitsin—planeandout—of-plan

3、eofsteelarch．呈Itils～thecomplexityofstabilityofsteelarchesthatmakesthestudyandapplicationtothemnotsatisfytherequirementsofpracticalengineering，andsofartherearefewcodesBrelatedtothestabilitydesignofarchesworldwide．RecentlyaplanismakingtoattempttoformChineseTechnicalSPcc“￡oforSteelArchStructur

4、e(JGJ)basedOllplentyofresearches．KEYWORDS：steelarchstructure；stability；designtheory；technciaispecificationC构。图1给出了沿全跨竖向均布荷载作用及半跨竖l概述向均布荷载作用下，钢拱结构与同跨度直梁或曲梁钢拱结构在竖向荷载作用下，支座产生水平推(无水平推力)弯矩的比较，其中M0为无推力结构力，将外荷载产生的弯矩转化为轴向压力，从而使得的最大弯矩，可见钢拱结构的最大弯矩只有同跨度其与梁系构件在受力性能上存在本质差别。相同条直梁或曲梁的1／3。因此，钢拱结构能够提供充足件下，拱

5、截面上的弯矩要远小于同跨度梁系结构，提的内部空间，以其较高的结构承载效率，在土木工程高了结构的承载效率，因此钢拱结构也称为推力结中得到了广泛的应用。、＼2．．、．＼⋯．一～0⋯7位0：置、⋯／，‘／_{)．10-0．乏、＼，-015(1位置bca两铰拱、曲梁与直梁示意．b全跨竖向均布荷载作用下；c一半跨竖向均布荷载作用下1一f／l—o．1o；2／／l—o．30；3～f／l=0．50图1两铰拱弯矩分布钢拱结构具有重量轻、强度高等良好的力学性能，非常适合于桥梁、体育场馆等大跨度和超大跨度*国家自然科学基金资助项目(50478013)；《拱形钢结构技术规程》资助项目。结构(图2)，

6、其主要结构形式有实腹式钢拱、格构式第一作者：郭彦林，男，1958年1O月出生，教授，博士生导师。Email：gyl@mail．tsinghua．edu．cn钢拱和索一拱结构3大类。实腹式钢拱包括普通截收稿日期：2008—12一l9Stee1C0nstruction．2009(5)，Vo1．24．No．12059标准与规范面钢拱以及腹板开洞拱，一般应用于中小跨度结构，载力设计理论的研究严重滞后于工程实践。目前，仅其中腹板开洞拱继承了拱和开洞构件的特点，除了承有少数国家(如德国DIN18800与美国SSRC)在本载效率高外，通常在结构通透性要求较高的情况下应国钢结构设计规范中体现

7、出拱的稳定性计算方法，且用。格构式截面拱则是钢拱结构与桁架结构的衍生非常不完善；我国钢结构设计规范或相关规程中尚没体，以其曲线形式实现弯矩向轴力的转化，并通过格有反映拱的稳定性计算方法口]，目前正在编制的构的方式将弯矩转化为弦杆的轴力，具有更大的结构(JGJ)《钢拱结构技术规程》有望补充这方面的内容。承载效率，适用于大跨度及超大跨度空间结构。索一拱结构通过合理的布索，减小拱在承受荷载时对支座2钢拱结构的设计理论产生的水平推力，可以有效控制纯拱结构在非对称荷2．1钢拱的受力性能与失稳机理载下的变形，极大改