拱结构概述及理论

拱结构概述及理论分析思考什么是建筑？建筑的基本构成？什么是建筑？建筑是人们用土、石、木、钢、玻璃、芦苇、塑料、冰块等一切可以利用的材料，建造的构筑物。建筑的本身不是目的，建筑的目的是获得建筑所形成的“空间”。建筑基本构成？跨度：只有跨度才能构成空间。垂直支撑，只有通过垂直支撑，才能将跨度所形成的荷载传至地面。跨度和垂直支撑是构成建筑的关键元素！柱柱梁最简单梁柱体系：实现了建筑最基本的要求。作为人类文明的发源地，为什么古埃及人、古希腊人以及勤劳智慧的中国人无法完成犹如现代框架结构的通透简捷呢？受压受拉跨度越大效果越明显。石材：抗压强度高抗拉强度低因此，不论是古埃及人还是古希腊人，都无法基于石材实现更大的跨度——必须依靠密集的柱列减小梁的跨度，目的是减小梁底的受拉作用，防止巨大的石块在毫无预知的情况下，拉断并突然跌落！自然界中的拱：张家界：天门山桂林：象鼻山老鼠洞陕北窑洞洞拱：这些些结构的的共同特特征罗马人首首先发现现了拱，，并依据据力学原原理，对对其进行行了深入入的分析析。万神殿就就是这一一原理杰杰作因此大圆圆顶建筑筑也被叫叫做罗马马式建筑筑。ABCxyqLLH可以避免免出现截截面受拉拉状况，，充分发发挥材料料的受压压性能，，实现大大跨度。这对于工工程技术术极不发发达，只只能依靠靠自然材材料构建建大型建建筑的古古代，何何其重要要！因此，可可以说，，拱结构构是古代代建筑工工程发展展程度的的重要标标志。罗罗马时期期，无疑疑是典型型的代表表。意义：赵州桥隋唐巅峰峰——赵州桥。。距今1400年拱结构的的形式拱与外墙墙的关系系扶壁穹顶侧墙地面基础穹顶侧墙穹顶侧墙弯矩大基础地面?巴黎圣母母院同济大礼礼堂哥特式十字拱：：公元一世世纪开始使用用的一种种拱券形形式，即即相交的的筒形拱拱。它覆覆盖在方方形的间间上，只只需要四四角有柱柱子，而而不必要要连续的的承重墙墙，建筑筑内部空空间得到到解放；；而且便便于开侧侧窗，大大有利于于大型建建筑物的的采光。。它是拱拱券技术术的极有有意义的的重大进进步。拱结构也也可以做做成连续续拱连续拱结结构基础础之间的的推力平平衡，使使其可以以减少对对于地质质状况的的依赖性性。推力推力推力平衡衡形成垂垂直作用用连续倒塌塌效应！！！！为了避免免多米勒勒骨牌式式的坍塌塌，较长长的连续续拱桥需需要设置置特殊的的、可以以抵抗推推力的桥桥墩。推力桥墩墩！为了避免免多米勒勒骨牌式式的坍塌塌，较长长的连续续拱桥需需要设置置特殊的的、可以以抵抗推推力的桥桥墩。推力桥墩墩！前南斯拉拉夫电影影：《桥》就是要炸炸掉这里里，阻止止德军快快速修复复这座桥桥。黑山塔拉拉河谷大大桥现代拱结结构的应应用现代拱结结构的应应用：桥梁：美国新河河峡谷大大桥：主主跨518m，最大钢桁拱桥桥1977年，世界界第二现代拱结结构的应应用：桥梁：上海卢浦浦大桥：：550m，融入了了斜拉桥桥、拱桥桥和悬索索桥现代拱结结构的应应用：桥梁：巫峡长江江大桥：钢钢管中承承式拱桥桥，主跨跨492m。现代拱结结构的应应用：体育场馆馆：沈阳奥林林匹克中中心现代拱结结构的应应用：体育场馆馆：雅典奥林匹克克中心现代拱结结构的应应用：大型公共共建筑：：兵马俑场场馆拱应用：：土拱效应应：土层中的的拱作用用的产生生与拱结结构物不不一样，，拱结构构是把材材料制成成拱形状状，在荷荷载作用用下发挥挥其承受受压力的的作用;而土拱有有其自身身的形成成过程:在荷载或或自重的的作用下下，土体体发生压压缩和变变形，从从而产生生不均匀匀沉降，，致使土土颗粒间间产生互互相“楔楔紧”的的作用，，于是在在一定范范围土层层中产生生“拱效效应”。。拱应用用：混凝土土梁拱拱效应应：在混凝凝土框框架梁梁，尤尤其是是深梁梁中的的“拱拱效应应”，，对结结构承承载力力的提提高起起到一一定的的作用用。拱应用用：砌体开开洞拱拱效应应：《砌体结结构设设计规规范》7.2.2条：对砖砌体体，当当过梁梁上的的墙体体高度度h＜n/3时，应应按墙墙体的的均布布自重重采用用。当当墙体体高度度h≥n/3时，应应按高高度为为n/3墙体的的均布布自重重来采采用；；产生拱拱体一一般需需要两两个条件：拱座，如加加筋、、锚杆杆等介质的不均均匀的的变形．．拱座是产生生介质质不均均匀变变形的的直接接原因，，成拱拱效应应还存存在于于地下下岩土土巷道道，建建筑物物的不不连续续基础础和挡挡土墙墙中。。拱的分类类：按几何构造：：①三三铰拱拱②两铰拱拱③无铰拱两铰拱

无铰拱

三铰拱按外形形：①双折线线型②②圆弧线型③③抛物线线型按材料料：①钢结构构②②钢钢筋筋混凝凝土结结构③③砖砖石砌砌体结结构拱结构构的理理论分分析三铰拱拱的内内力计计算一、拱拱的内内力计计算原原理仍仍然是是截面法法。二、拱拱通常常受压压力，，所以以计算算拱时时，规定轴轴力以以受压压为正正。三、实实际计计算时时常将将拱与与相应应简支支梁对对比，，通过过公式式完成成计算算。这些公公式为为绘制制拱的的影响响线提提供了了方便便。支座反反力计计算KAHBBHBHBHAVAVBPflayKxKxyφK三铰拱计算简图

CxKKABHA0=0PVA0VB0C简支梁计算简图

lX方向：：Y方向：：结论1在给定的的荷载载作用用下，，三铰铰拱的的支座座反力力仅与与三个个铰的的位置置有关关，与与拱轴轴形状状无关关。竖向荷载载下，，支座座竖向向反力力与简简支梁梁相同同，水水平推推力与与矢跨比比（f/l）成反比。。内力计计算HAQKNKMKPVAAKVA0PMK0QK0φKxKyKa轴力：：弯矩：：剪力：：结论2拱弯矩矩小于于相同同跨度度相同同荷载载作用用下简简支梁梁的弯弯矩。。拱截面面有较较大轴轴力，，而简简支梁梁没有有。拱截面面的剪剪力小小于相相同跨跨度相相同荷荷载下下简支支梁的的剪力力。合理拱拱轴线线在给定定的荷荷载作作用下下，能能使所所有截截面上上弯矩矩为0的拱轴轴线称称为合合理拱拱轴线线。按上述述定义义有：：竖向均均布荷荷载作作用下下，三三铰拱拱的合合理拱拱轴线线是二二次抛抛物线线。求得合合理拱拱轴线线方程程为：：拱的静静力特特征由上述述拱的的分析析得出出：在在竖向向荷载载作用用下，，拱的的支座座处将将产生生水平平推力力，由由于支支座处处产生生水平平推力力，它它会产产生使使拱体体外缘缘受拉拉的弯弯矩，，使得得合成成后的的截面面弯矩矩比相相应简简支梁梁的弯弯矩小小得多多，在在减小小弯矩矩的同同时增增加了了拱的的轴力力。由上述述静力力特征征，拱拱式结结构优优点：：与梁梁相比比，用用材节节省、、自重重减轻轻，跨跨度较较大。。充分分利用用砖、、石、、混凝凝土材材料的的性能能。缺点：：需要要支座座提供供较大大的水水平向向推力力，若若使用用弓弦弦拱则则影响响净空空使用用高度度。拱脚水平平推力力平衡衡拱是有有推力力的结结构，，所以以拱的的支座座应能能承受受水平平推力力，通通过得得当的的处理理，可可以将将结构构与建建筑功功能、、建筑筑造型型融合合起来来，拱拱脚水水平推推力有有四种种平衡衡方式式水平推推力由由拉杆杆承担担优点：：水平平力自自相平平衡、、与外外界无无水平平间的的相互互作用用。当地质质条件件不好好时，，较为为经济济。缺点：：由于于拉杆杆的存存在，，浪费费空间间。水平推推力由由竖向向结构构承担担将水平平推力力和竖竖向荷荷载作作用于于竖向向承重重结构构上，，竖向向承重重结构构一般般为斜斜柱墩墩或是是位于于两侧侧的框框架结结构。。一般该该方案案中，，拱式式屋盖盖常为为两铰铰拱或或三铰铰拱结结构。。水平推推力由由刚性性水平平结构构承担担由水平平刚度度大、、位于于拱脚脚处的的刚性性水平平构件件来传传递水水平推推力。。传力力路径径：拱拱脚——刚性水水平结结构——两端的的总拉拉杆。。当水平平构件件刚度度足够够大时时，可可认为为水平平推力力是自自相平平衡，，不传传递给给柱子子。室内无无拉杆杆，可可充分分利用用室内内建筑筑空间间，效效果较较好。。水平推推力由由基础础直接接承受受利用地地基基基础直直接随随水平平推力力，不不需立立柱支支承。当地质质条件件好时时可采采用，，此时时基础础尺寸寸大，，材料料用量量多。。拱结构选型型满足：建筑筑使用功能能和建筑造造型要求；；使结构受受力合理；；满足屋面面排水构造造要求。拱的矢高拱轴线方程程由于实际工工程中结构构所承受的的荷载是变变化的，因因此不可能能设计出完完全没有弯弯矩的轴线线，但是可可以根据荷荷载组合，，确定一个个