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在构件自身平面内的竖向荷载作用下,支座处产生水平推力的曲线形结构。
在拱平面内的竖向荷载作用下,拱截面的内力主要为压力,故特别适宜发挥砖、石及混凝土等抗压能力较高的材料的作用。由于在竖向荷载作用下,拱支座不仅要产生竖向反力,而且还会产生较大的水平推力,因而需要设置止推结构或设置拉杆以承担推力。拱常用于房屋屋盖[图1(a)]、拱桥[图1(b)]、拱坝、拱式渡槽及拱形涵洞等。用钢筋混凝土建造的拱可以跨越很大的空间。
图1 拱结构(a)拱式屋盖;(b)拱桥
图1 拱结构
(a)拱式屋盖;(b)拱桥
根据结构组成和支座形式,拱可以分为三铰拱[图2(a)]、两铰拱[图2(b)]和无铰拱[图2(c)]3类。三铰拱是静定结构,内力可由静力平衡条件确定;两铰拱和无铰拱是超静定结构,内力可用力法或其他结构力学方法求解。在拱的支座产生不均匀沉降时,三铰拱和两铰拱的适应性较好。无铰拱的两端均为固定支座,在支座发生不均匀沉降和温度发生变化时会产生较大的附加内力,故对地基有较高的要求;而且施工期与使用期的温度相差也不宜过大。三铰拱因顶铰内力较大,材料消耗较多,施工也不够方便,在工程中应用不多。
图2 拱的支撑方式(a)三铰拱;(b)两铰拱;(c)无铰拱
图2 拱的支撑方式
(a)三铰拱;(b)两铰拱;(c)无铰拱
两个方向都为弧形的拱称为双曲线拱。
拱按其拱轴形状有圆弧拱、抛物线拱及悬链线拱等类型。拱轴形式一般应根据建筑要求和结构受力的合理性等条件确定。从结构受力考虑,应尽量使拱在荷载作用下处于无弯矩状态,此时的拱轴即为合理拱轴。
拱的高度称为矢高。拱的矢高与跨度之比称为矢跨比,它对拱的内力和支座水平推力的大小有很大的影响。矢跨比较小时,拱的内力和支座的水平推力均较大;矢跨比较大时,拱的内力和支座的水平推力均较小,但拱的尺寸也将增大。半圆拱在均布荷载作用下,其水平推力为零,称为无推力拱。
对于拱结构,必须采取措施保证其能够可靠地承受推力作用。拱结构的止推措施,通常有利用地基基础直接承受水平推力、利用拱两侧的辅助结构承受水平推力及利用水平拉杆承受水平推力等几种。设有水平拉杆的拱称拉杆拱,跨度较大的拉杆拱拉杆较长,可设置吊杆以减小拉杆的挠度变形[图1(a)]。
拱的截面可根据承载力要求确定。根据各截面内力大小的不同,还可设计成等截面拱或变截面拱。对于细长的拱,除验算截面承载力外,还需验算在拱平面内和垂直于拱平面的稳定性。