拱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第9章大跨度建筑的結(jié)構(gòu)型式拱式結(jié)構(gòu)

Ch9.1?本章主要內(nèi)容：?????1、拱的受力特點(diǎn)2、拱腳水平推力的平衡3、拱式結(jié)構(gòu)的形式4、拱式結(jié)構(gòu)的選型與布置5、拱式結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建拱的受力特點(diǎn)

拱是一種歷史悠久、至今仍在大量應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式。古今中外的能工巧匠 和工程師們?yōu)槲覀儎?chuàng)造了許多杰出的拱結(jié)構(gòu)典范，至今仍為人們所稱道， 如我國(guó)古代的趙州橋、古羅馬的半圓拱券城門(mén)、哥特式建筑的尖拱等。我 們知道，當(dāng)構(gòu)件截面上承受均勻的應(yīng)力作用（軸向拉力或壓力作用），材 料的利用效率最高，往往形成性能良好的結(jié)構(gòu)體系。 拱結(jié)構(gòu)主要承受壓力，可利用和發(fā)揮抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高而又容易得到的天 然石材、燒結(jié)磚,甚至土坯來(lái)建造拱,當(dāng)然現(xiàn)代的拱結(jié)構(gòu)還可用鋼筋混凝土 或鋼材建造。拱結(jié)構(gòu)是使構(gòu)件擺脫彎曲變形的一種突破性發(fā)展,它為抗壓 性能好的材料提供了一種理想的結(jié)構(gòu)型式。

拱的分類：

backPDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建?1、支座反力backPDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建2、拱身截面的內(nèi)力backPDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建back(1)拱身內(nèi)的彎矩小于相同跨度，相同荷載作用下簡(jiǎn)支梁內(nèi)的彎矩。(2)拱身截面內(nèi)的剪力小于相同跨度、相同荷載作用下簡(jiǎn)支梁內(nèi)的剪力。(3)拱身截面內(nèi)存在有較大的軸力，而簡(jiǎn)支梁中是沒(méi)有軸力的。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建?3、拱的合理軸線軸心受力構(gòu)件截面上應(yīng)力分布均勻，可以充分利用材料的強(qiáng)度。因此，拱式結(jié)構(gòu)受力最理想的情況應(yīng)是使拱身內(nèi)彎矩為零，僅承受軸力。只要拱軸線的豎向坐標(biāo)與相同跨度、相同荷載作用下的簡(jiǎn)支梁彎矩值成比例，即可使拱截面內(nèi)僅有軸力沒(méi)有彎矩。滿足這一條件的拱軸線稱為合理拱軸力。在沿水平方向均布的豎向荷載作用下，簡(jiǎn)支梁的彎矩圖為一拋物線，因此，在豎向均布荷載作用下，合理拱軸線應(yīng)為一拋物線。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建拱截面上的彎矩小于相同條件的簡(jiǎn)支梁截面上的彎矩， 拱截面上的剪力也小于相同條件筒支梁截面上的剪力， 這是拱式結(jié)構(gòu)比梁式結(jié)構(gòu)受力合理的地方。同時(shí)，拱式結(jié)構(gòu)中以軸力為主，可以使用廉價(jià)的圬工材 料，并可充分發(fā)揮這類材料的抗壓承載力，這也是拱在 工程中得到廣泛應(yīng)用的主要原因。但是拱式結(jié)構(gòu)中有較 大的支座水平推力，這是設(shè)計(jì)中必須加以注意的。當(dāng)拱 腳地基反力不能有效地抵抗其水平推力時(shí)，拱便成為曲 梁，這時(shí)拱截面內(nèi)將產(chǎn)生與梁截面相同的彎矩。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建

9.1.2拱腳水平推力的平衡1、水平推力直接由拉桿承擔(dān)PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建2、水平推力通過(guò)剛性水平結(jié)構(gòu)傳遞給總拉桿需要有水平剛度很大的、位于拱腳處的天溝板或副跨屋蓋結(jié)構(gòu)作為剛性水平構(gòu)件以傳遞拱的推力。拱的水平推力作用在剛性水平構(gòu)件上，通過(guò)剛性水平構(gòu)件傳給設(shè)置在兩端山墻內(nèi)的總拉桿來(lái)平衡。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是立柱不承受拱的水平推力，柱內(nèi)力較小，兩端的總拉桿設(shè)置在房屋山墻內(nèi)。建筑室內(nèi)沒(méi)有拉桿，可充分利用室內(nèi)建筑空間，效果較好。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建3、水平推力由豎向承重結(jié)構(gòu)承擔(dān)PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建當(dāng)拱腳荷載通過(guò)框架傳遞至地基時(shí)，要求兩側(cè)的副跨框架必須具有足夠的剛度，框架結(jié)構(gòu)在拱腳水平椎力作用下的側(cè)移極小，方可保證上部拱屋架的正常工作。同時(shí)，框架基礎(chǔ)除受到偏心壓力外，也將受到水平推力的作用。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建4、水平推力直接作用在基礎(chǔ)上

對(duì)于落地拱，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好或拱腳水平推力較小時(shí)，拱的水平推力可直接作用在基礎(chǔ)上，通過(guò)基礎(chǔ)傳給地基。為了更有效地抵抗水平推力，防止基礎(chǔ)滑移，也可將基礎(chǔ)底面做成斜坡?tīng)?。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建9.1.3拱式結(jié)構(gòu)的形式從力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)圖看，可分成無(wú)鉸拱、兩鉸拱和三鉸拱；按應(yīng)用材料分類，有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、膠合木結(jié)構(gòu)、磚石砌體結(jié)構(gòu)：從拱身截面看，有格構(gòu)式和實(shí)腹式、等截面和變截面。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建1、鋼結(jié)構(gòu)拱鋼結(jié)構(gòu)拱有實(shí)腹式和格構(gòu)式兩種。一般采用格構(gòu)式，以節(jié)省材料。實(shí)腹式拱可以做成具有曲線形的外形，通常為焊接工字形截面。格構(gòu)式拱因分段后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝的組裝，若設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)單元，可方便施工。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建2、鋼筋混凝土拱鋼筋混凝土拱一般采用實(shí)腹式，以方便施工。鋼筋混凝土拱的拱身截面一般為矩形或工字形，上鋪大型預(yù)制屋面板，也可做成折板拱、波形拱或網(wǎng)狀筒拱成為梁板結(jié)構(gòu)。吊桿的作用是減小拉桿的自由長(zhǎng)度，避免拉桿在自重作用下垂度太大。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建f9.三1.三4拱式三結(jié)構(gòu)三的選三型與三布置1、結(jié)三構(gòu)支三承方三式三鉸三拱兩鉸三拱無(wú)鉸三拱2、拱三的矢三高(1三)滿足三建筑三使用功能三和建三筑造三型的要求(2三)應(yīng)使三結(jié)構(gòu)三受力合理(3三)應(yīng)滿三足屋三面排水構(gòu)三造的三要求PD三F三文件三使用三"三pd三fF三ac三to三ry三P三ro三"三試用三版本三創(chuàng)建(三)xl三xy?=23、拱三軸線三方程?合理三的拱三軸線三方程三，使三拱身三只有三軸力三，沒(méi)三有彎三矩。合理三拱軸三線的三形式三不但三與結(jié)三構(gòu)的三支座三約束三條件三有關(guān)三，還與外三荷的三形式三有關(guān)三，而三在實(shí)三際工三程中三，結(jié)三構(gòu)所三承受三的荷載是三變化三的，三如風(fēng)三荷載三可能三有不三同的三方向三，豎三向活三荷載可能三有不三同的三作用三位置三，因三此，三要找三出一三條能三適應(yīng)三各種荷載三條件三的合三理拱三軸線三是不三可能三的，三設(shè)計(jì)三中只三能根三據(jù)主要的三荷載三組合三，確三定一三個(gè)相三對(duì)較三為合三理的三拱軸三方程三一一使拱三身主三要承三受軸三力，三減少三彎矩三。例三如，三對(duì)于三大跨三度公共建三筑的三屋蓋三結(jié)構(gòu)三，一三般根三據(jù)恒三荷載三來(lái)確三定合三理拱三軸線方程三，實(shí)三際工三程中三常采三用拋三物線三形。l4fPD三F三文件三使用三"三pd三fF三ac三to三ry三P三ro三"三試用三版本三創(chuàng)建4、拱三身截三面高三度拱身三的計(jì)三算長(zhǎng)三度：三鉸三拱:l三o＝三0.三58三S雙鉸三拱:三lo三＝0三.5三4S無(wú)鉸三拱:三lo三＝0三.3三6SPD三F三文件三使用三"三pd三fF三ac三to三ry三P三ro三"三試用三版本三創(chuàng)建5、拱三式結(jié)三構(gòu)的三布置PD三F三文件三使用三"三pd三fF三ac三to三ry三P三ro三"三試用三版本三創(chuàng)建PD三F三文件三使用三"三pd三fF三ac三to三ry三P三ro三"三試用三版本三創(chuàng)建6、拱三式結(jié)三構(gòu)的三支撐三系統(tǒng)拱為三平面三受壓三或受三彎結(jié)三構(gòu)，三因此三，必三須設(shè)三置橫三向支三撐并三通過(guò)檁三條或三大型三屋面三板體三系來(lái)三保證三拱在三軸線三平面三外的三受壓三穩(wěn)定性三，為三了增三強(qiáng)結(jié)三構(gòu)的三縱向三剛度三來(lái)傳三遞作三用于三山墻三上的三風(fēng)荷載三，還三應(yīng)設(shè)三置縱三向支三撐與三橫向三支撐三形成三整體三。PD三F三文件三使用三"三pd三fF三ac三to三ry三P三ro三"三試用三版本三創(chuàng)建9.三1.三5拱式三結(jié)構(gòu)三的工三程實(shí)三例?1.三北京三崇文門(mén)三菜市三場(chǎng)?菜市三場(chǎng)中三間為三32三m×三36三m營(yíng)三業(yè)大三廳，三屋頂三采用三兩鉸三拱結(jié)構(gòu)，三上鋪加氣三混凝三土板三。大三廳兩三側(cè)為三小營(yíng)三業(yè)廳三、倉(cāng)三庫(kù)及三其它三用房三，采三用框架三結(jié)構(gòu)三。拱三的水三平推三力和三垂直三壓力三由兩三側(cè)的三框架三承受三。?拱為三裝配三整體三式鋼三筋混三凝土三結(jié)構(gòu)三。?為了三施工三方便三，拱三軸采三用圓三弧形三，圓三弧半三徑為三34三mm三，選三擇不三同的失三高會(huì)三有不三同的三建筑三外形三，同三時(shí)也三影響三結(jié)構(gòu)三的受三力。?當(dāng)圓三弧半三徑3三4m三、矢三高4三m時(shí)三，f三/l三=l三/8三，高三跨比三小，三這是三由建三筑外形三要求三決定三的。三矢高三小，三拱的三推力三大，三框架三的內(nèi)三力也三相應(yīng)三增大，三拱的三材料三用量三增加三。?當(dāng)矢三高改三為f三=l三/5三=6三.4三m時(shí)三，相三應(yīng)的三拱軸三半徑三為2三3.三2m三，此三時(shí)拱三腳水平三推力三可減三少60三%左三右，三但建三筑外形不三太好三，屋三面根三部坡三度也大，三對(duì)油三氈防三水不三利。PD三F三文件三使用三"三pd三fF三ac三to三ry三P三ro三"三試用三版本三創(chuàng)建PD三F三文件三使用三"三pd三fF三ac三to三ry三P三ro三"三試用三版本三創(chuàng)建為了三施工三方便三，拱三軸采三用圓三弧形三，圓三弧半三徑為34三mm三，選三擇不三同的失三高會(huì)三有不三同的三建筑三外形三，同時(shí)也三影響三結(jié)構(gòu)三的受三力。當(dāng)圓三弧半三徑34三m、三矢高三4m三時(shí)，三f/三l=三l/三8，三高跨三比小三，這三是由三建筑外形三要求決三定的三。矢三高小三，拱三的推三力大三，框三架的三內(nèi)力三也相三應(yīng)增大，三拱的三材料三用量三增加三。當(dāng)矢三高改三為f=三l/三5=三6.三4m三時(shí)，三相應(yīng)三的拱三軸半三徑為三23三.2三m，三此時(shí)三拱腳水三平推三力可三減少三60三%左三右，三但建三筑外三形不三太好三，屋三面根三部坡度也三大，三對(duì)油三氈防三水不三利。PD三F三文件三使用三"三pd三fF三ac三to三ry三P三ro三"三試用三版本三創(chuàng)建2、三湖南三湘灃三鹽礦三2.三5萬(wàn)三噸散三裝鹽三庫(kù)PD三F三文件三使用三"三pd三fF三ac三to三ry三P三ro三"三試用三版本三創(chuàng)建PD三F三文件三使用三"三pd三fF三ac三to三ry