第4章拱式结构

1、建筑结构选型 第第4 4章章 拱式结构拱式结构 拱拱以轴向受压为主的结构；材料：砼、砖、石以轴向受压为主的结构；材料：砼、砖、石 等。等。 第四章第四章 拱式结构拱式结构 4.1 4.1 拱的受力特点拱的受力特点 4.2 4.2 拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡 4.3 4.3 拱式结构的型式拱式结构的型式 4.4 4.4 拱式结构的选型与布置拱式结构的选型与布置 4.5 4.5 拱式结构的工程实例拱式结构的工程实例 双铰拱双铰拱三铰拱三铰拱无铰拱无铰拱 4.1拱的受力特点拱的受力特点 （1）在竖向荷载作用下，拱脚支座内部将产生水平推力）在竖向荷载作用下，拱脚支座内部将产生水平推力 （2）

2、 （3）当结构跨度与荷载条件一定时，）当结构跨度与荷载条件一定时， 与矢高成反比与矢高成反比 f M HH C BA 0 BA HH 4.1拱的受力特点拱的受力特点 并与同跨度同荷载的简并与同跨度同荷载的简 支梁比较。支梁比较。 P H 拱与梁的受力分析拱与梁的受力分析 a) a) 简支梁受力特点简支梁受力特点 b) b) 拱的受力特点拱的受力特点 c) c) 拱的传力路线示意拱的传力路线示意 P P 4.1拱的受力特点拱的受力特点 由推算可知：由推算可知： （1）拱内的）拱内的 简支梁内的简支梁内的 （2）拱内的）拱内的 简支梁内的简支梁内的 （3）拱内有）拱内有 ，简支梁内没有轴力，简支梁

3、内没有轴力 0 D M 0 D V D M D V D N 4.1拱的受力特点拱的受力特点 DADD yHMM 0 0 1 D A D M H y 竖向均布荷载作用下，竖向均布荷载作用下， 为一抛物线，因此，合理拱轴线为为一抛物线，因此，合理拱轴线为 一抛物线。当一抛物线。当 时，可用圆弧线代替抛物线。时，可用圆弧线代替抛物线。 支座约束及荷载形式不同，其合理拱轴线将不同。如：对于支座约束及荷载形式不同，其合理拱轴线将不同。如：对于 受径向均布压力作用的无铰拱或三铰供，其合理拱轴线为圆受径向均布压力作用的无铰拱或三铰供，其合理拱轴线为圆 弧线弧线 0 D M 抛物线抛物线 圆弧线圆弧线 4/

4、lf 4.1拱的受力特点拱的受力特点 拱拱 优点：轴向受压为主优点：轴向受压为主 缺点：支座水平推力较大缺点：支座水平推力较大 曲梁曲梁 当拱脚地基反力不能有效抵抗其水平推力时拱便成了梁。当拱脚地基反力不能有效抵抗其水平推力时拱便成了梁。 4.1拱的受力特点拱的受力特点 拱脚水平推力由拉杆承担拱脚水平推力由拉杆承担 4.2拱脚的水平推力的平衡拱脚的水平推力的平衡 拱脚水平推力由拉杆承担拱脚水平推力由拉杆承担 拱脚的水平推力的平衡拱脚的水平推力的平衡 拱脚水平推力由拱脚水平推力由山墙内的拉杆山墙内的拉杆承担承担（北京展览馆电影厅）（北京展览馆电影厅） 1、结构布置方案如图、结构布置方案如图 2、

5、刚性水平构件：位于拱脚处的天沟板或副跨屋盖结构（看成是、刚性水平构件：位于拱脚处的天沟板或副跨屋盖结构（看成是 一根水平放置的深梁，水平刚度足够大）一根水平放置的深梁，水平刚度足够大） 3、优点：立柱不承受拱的推力，柱内力较小；室内没有拉杆、优点：立柱不承受拱的推力，柱内力较小；室内没有拉杆 4.2拱脚的水平推力的平衡拱脚的水平推力的平衡 拱脚水平推力由拱脚水平推力由斜柱墩斜柱墩承担承担 （图（图b为西安秦俑博物馆展览厅，三铰拱拱脚支于从基础斜挑为西安秦俑博物馆展览厅，三铰拱拱脚支于从基础斜挑2.5m的钢筋混凝土斜柱上）的钢筋混凝土斜柱上） 拱脚水平推力由拱脚水平推力由侧边框架侧边框架承担承担

6、（北京崇文门菜市场）（北京崇文门菜市场） 4.2拱脚的水平推力的平衡拱脚的水平推力的平衡 拱脚水平推力由拱脚水平推力由侧边框架侧边框架承担承担（美国敦威尔综合大厅）（美国敦威尔综合大厅） 拱脚水平推力由拱脚水平推力由侧边框架侧边框架承担承担（某体育馆）（某体育馆） 拱脚的水平推力的平衡拱脚的水平推力的平衡 落地拱落地拱（北京体育学院田径房）（北京体育学院田径房） 1、适用的拱：落地拱、适用的拱：落地拱 2、水平推力不太大或地质条件较好、水平推力不太大或地质条件较好 3、基础尺寸比较大，材料用料也较多。、基础尺寸比较大，材料用料也较多。 基础形式基础形式 4.2拱脚的水平推力的平衡拱脚的水平推力

7、的平衡 拱式拱式 结构结构 型式型式 按力学计算简图分类：按力学计算简图分类：无铰拱、无铰拱、 两铰拱、三铰拱两铰拱、三铰拱 按应用材料分类：按应用材料分类：钢筋混凝土结钢筋混凝土结 构、钢结构、胶合木结构构、钢结构、胶合木结构 按拱身截面分类：按拱身截面分类：格构式和实腹格构式和实腹 式；等截面和变截面式；等截面和变截面 4.3拱结构的型式拱结构的型式 拱桥分类拱桥分类按分布荷载的位置分按分布荷载的位置分 实腹式：截面高度可取跨度的实腹式：截面高度可取跨度的1/80 1/50 ；可以作成具有曲；可以作成具有曲 线形的外形，通常为焊接工字型截面。线形的外形，通常为焊接工字型截面。 格构式：截面

8、高度可取跨度的格构式：截面高度可取跨度的1/60 1/30 格构式钢拱的型式格构式钢拱的型式 4.3.1钢结构拱钢结构拱 北京体育馆比赛厅北京体育馆比赛厅（56米跨度的拱钢屋架米跨度的拱钢屋架 ） 西安秦俑博物馆展览厅（西安秦俑博物馆展览厅（56米跨度的拱钢屋架米跨度的拱钢屋架 ） 德国某建筑入口处钢拱 北京体育馆北京体育馆 德国某建筑入口处钢拱 大拱门（卓罗山通讯塔）：位于密西西比河畔圣路易斯市，高大拱门（卓罗山通讯塔）：位于密西西比河畔圣路易斯市，高192 米，呈倒米，呈倒U字形，使用字形，使用886吨不锈钢建成。整个拱体就像一个三棱吨不锈钢建成。整个拱体就像一个三棱 镜那样，是一个三面体

9、，它的周边即使让个人合抱也抱不过来。镜那样，是一个三面体，它的周边即使让个人合抱也抱不过来。 拱体的外壳是用两层不锈钢板夹钢筋混凝土拼砌而成的，而拱体内拱体的外壳是用两层不锈钢板夹钢筋混凝土拼砌而成的，而拱体内 部却是空心的，里面有电梯，可以乘坐它到达拱顶眺望。部却是空心的，里面有电梯，可以乘坐它到达拱顶眺望。 设计：沙里宁设计：沙里宁 竣工时间：竣工时间：1965年年10月月 4.3.2钢筋混凝土拱钢筋混凝土拱 一般采用实腹式，拱身截面一般为矩形或工字形。一般采用实腹式，拱身截面一般为矩形或工字形。 也可做成折板拱、波形拱或网状筒拱，成为梁板合一的结构。也可做成折板拱、波形拱或网状筒拱，成为

10、梁板合一的结构。 实腹式钢筋混凝土拱的型式实腹式钢筋混凝土拱的型式 钢筋混凝土拱钢筋混凝土拱 折板拱折板拱(湖南省游泳馆，湖南省游泳馆， 跨度：跨度：47.6m，装配式折板拱，装配式折板拱) 波形拱波形拱(无锡体育馆，跨度无锡体育馆，跨度60m， 钢丝网水泥双曲拱钢丝网水泥双曲拱) 返回 三铰拱三铰拱：静定结构，构造复杂，目前较少采用静定结构，构造复杂，目前较少采用 两铰拱：两铰拱：超静定结构，受力合理、用料经济、制作和安超静定结构，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。前较为常用。 无铰拱无

11、铰拱：超静定结构，受力最为合理，但对基础要求超静定结构，受力最为合理，但对基础要求 较高，当地基条件较差时，不宜采用。较高，当地基条件较差时，不宜采用。 4.4拱结构的选型与布置拱结构的选型与布置 4.4.24.4.2拱的矢高拱的矢高 1、满足使用功能和建筑造型的要求、满足使用功能和建筑造型的要求 矢高决定了建筑物的体量、建筑内部空间的大小矢高决定了建筑物的体量、建筑内部空间的大小 同时矢高直接决定拱的外形同时矢高直接决定拱的外形 2、使结构受力合理、使结构受力合理 增加矢高来减小拱脚水平推力增加矢高来减小拱脚水平推力 矢高过大，拱身长度增大，拱身及其屋面覆盖材料的用量增加矢高过大，拱身长度增

12、大，拱身及其屋面覆盖材料的用量增加 3、满足屋面排水构造的要求、满足屋面排水构造的要求 瓦屋面及构件自防水屋面，要求屋面坡度较大，则矢高较大瓦屋面及构件自防水屋面，要求屋面坡度较大，则矢高较大 油毡屋面，为防止夏季高温时引起沥青流淌，坡度不能太大，油毡屋面，为防止夏季高温时引起沥青流淌，坡度不能太大， 则相应地矢高较小。则相应地矢高较小。 拱结构的选型与布置拱结构的选型与布置 )( 4 2 xlx l f y 4 l f 竖向均布荷载作用下，合理拱轴线为一抛物线，其方程为竖向均布荷载作用下，合理拱轴线为一抛物线，其方程为 当当 时，可以用圆弧线代替抛物线。时，可以用圆弧线代替抛物线。 拱结构的

13、选型与布置拱结构的选型与布置 4.4.34.4.3拱轴线方程拱轴线方程 钢拱钢拱实腹式（实腹式（1/501/80）L， 格构式（格构式（1/301/60）L， 钢筋混凝土拱钢筋混凝土拱 （1/201/40）L 拱结构的选型与布置拱结构的选型与布置 并列布置：并列布置：美国蒙哥玛利体育馆美国蒙哥玛利体育馆 径向布置：径向布置： 环向布置环向布置 井式布置：井式布置： 多叉布置：多叉布置：法国巴黎工业技术展览中心法国巴黎工业技术展览中心 拱环布置拱环布置 4.4拱结构的选型与布置拱结构的选型与布置 并列式布置并列式布置 美国蒙哥玛利体育馆美国蒙哥玛利体育馆 体育馆平面为椭圆形，各榀拱架结构的尺寸是

14、一致的，因此一部分拱脚被包在建筑体育馆平面为椭圆形，各榀拱架结构的尺寸是一致的，因此一部分拱脚被包在建筑 物内，而另一部分拱脚则暴露在建筑物的外部，且各榀拱脚伸出建筑物的长度是变化的，物内，而另一部分拱脚则暴露在建筑物的外部，且各榀拱脚伸出建筑物的长度是变化的， 给人以明朗轻巧的感受。给人以明朗轻巧的感受。 交叉式布置交叉式布置 法国巴黎工业技术法国巴黎工业技术 展览中心展览中心 工程概况：平面为三角形，边长工程概况：平面为三角形，边长218m，高，高43.6m。 结构形式：屋顶为双层波形薄壁拱壳。拱壳壁厚结构形式：屋顶为双层波形薄壁拱壳。拱壳壁厚6cm，两层之间距，两层之间距 离离1.8m，

15、拱脚附近因压力较大拱壁加厚。拱身为钢筋混凝土装配整，拱脚附近因压力较大拱壁加厚。拱身为钢筋混凝土装配整 体式薄壁结构，为落地拱。推力由预应力拉杆承受，拉杆设在地下。体式薄壁结构，为落地拱。推力由预应力拉杆承受，拉杆设在地下。 4.5拱结构的工程实例拱结构的工程实例 总设计师：林元培总设计师：林元培 4.5拱结构的工程实例拱结构的工程实例 拱结构的工程实例拱结构的工程实例 拱结构的工程实例拱结构的工程实例 4.5拱结构的工程实例拱结构的工程实例 拱结构的工程实例拱结构的工程实例 拱结构的工程实例拱结构的工程实例 起初设想那些巨大的壳 片是钢筋混凝土壳体结 构，经过深入研究后发 现，只能将每一个壳片 划分为一条条钢筋混凝 土的肋券，再分段预制， 然后才能组合成整体。 拱结构的工程实例拱结构的