第四章 拱式结构

第四章拱式结构第一页，共四十六页，编辑于2023年，星期五2第四章拱式结构

拱――以轴向受压为主的结构；材料：砼、砖、石等。第二页，共四十六页，编辑于2023年，星期五3第四章拱式结构第一节拱的受力特点第二节拱脚水平推力的平衡第三节拱式结构的型式第四节拱式结构的选型与布置第五节拱式结构的工程实例第三页，共四十六页，编辑于2023年，星期五4

按结构支承方式分类：三铰拱、两铰拱和无铰拱。两铰拱和无铰拱是超静定结构，较为常用。结构型式：双铰拱(最常见，制作安装方便，较经济，温度应力低)三铰拱(应用不广，拱顶铰使结构复杂化)无铰拱(最经济，须设强支座，温度应力高)

双铰拱

三铰拱

无铰拱拱的受力特点第四页，共四十六页，编辑于2023年，星期五5支座反力以三铰拱为例：（1）在竖向荷载作用下，拱脚支座内部将产生水平推力（2）（3）当结构跨度与荷载条件一定时，与矢高成反比拱的受力特点第五页，共四十六页，编辑于2023年，星期五6

拱是一种有推力的结构，它的主要内力是轴向压力。从下图可以看出，梁在荷载作用下，要向下挠曲；拱在荷载作用下，拱脚产生水平反力。它起着抵消荷载引起的弯曲作用，从而减少了拱杆的弯矩峰值。一般情况下，结构所受外力的传递路线越短，也就是外力越是能够直接传到基础，结构就越经济，如落地拱。

拱与梁的受力分析a)简支梁受力特点b)拱的受力特点c)拱的传力路线示意拱的受力特点第六页，共四十六页，编辑于2023年，星期五7由推算可知：（1）拱内的简支梁内的（2）拱内的简支梁内的（3）拱内有，简支梁内没有轴力

拱身截面的内力拱的受力特点第七页，共四十六页，编辑于2023年，星期五8拱的合理轴线当＝0时，则

竖向均布荷载作用下，为一抛物线，因此，合理拱轴线为一抛物线。当时，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

抛物线圆弧线拱的受力特点第八页，共四十六页，编辑于2023年，星期五9

拱与曲梁的区别拱 优点：轴向受压为主 缺点：支座水平推力较大曲梁

当拱脚地基反力不能有效抵抗其水平推力时拱便成了梁。

拱的受力特点第九页，共四十六页，编辑于2023年，星期五10拱是有推力的结构，所以拱结构的支座应能可靠地承受水平推力，才能保证它发挥拱的受力作用。拱脚推力的结构处理，是拱结构设计的中心问题。

水平推力直接由拉杆承担拱脚水平推力由拉杆承担1、结构方案的布置拱脚的水平推力的平衡第十页，共四十六页，编辑于2023年，星期五11拱脚水平推力由拉杆承担2、适用的拱：搁置在墙、柱上的屋盖结构；落地拱3、特点：水平拉杆所承受的拉力等于拱的推力；经济合理，安全可靠。缺点：室内有拉杆4、水平拉杆的用料：可采用型钢或圆钢；预应力混凝土拉杆

水平推力直接由拉杆承担拱脚的水平推力的平衡第十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期五12

水平推力通过刚性水平结构传递给总拉杆拱脚水平推力由山墙内的拉杆承担（北京展览馆电影厅）1、结构布置方案如图2、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）3、优点：立柱不承受拱的推力，柱内力较小；室内没有拉杆拱脚的水平推力的平衡第十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期五13水平推力由竖向承重结构承担拱脚水平推力由斜柱墩承担（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2.5m的钢筋混凝土斜柱上）拱脚水平推力由侧边框架承担（北京崇文门菜市场）拱脚的水平推力的平衡第十三页，共四十六页，编辑于2023年，星期五14拱脚水平推力由侧边框架承担（美国敦威尔综合大厅）拱脚水平推力由侧边框架承担（某体育馆）拱脚的水平推力的平衡第十四页，共四十六页，编辑于2023年，星期五15

水平推力直接作用在基础上落地拱（北京体育学院田径房）1、适用的拱：落地拱2、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。基础形式拱脚的水平推力的平衡第十五页，共四十六页，编辑于2023年，星期五16拱式结构型式按力学计算简图分类：无铰拱、两铰拱、三铰拱按应用材料分类：钢筋混凝土结构、钢结构、胶合木结构按拱身截面分类：格构式和实腹式；等截面和变截面拱结构的型式第十六页，共四十六页，编辑于2023年，星期五17实腹式：截面高度可取跨度的1/801/50

；可以作成具有曲线形的外形，通常为焊接工字型截面。格构式：截面高度可取跨度的1/601/30格构式钢拱的型式钢结构拱第十七页，共四十六页，编辑于2023年，星期五18北京体育馆比赛厅（56米跨度的拱钢屋架）西安秦俑博物馆展览厅（56米跨度的拱钢屋架）第十八页，共四十六页，编辑于2023年，星期五19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U字形，使用886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，它的周边即使让２０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：沙里宁竣工时间：1965年10月第十九页，共四十六页，编辑于2023年，星期五20第二十页，共四十六页，编辑于2023年，星期五21第二十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期五22德国某建筑入口处钢拱第二十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期五23钢筋混凝土拱第二十三页，共四十六页，编辑于2023年，星期五24一般采用实腹式，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。实腹式钢筋混凝土拱的型式钢筋混凝土拱第二十四页，共四十六页，编辑于2023年，星期五25折板拱(湖南省游泳馆，跨度：47.6m，装配式折板拱)波形拱(无锡体育馆，跨度60m，钢丝网水泥双曲拱)返回第二十五页，共四十六页，编辑于2023年，星期五26结构支承方式三铰拱：静定结构，构造复杂，目前较少采用两铰拱：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，目前较为常用。无铰拱：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。拱结构的选型与布置第二十六页，共四十六页，编辑于2023年，星期五27拱的矢高1、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同时矢高直接决定拱的外形2、使结构受力合理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3、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。拱结构的选型与布置第二十七页，共四十六页，编辑于2023年，星期五28竖向均布荷载作用下，合理拱轴线为一抛物线，其方程为

当时，可以用圆弧线代替抛物线。

拱结构的选型与布置拱轴线方程第二十八页，共四十六页，编辑于2023年，星期五29拱身截面高度

钢拱 实腹式（1/50～1/80）L，格构式（1/30～1/60）L，钢筋混凝土拱 （1/20～1/40）L拱结构的选型与布置第二十九页，共四十六页，编辑于2023年，星期五30拱结构布置并列布置：美国蒙哥玛利体育馆径向布置：环向布置井式布置：多叉布置：法国巴黎工业技术展览中心拱环布置拱结构的选型与布置第三十页，共四十六页，编辑于2023年，星期五31并列式布置

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，给人以明朗轻巧的感受。第三十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期五32交叉式布置法国巴黎工业技术展览中心工程概况：平面为三角形，边长218m，高43.6m。结构形式：屋顶为双层波形薄壁拱壳。拱壳壁厚6cm，两层之间距离1.8m，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。第三十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期五33世界上跨度最大的钢结构拱桥：上海卢浦大桥工程概况：2003年6月建成通车。跨度550m，世界第一拱桥。全长3900米，主桥长750米，主桥面宽28.7米，桥下净高46米。总设计师：林元培拱结构的工程实例第三十三页，共四十六页，编辑于2023年，星期五34世界上跨度第二的拱桥：新河峡谷拱桥NEWRIVERGORGEBRIDGE

工程概况：1977年10月建成通车。主跨518m的上承式钢桁架拱桥。是目前同类桥型中跨径最大的钢桁拱桥，而国内同类型桥梁跨度最大的是正在建设中的大宁河大桥，主跨400m。总设计师：林元培拱结构的工程实例第三十四页，共四十六页，编辑于2023年，星期五35世界上跨度第二的拱桥：新河峡谷拱桥NEWRIVERGORGEBRIDGE

拱结构的工程实例第三十五页，共四十六页，编辑于2023年，星期五36世界上跨度第二的拱桥：新河峡谷拱桥NEWRIVERGORGEBRIDGE

拱结构的工程实例第三十六页，共四十六页，编辑于2023年，星期五37悉尼歌剧院拱结构的工程实例第三十七页，共四十六页，编辑于2023年，星期五38悉尼歌剧院拱结构的工程实例第三十八页，共四十六页，编辑于2023年，星期五39悉尼歌剧院拱结构的工程实例第三十九页，共四十六页，编辑于2023年，星期五40悉尼歌剧院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。拱结构的工程实例第四十页，共四十六页，编辑于2023年，星期五41伦敦证券交易所工程概况：建于1990年，长78m，横跨铁路之上设计：

SOM拱结构的工程实例第四十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期五42伦敦证券交易所伦敦证券交易所的外观，无铰拱横跨78m，拱上柱承受压力，拱下柱承受拉力拱结构的工程实例第四十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期五