《拱结构.ppt

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。 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。 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。 （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。 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