拱式结构设计

1、第9章 大跨度建筑的结构型式拱式结构拱式结构Ch9.1Ch9.1 本章主要内容：本章主要内容：1 1、拱的受力特点、拱的受力特点2 2、拱脚水平推力的平、拱脚水平推力的平衡衡3 3、拱式结构的形式、拱式结构的形式4 4、拱式结构的选型与布、拱式结构的选型与布置置5 5、拱式结构的工程实例、拱式结构的工程实例PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 9.1.19.1.1 拱的受力特点拱的受力特点拱是一种历史悠久、至今仍在大量应用的结构形式。古今中外的能工巧匠和工程师们为我们创造了许多杰出的拱结构典范，至今仍为人们所称道，如我国古代的赵州桥、古罗马的半圆拱券城门、哥特式建筑的尖

2、拱等。我们知道，当构件截面上承受均匀的应力作用（轴向拉力或压力作用），材料的利用效率最高，往往形成性能良好的结构体系。拱结构主要承受压力，可利用和发挥抗压强度相对较高而又容易得到的天然石材、烧结砖,甚至土坯来建造拱,当然现代的拱结构还可用钢筋混凝土或钢材建造。拱结构是使构件摆脱弯曲变形的一种突破性发展,它为抗压性能好的材料提供了一种理想的结构型式。拱的分类：拱的分类：backPDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 1 1、支座、支座反力反力backPDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 2 2、拱身截面的内力、拱身截面的内力backPDF 文件使用

3、pdfFactory Pro 试用版本创建 back(1)拱身内的弯矩小于相同跨度，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。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 3、拱的、拱的合理轴线合理轴线轴心受力构件截面上应力分布均匀，可以充分利用材料的强度。因此，拱式结构受力最理想的情况应是使拱身内弯矩为零，仅承受轴力。只要拱轴线的竖向坐标与相同跨度、相同荷载作用下的简支梁弯矩值成比例，即可使拱截面内仅有轴力没有弯矩。满足这一条件的拱轴线称为合理拱轴力。在沿水平方

4、向均布的竖向荷载作用下，简支梁的弯矩图为一抛物线，因此，在竖向均布荷载作用下，合理拱轴线应为一抛物线。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 拱截面上的弯矩小于相同条件的简支梁截面上的弯矩，拱截面上的剪力也小于相同条件筒支梁截面上的剪力，这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，可以使用廉价的圬工材料，并可充分发挥这类材料的抗压承载力，这也是拱在工程中得到广泛应用的主要原因。但是拱式结构中有较大的支座水平推力，这是设计中必须加以注意的。当拱脚地基反力不能有效地抵抗其水平推力时，拱便成为曲梁，这时拱截面内将产生与梁截面相同的弯矩。PDF 文件使用 p

5、dfFactory Pro 试用版本创建 9.1.2 9.1.2 拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡1 1、水平推力直接由拉杆承、水平推力直接由拉杆承担担PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 2 2、水平推力通过刚性水平结构传递给总拉杆、水平推力通过刚性水平结构传递给总拉杆需要有水平刚度很大的、位于拱脚处的天沟板或副跨屋盖结构作为刚性水平构件以传递拱的推力。拱的水平推力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。这种方案的优点是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

6、较好。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 3、水平推力由竖向承重结构承担、水平推力由竖向承重结构承担PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 当拱脚荷载通过框架传递至地基时，要求两侧的副跨框架必须具有足够的刚度，框架结构在拱脚水平椎力作用下的侧移极小，方可保证上部拱屋架的正常工作。同时，框架基础除受到偏心压力外，也将受到水平推力的作用。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 4 4、水平推力直接作用在基础上、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

7、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。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 9.1.3 9.1.3 拱式结构的形式拱式结构的形式从力学计算简图看，可分成无铰拱、两铰拱和三铰拱；按应用材料分类，有钢筋混凝土结构、钢结构、胶合木结构、砖石砌体结构：从拱身截面看，有格构式和实腹式、等截面和变截面。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 1 1、钢结构拱、钢结构拱钢结构拱有实腹式和格构式两种。一般采用格构式，以节省材料。实腹式拱可以做成具有曲线形的外形，通常为焊

8、接工字形截面。格构式拱因分段后在现场进行吊装的组装，若设计成标准单元，可方便施工。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 2 2、钢筋混凝土拱、钢筋混凝土拱钢筋混凝土拱一般采用实腹式，以方便施工。钢筋混凝土拱的拱身截面一般为矩形或工字形，上铺大型预制屋面板，也可做成折板拱、波形拱或网状筒拱成为梁板结构。吊杆的作用是减小拉杆的自由长度，避免拉杆在自重作用下垂度太大。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 9.1.4 9.1.4 拱式结构的选型与布置拱式结构的选型与布置1 1、结构支承方式、结

9、构支承方式三铰拱三铰拱两铰拱两铰拱无铰拱无铰拱2 2、拱的矢高、拱的矢高(1)(1)满足建筑使用满足建筑使用功能和建筑造型的功能和建筑造型的要求要求(2)(2)应使结构受力应使结构受力合理合理(3)(3)应满足屋面排应满足屋面排水构造的要求水构造的要求PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 ( )xlxy = 23 3、拱轴线方程、拱轴线方程 合理的拱轴线方程，使拱身只有轴力，没有弯矩。合理的拱轴线方程，使拱身只有轴力，没有弯矩。合理拱轴线的形式不但与结构的支座约束条件有关，还与外荷的形式有关，而在实际工程中，结构所承受的荷载是变化的，如风荷载可能有不同的方向，竖向活荷载

10、可能有不同的作用位置，因此，要找出一条能适应各种荷载条件的合理拱轴线是不可能的，设计中只能根据主要的荷载组合，确定一个相对较为合理的拱轴方程一一使拱身主要承受轴力，减少弯矩。例如，对于大跨度公共建筑的屋盖结构，一般根据恒荷载来确定合理拱轴线方程，实际工程中常采用抛物线形。l4 fPDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 4 4、拱身截面高度、拱身截面高度拱身的计算长度：三铰拱:lo0.58S双铰拱:lo0.54S无铰拱:lo0.36SPDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 5 5、拱式结构的布置、拱式结构的布置PDF 文件使用 pdfFactory P

11、ro 试用版本创建 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 6 6、拱式结构的支撑系统、拱式结构的支撑系统拱为平面受压或受弯结构，因此，必须设置横向支撑并通过檩条或大型屋面板体系来保证拱在轴线平面外的受压稳定性，为了增强结构的纵向刚度来传递作用于山墙上的风荷载，还应设置纵向支撑与横向支撑形成整体。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 9.1.5 9.1.5 拱式结构的工程实例拱式结构的工程实例 1.1.北京崇北京崇文门菜市场文门菜市场 菜市场中间为菜市场中间为32m32m36m36m营业大厅，屋顶采用两铰拱结营业大厅，屋顶采用两铰拱结构，上铺构，上

12、铺加气混凝土板。大厅两侧为小营业厅、仓库及其它用房，采用加气混凝土板。大厅两侧为小营业厅、仓库及其它用房，采用框架结构。拱的水平推力和垂直压力由两侧的框架承受。框架结构。拱的水平推力和垂直压力由两侧的框架承受。 拱为装配整体式钢筋混凝土结构。拱为装配整体式钢筋混凝土结构。 为了施工方便，拱轴采用圆弧形，圆弧半径为为了施工方便，拱轴采用圆弧形，圆弧半径为34mm34mm，选择不同，选择不同的失高会有不同的建筑外形，同时也影响结构的受力。的失高会有不同的建筑外形，同时也影响结构的受力。 当圆弧半径当圆弧半径34m34m、矢高、矢高4m4m时，时，f/l=l/8f/l=l/8，高跨比小，这是由建筑，

13、高跨比小，这是由建筑外形要求决定的。矢高小，拱的推力大，框架的内力也相应增外形要求决定的。矢高小，拱的推力大，框架的内力也相应增大，拱的材料用量增加。大，拱的材料用量增加。 当矢高改为当矢高改为f=l/5=6.4mf=l/5=6.4m时，相应的拱轴半径为时，相应的拱轴半径为23.2m23.2m，此时拱脚，此时拱脚水平推力可减少水平推力可减少60%60%左右，但建筑外左右，但建筑外形不太好，屋面根部坡度也形不太好，屋面根部坡度也大，对油毡防水不利。大，对油毡防水不利。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 为了施

14、工方便，拱轴采用圆弧形，圆弧半径为为了施工方便，拱轴采用圆弧形，圆弧半径为34mm34mm，选择不同，选择不同的失高会有不同的建筑外形，同的失高会有不同的建筑外形，同时也影响结构的受力。时也影响结构的受力。当圆弧半径当圆弧半径34m34m、矢高、矢高4m4m时，时，f/l=l/8f/l=l/8，高跨比小，这是由建筑，高跨比小，这是由建筑外形要外形要求决定的。矢高小，拱的推力大，框架的内力也相应增求决定的。矢高小，拱的推力大，框架的内力也相应增大，拱的材料用量增加。大，拱的材料用量增加。当矢高改为当矢高改为f=l/5=6.4mf=l/5=6.4m时，相应的拱轴半径为时，相应的拱轴半径为23.2m23.2m，此时拱，此时拱脚水平推力可减少脚水平推力可减少60%60%左右，但建筑外形不太好，屋面根部坡左右，但建筑外形不太好，屋面根部坡度也大，对油毡防水不利。度也大，对油毡防