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1、拱结构概述及理论分析 思考思考 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！跨度和垂直支撑是构成建筑的关键元素！ 柱柱 柱柱 梁梁 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
2、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 拱：这些结构的共同特征拱：这些结构的共同特征 罗马人首先发现了 拱，并依据力学原理， 对其进行了深入的分析。 万神殿就是这一原理杰作万神殿就是这一原理杰作 因此大圆顶建筑也被叫 做罗马式建筑。 可以避免出现截面受拉状况， 充分发挥材料的受压性能，实 现大跨度。 这对于工程技术极不发达，只 能依靠自
3、然材料构建大型建筑 的古代，何其重要！ 因此，可以说，拱结构是古代 建筑工程发展程度的重要标志。 罗马时期，无疑是典型的代表。 意义：意义： 赵州桥 隋唐巅峰赵州桥。距今1400年 拱结构的形式 拱与外墙的关系 ? ? 巴黎圣母院同济大礼堂 哥特式哥特式十字拱：十字拱： 公元一世纪开始使用 的一种拱券形式，即相交的 筒形拱。它覆盖在方形的间 上，只需要四角有柱子，而 不必要连续的承重墙，建筑 内部空间得到解放；而且便 于开侧窗，大有利于大型建 筑物的采光。它是拱券技术 的极有意义的重大进步。 拱结构也可以做成连续拱拱结构也可以做成连续拱 连续倒塌效应！连续倒塌效应！ 推力桥墩！推力桥墩！ 推力
4、桥墩！推力桥墩！ 前南斯拉夫电影：桥 就是要炸掉这里，阻止德军快速修复这座桥。就是要炸掉这里，阻止德军快速修复这座桥。 黑山塔拉河谷大桥黑山塔拉河谷大桥 现代拱结构的应用 现代拱结构的应用：现代拱结构的应用： 桥梁：桥梁： 美国新河峡谷大桥：主跨518m，最大钢桁拱桥 1977年， 世界第二 现代拱结构的应用：现代拱结构的应用： 桥梁：桥梁： 上海卢浦大桥：550m，融入了斜拉桥、拱桥和悬索桥 现代拱结构的应用：现代拱结构的应用： 桥梁：桥梁： 巫峡长江大桥：钢管中承式拱桥，主跨492m。 现代拱结构的应用：现代拱结构的应用： 体育体育 场馆场馆： 沈阳奥林匹克中心 现代拱结构的应用：现代拱结
5、构的应用： 体育体育 场馆场馆： 雅典奥林匹克中心 现代拱结构的应用：现代拱结构的应用： 大型大型 公共公共 建筑：建筑： 兵马俑场馆 拱应用：拱应用： 土拱效应： 土层中的拱作用的产生 与拱结构物不一样，拱 结构是把材料制成拱形 状，在荷载作用下发挥 其承受压力的作用;而 土拱有其自身的形成过 程:在荷载或自重的作 用下，土体发生压缩和 变形，从而产生不均匀 沉降，致使土颗粒间产 生互相“楔紧”的作用， 于是在一定范围土层中 产生“拱效应”。 拱应用：拱应用： 混凝土梁 拱效应： 在混凝土框架梁，尤其是深梁中的“拱效 应”，对结构承载力的提高起到一定的作用。 拱应用：拱应用： 砌体开洞拱效应
6、： 砌体结构设计规范砌体结构设计规范 7.2.27.2.2条：条： 对砖砌体，当过梁上 的墙体高度h n/3时， 应按墙体的均布自重采用。 当墙体高度hn/3时，应 按高度为n/3墙体的均布 自重来采用； 产生拱体一般需要两个条件： 拱座，如加筋、锚杆等 介质的不均匀的变形 拱座是产生介质不均匀变形的直接原因，成拱效 应还存在于地下岩土巷道，建筑物的不连续基础和挡 土墙中。 拱的分类： 按几何构造： 三铰拱 两铰拱 无铰拱 两铰拱 无铰拱 三铰拱 按外形： 双折线型 圆弧线型 抛物线型 按材料： 钢结构 钢筋混凝土结构 砖石砌体结构 拱结构的理论分析 三铰拱的内力计算 一、拱的内力计算原理仍然
7、是截面法。 二、拱通常受压力，所以计算拱时，规定轴力以受压为正。 三、实际计算时常将拱与相应简支梁对比，通过公式完成 计算。这些公式为绘制拱的影响线提供了方便。 支座反力计算 K AHBBHBHBHA VA VB P f l a yK xK x y K 三铰拱计算简图 C xK K AB HA0 = 0 P VA0 VB0 C 简支梁计算简图 l 00 00 AABB BBAA MMVV MMVV AB HHH X方向： Y方向： 0 00 ()0 2 () 2 CA C CA l MVP laHf M H lf MVP la 结论1 u 在给定的荷载作用下，三铰拱的支座反力仅 与三个铰的位置
8、有关，与拱轴形状无关。 u 竖向荷载下，支座竖向反力与简支梁相同， 水平推力与矢跨比（f/l）成反比。 内力计算 HA QK NK MKP VA A K VA0 P MK 0 QK 0 K xK yK a 00 () KAKK MV xP xa () KAKKAK MV xP xaH y 0 KKAK MMH y coscossin KAKKK QVPH 0 KA QVP 0 cossin KKKK QQH sinsincos KAKKK NVPH 轴力： 弯矩： 剪力： 结论2 u 拱弯矩小于相同跨度相同荷载作用下简支梁 的弯矩。 u 拱截面有较大轴力，而简支梁没有。 u 拱截面的剪力小于相
9、同跨度相同荷载下简支 梁的剪力。 0 KKAK MMH y 0 cossin AAKK QQH sinsincos KAKKK NVPH 合理拱轴线 在给定的荷载作用下，能使所有截面上弯矩为0的拱 轴线称为合理拱轴线。 按上述定义有： 竖向均布荷载作用下，三铰拱的合理拱轴线是二 次抛物线。 0 0 kkHk MMFy 0 H M y F 求得合理拱轴线方程为： 拱的静力特征 由上述拱的分析得出：在竖向荷载作用下，拱的支座处将 产生水平推力，由于支座处产生水平推力，它会产生使拱 体外缘受拉的弯矩，使得合成后的截面弯矩比相应简支梁 的弯矩小得多，在减小弯矩的同时增加了拱的轴力。 由上述静力特征，拱
10、式结构优点：与梁相比，用材节省、 自重减轻，跨度较大。充分利用砖、石、混凝土材料的性 能。 缺点：需要支座提供较大的水平向推力，若使用弓弦拱则 影响净空使用高度。 拱脚水平推力平衡 拱是有推力的结构，所以拱的支座应能承受水 平推力，通过得当的处理，可以将结构与建筑 功能、建筑造型融合起来，拱脚水平推力有四 种平衡方式 水平推力由拉杆承担 优点：水平力自相平衡、与外界无水平间的 相互作用。当地质条件不好时，较为经济。 缺点：由于拉杆的存在，浪费空间。 水平推力由竖向结构承担 将水平推力和竖向荷载作用于竖向承重结构上，竖 向承重结构一般为斜柱墩或是位于两侧的框架结构。 一般该方案中，拱式屋盖常为两
11、铰拱或三铰拱结构。 水平推力由刚性水平结构承担 由水平刚度大、位于拱脚处的刚性水平构件来传递 水平推力。传力路径：拱脚刚性水平结构 两端的总拉杆。 当水平构件刚度足够大时，可认为水平推力是自相 平衡，不传递给柱子。 室内无拉杆，可充分利用室内建筑空间，效果较好。 水平推力由基础直接承受 利用地基基础直接随水平推力，不需立柱支承。 当地质条件好时可采用，此时基础尺寸大，材料 用量多。 拱结构选型 满足：建筑使用功能和建筑造型要求；使结构 受力合理；满足屋面排水构造要求。 拱的矢高 拱轴线方程 由于实际工程中结构所承受的荷载是变化的，因此不 可能设计出完全没有弯矩的轴线，但是可以根据荷载 组合，确定一个相对较为合理的拱轴线方程，即可
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