拱結(jié)構(gòu)概述及理論分析

1、拱結(jié)構(gòu)概述及理論分析思考什么是建筑？建筑的基本構(gòu)成？什么是建筑？ 建筑是人們用土、石、木、鋼、玻璃、蘆葦、塑料、冰塊等一切可以利用的材料，建造的構(gòu)筑物。建筑的本身不是目的，建筑的目的是獲得建筑所形成的“空間”。建筑基本構(gòu)成？跨度：只有跨度才能構(gòu)成空間。垂直支撐，只有通過(guò)垂直支撐，才能將跨度所形成的荷載傳至地面?？缍群痛怪敝问菢?gòu)成建筑的關(guān)鍵元素！柱柱梁最簡(jiǎn)單梁柱體系：實(shí)現(xiàn)了建筑最基本的要求。 作為人類文明的發(fā)源地，為什么古埃及人、古希臘人以及勤勞智慧的中國(guó)人無(wú)法完成猶如現(xiàn)代框架結(jié)構(gòu)的通透簡(jiǎn)捷呢？受壓受拉跨度越大效果越明顯。石材：抗壓強(qiáng)度高抗拉強(qiáng)度低 因此，不論是古埃及人還是古希臘人，都無(wú)法基于

2、石材實(shí)現(xiàn)更大的跨度必須依靠密集的柱列減小梁的跨度，目的是減小梁底的受拉作用，防止巨大的石塊在毫無(wú)預(yù)知的情況下，拉斷并突然跌落！自然界中的拱：張家界：天門山桂林：象鼻山老鼠洞陜北窯洞拱：這些結(jié)構(gòu)的共同特征 羅馬人首先發(fā)現(xiàn)了拱，并依據(jù)力學(xué)原理，對(duì)其進(jìn)行了深入的分析。萬(wàn)神殿就是這一原理杰作 因此大圓頂建筑也被叫做羅馬式建筑。ABCxyqLLH可以避免出現(xiàn)截面受拉狀況，充分發(fā)揮材料的受壓性能，實(shí)現(xiàn)大跨度。這對(duì)于工程技術(shù)極不發(fā)達(dá)，只能依靠自然材料構(gòu)建大型建筑的古代，何其重要！因此，可以說(shuō)，拱結(jié)構(gòu)是古代建筑工程發(fā)展程度的重要標(biāo)志。羅馬時(shí)期，無(wú)疑是典型的代表。意義：趙州橋隋唐巔峰趙州橋。距今1400年拱結(jié)構(gòu)

3、的形式拱與外墻的關(guān)系扶壁穹頂側(cè)墻地面基礎(chǔ)穹頂側(cè)墻穹頂側(cè)墻彎矩大基礎(chǔ)地面?巴黎圣母院同濟(jì)大禮堂哥特式十字拱： 公元一世紀(jì)開(kāi)始使用的一種拱券形式，即相交的筒形拱。它覆蓋在方形的間上，只需要四角有柱子，而不必要連續(xù)的承重墻，建筑內(nèi)部空間得到解放；而且便于開(kāi)側(cè)窗，大有利于大型建筑物的采光。它是拱券技術(shù)的極有意義的重大進(jìn)步。拱結(jié)構(gòu)也可以做成連續(xù)拱連續(xù)拱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之間的推力平衡，使其可以減少對(duì)于地質(zhì)狀況的依賴性。推力推力推力平衡形成垂直作用連續(xù)倒塌效應(yīng)！為了避免多米勒骨牌式的坍塌，較長(zhǎng)的連續(xù)拱橋需要設(shè)置特殊的、可以抵抗推力的橋墩。推力橋墩！為了避免多米勒骨牌式的坍塌，較長(zhǎng)的連續(xù)拱橋需要設(shè)置特殊的、可以抵抗推

4、力的橋墩。推力橋墩！前南斯拉夫電影：橋就是要炸掉這里，阻止德軍快速修復(fù)這座橋。黑山塔拉河谷大橋 現(xiàn)代拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)代拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：橋梁：美國(guó)新河峽谷大橋：主跨518m，最大鋼桁拱橋1977年，世界第二現(xiàn)代拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：橋梁：上海盧浦大橋：550m，融入了斜拉橋、拱橋和懸索橋現(xiàn)代拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：橋梁：巫峽長(zhǎng)江大橋：鋼管中承式拱橋，主跨492m。現(xiàn)代拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：體育場(chǎng)館：沈陽(yáng)奧林匹克中心現(xiàn)代拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：體育場(chǎng)館：雅典奧林匹克中心現(xiàn)代拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：大型公共建筑：兵馬俑場(chǎng)館拱應(yīng)用：土拱效應(yīng)：土層中的拱作用的產(chǎn)生與拱結(jié)構(gòu)物不一樣，拱結(jié)構(gòu)是把材料制成拱形狀，在荷載作用下發(fā)揮其承受壓力的作用;而土拱有其自

5、身的形成過(guò)程:在荷載或自重的作用下，土體發(fā)生壓縮和變形，從而產(chǎn)生不均勻沉降，致使土顆粒間產(chǎn)生互相“楔緊”的作用，于是在一定范圍土層中產(chǎn)生“拱效應(yīng)”。 拱應(yīng)用：混凝土梁拱效應(yīng)： 在混凝土框架梁，尤其是深梁中的“拱效應(yīng)”，對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的提高起到一定的作用。拱應(yīng)用：砌體開(kāi)洞拱效應(yīng)：砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 7.2.2條： 對(duì)磚砌體，當(dāng)過(guò)梁上的墻體高度h n/3時(shí)，應(yīng)按墻體的均布自重采用。當(dāng)墻體高度hn/3時(shí)，應(yīng)按高度為n/3墻體的均布自重來(lái)采用；產(chǎn)生拱體一般需要兩個(gè)條件：拱座，如加筋、錨桿等介質(zhì)的不均勻的變形 拱座是產(chǎn)生介質(zhì)不均勻變形的直接原因，成拱效應(yīng)還存在于地下巖土巷道，建筑物的不連續(xù)基礎(chǔ)和擋土墻中。拱

6、的分類：按幾何構(gòu)造： 三鉸拱 兩鉸拱 無(wú)鉸拱兩鉸拱 無(wú)鉸拱 三鉸拱按外形： 雙折線型 圓弧線型 拋物線型按材料： 鋼結(jié)構(gòu) 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 磚石砌體結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)的理論分析三鉸拱的內(nèi)力計(jì)算一、拱的內(nèi)力計(jì)算原理仍然是截面法。二、拱通常受壓力，所以計(jì)算拱時(shí)，規(guī)定軸力以受壓為正。 三、實(shí)際計(jì)算時(shí)常將拱與相應(yīng)簡(jiǎn)支梁對(duì)比，通過(guò)公式完成計(jì)算。這些公式為繪制拱的影響線提供了方便。支座反力計(jì)算KAHBBHBHBHAVAVBPflayKxKxyK三鉸拱計(jì)算簡(jiǎn)圖 CxKKABHA0 = 0PVA0 VB0 C簡(jiǎn)支梁計(jì)算簡(jiǎn)圖 lX方向：Y方向：結(jié)論1在給定的荷載作用下，三鉸拱的支座反力僅與三個(gè)鉸的位置有關(guān)，與拱軸形狀無(wú)關(guān)

7、。豎向荷載下，支座豎向反力與簡(jiǎn)支梁相同，水平推力與矢跨比（f/l）成反比。內(nèi)力計(jì)算HAQKNKMKPVAAKVA0 PMK0QK0KxKyKa軸力：彎矩：剪力：結(jié)論2拱彎矩小于相同跨度相同荷載作用下簡(jiǎn)支梁的彎矩。拱截面有較大軸力，而簡(jiǎn)支梁沒(méi)有。拱截面的剪力小于相同跨度相同荷載下簡(jiǎn)支梁的剪力。合理拱軸線在給定的荷載作用下，能使所有截面上彎矩為0的拱軸線稱為合理拱軸線。按上述定義有：豎向均布荷載作用下，三鉸拱的合理拱軸線是二次拋物線。求得合理拱軸線方程為：拱的靜力特征由上述拱的分析得出：在豎向荷載作用下，拱的支座處將產(chǎn)生水平推力，由于支座處產(chǎn)生水平推力，它會(huì)產(chǎn)生使拱體外緣受拉的彎矩，使得合成后的截

8、面彎矩比相應(yīng)簡(jiǎn)支梁的彎矩小得多，在減小彎矩的同時(shí)增加了拱的軸力。由上述靜力特征，拱式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：與梁相比，用材節(jié)省、自重減輕，跨度較大。充分利用磚、石、混凝土材料的性能。缺點(diǎn)：需要支座提供較大的水平向推力，若使用弓弦拱則影響凈空使用高度。拱腳水平推力平衡拱是有推力的結(jié)構(gòu)，所以拱的支座應(yīng)能承受水平推力，通過(guò)得當(dāng)?shù)奶幚?，可以將結(jié)構(gòu)與建筑功能、建筑造型融合起來(lái)，拱腳水平推力有四種平衡方式水平推力由拉桿承擔(dān)優(yōu)點(diǎn)：水平力自相平衡、與外界無(wú)水平間的相互作用。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件不好時(shí)，較為經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)：由于拉桿的存在，浪費(fèi)空間。水平推力由豎向結(jié)構(gòu)承擔(dān)將水平推力和豎向荷載作用于豎向承重結(jié)構(gòu)上，豎向承重結(jié)構(gòu)一般為斜柱墩或是

9、位于兩側(cè)的框架結(jié)構(gòu)。一般該方案中，拱式屋蓋常為兩鉸拱或三鉸拱結(jié)構(gòu)。水平推力由剛性水平結(jié)構(gòu)承擔(dān)由水平剛度大、位于拱腳處的剛性水平構(gòu)件來(lái)傳遞水平推力。傳力路徑：拱腳剛性水平結(jié)構(gòu)兩端的總拉桿。 當(dāng)水平構(gòu)件剛度足夠大時(shí)，可認(rèn)為水平推力是自相平衡，不傳遞給柱子。室內(nèi)無(wú)拉桿，可充分利用室內(nèi)建筑空間，效果較好。水平推力由基礎(chǔ)直接承受利用地基基礎(chǔ)直接隨水平推力，不需立柱支承。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件好時(shí)可采用，此時(shí)基礎(chǔ)尺寸大，材料用量多。 拱結(jié)構(gòu)選型滿足：建筑使用功能和建筑造型要求；使結(jié)構(gòu)受力合理；滿足屋面排水構(gòu)造要求。拱的矢高拱軸線方程由于實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)所承受的荷載是變化的，因此不可能設(shè)計(jì)出完全沒(méi)有彎矩的軸線，但是可以根據(jù)荷載組合，確定一個(gè)相對(duì)較為合理的拱軸線方程，即可減少?gòu)澗亍Ｒ话愠Ｓ糜袙佄锞€，