拱結(jié)構(gòu)分析[建資薈萃]

1、拱結(jié)構(gòu)及案例分析一 拱結(jié)構(gòu)的分析拱結(jié)構(gòu)式是建筑工程中常用的結(jié)構(gòu)之一，是一種主要承受軸向壓力并由兩端推力維持平衡的曲線或折線構(gòu)件。拱結(jié)構(gòu)由拱圈及其支座組成。支座可做成能承受垂直力、水平推力以及彎矩的支墩；也可用墻、柱或基礎(chǔ)承受垂直力而用拉桿承受水平推力。拱圈主要承受軸向壓力，與同跨度的梁相比，彎矩和剪力較小，從而能節(jié)省材料、提高剛度、跨越較大空間。拱的類型，按材料分：土拱、磚石拱、木拱、混凝土拱、鋼筋混凝土拱、剛拱 等；按拱軸線型分：圓弧拱、拋物線拱、懸鏈線拱等；按所含鉸的數(shù)目分：三鉸拱、雙鉸拱、無鉸拱等；按拱圈截面形式分：實(shí)體拱、箱形拱、桁架拱等。如下圖為拱的分類圖： 拱結(jié)構(gòu)的受力分析：如上圖

2、，當(dāng)拱承受均布荷載時(shí)，主要靠的壓力和推力支撐，由可知，支撐彎矩靠力臂的改變，而力臂的增加靠形態(tài)的改變。因此拱的外形一般是拋物線、圓弧線或折線，目的是使拱體各截面在外荷載、支撐反力和推力作用下基本處在受壓或較小偏心受壓狀態(tài)，從而大大提高拱結(jié)構(gòu)的承載力。當(dāng)拱自身重力產(chǎn)生的彎矩為0 時(shí)，此時(shí)稱為合理拱軸線（也叫壓力線），即截面產(chǎn)生的彎矩為0。當(dāng)選擇拱軸線時(shí)，偏于合理拱軸線以上的為負(fù)彎矩，偏于合理拱軸線以下的為正彎矩，與合理拱軸線相交的點(diǎn)的彎矩為0 。拱結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中最重要的是水平推力的處理。在實(shí)際工程中常用的有以下幾種做法：由拉桿承受水平力優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)自身平衡，使基礎(chǔ)受力簡單；可用作上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件，代替大

3、跨度屋架；由基礎(chǔ)承受施工設(shè)計(jì)時(shí)要注意承受水平推力的基礎(chǔ)的做法；由側(cè)面結(jié)構(gòu)物承受要求此結(jié)構(gòu)必須有足夠的抗側(cè)力剛度；由側(cè)面水平構(gòu)件承受一般有設(shè)置在拱腳處的水平屋蓋構(gòu)件承受，水平推力先由此構(gòu)件作為剛性水平方向的梁承受，在傳遞給兩端的拉桿或豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)；此外還應(yīng)注意當(dāng)拱承受過大內(nèi)力時(shí)的失穩(wěn)現(xiàn)象；防止失穩(wěn)的辦法是在拱身兩側(cè)加足夠的側(cè)向支撐點(diǎn)。二拱結(jié)構(gòu)的案例分析阿羅絲渡槽如右圖，渡槽設(shè)設(shè)計(jì)為一個(gè)124ft(37.8m)長，支撐在間隔62ft(18.9m)的支架上，兩端伸臂各長31ft(9.45m)的單元。對結(jié)構(gòu)進(jìn)上受力分析：承受的荷載主要是豎向和沿長度方向的力。豎向的主要是渡槽自身的重力和水的重力，屬于

4、均布荷載。沿長度方向是承受的彎矩M，剪力V以及對變形的處理，包括撓度、裂縫和伸縮縫。設(shè)計(jì)阿羅絲渡槽的基本思路是采用內(nèi)側(cè)雙向壓力的方法設(shè)計(jì)阿羅絲渡槽的基本思路是采用內(nèi)側(cè)雙向壓力的方法，消除任何可能出現(xiàn)的混凝土龜裂，避免渡槽槽壁漏水。a 結(jié)構(gòu)的選型，選用U行槽既增大了蓄水量又減小了槽壁對水流的摩阻力。b 支架間距和渡槽長度及伸臂尺寸的選擇，既考慮到了沿程區(qū)域地形、道路情況的影響和沿程公路的路基高度，渡槽下的使用空間，也考慮了構(gòu)件在承受荷載時(shí)的受力情況，如下圖：由渡槽的重力和水的重力產(chǎn)生的彎矩在沿整個(gè)渡槽長度方向都是負(fù)值，只有渡槽單元中點(diǎn)和伸臂的自由端處彎矩為0 ，在中間支承截面上的負(fù)彎矩最大。c

5、沿長度方向渡槽應(yīng)滿足使用要求，需滿足：M外M承V外V承變形要求：撓度、裂縫、溫度應(yīng)力（主要是伸縮縫的設(shè)置） d 防止截面漏水：為了避免渡槽因受拉而產(chǎn)生裂縫，就需要使渡槽承受縱向壓力。如上述b中的處理就是到達(dá)這一效果，但是同時(shí)卻使渡槽的頂部承受拉力，因此采用后張力法預(yù)應(yīng)力使混凝土槽壁在各向受壓，以防止?jié)B漏，如下圖 由于受到水壓力的作用在渡槽的內(nèi)壁承受橫向水壓力，如圖：為此在渡槽的頂部每隔15ft(4.6m)設(shè)置一根橫桿，并用花蘭螺絲使其受拉，使槽壁互相靠攏，在槽壁內(nèi)產(chǎn)生橫向彎矩，使渡槽內(nèi)側(cè)受拉，來抵抗水壓力，壓應(yīng)力越向底部其值越大。e為了對渡槽頂部施加后張預(yù)應(yīng)力，要在槽頂?shù)臏\溝里預(yù)先放置一對鋼絞

6、線，一旦渡槽槽壁的混凝土凝固后，那些埋設(shè)在混凝土內(nèi)的纜繩端部就成為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的錨固端。如下圖鋼絞線錨固端附近的圓管是為了防止鋼絞線和混凝土槽頂表面產(chǎn)生不利的粘結(jié)應(yīng)力而設(shè)置的： 在渡槽混凝土凝固后，鋼絞線可用下列辦法進(jìn)行張拉：沒對鋼絞線都用皮具固定在槽頂淺溝的相應(yīng)位置，然后設(shè)法將兩個(gè)皮具中部的鋼絞線用一堆水平推理將其分離開，如圖所示： 架設(shè)渡槽的高架支撐是兩個(gè)傾斜交叉的桿件，像一個(gè)巨大的雙腳規(guī)。其上部具有與渡槽相同的形狀，并有專設(shè)接縫玉渡槽槽壁連接。其形狀新穎，并能較好地保持整個(gè)渡槽結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如圖： 綜述 ，這樣的渡槽無任何裂縫和漏水現(xiàn)象，而全部建造細(xì)節(jié)都完成得簡單又便宜。半英里長的渡槽方

7、案除了長度近3000ft（近914m）外，與上面的阿羅絲渡槽工程很相似。建造工程中的要求：a 要求要降低對渡槽施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行縱向張拉時(shí)的造價(jià)；b 要求設(shè)置盡可能少的膨脹節(jié)點(diǎn)；施工做法：a將本工程做成一個(gè)有眾多跨度的等跨連續(xù)梁，以便得到一個(gè)降低沿長度方向截面最大彎矩值得有利條件。b 本工程確定只是在沿渡槽長度的中點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)連接點(diǎn)，其兩頭連接兩側(cè)長度很長的等跨連續(xù)梁。這些連續(xù)梁在高架渡槽的兩端均設(shè)計(jì)成固定鉸支座。在中部節(jié)點(diǎn)上，設(shè)置一個(gè)位于渡槽梁上的三鉸拱。由于在重力作用下，這個(gè)三鉸拱每一側(cè)的拱腳處都存在著一個(gè)常量為400t的水平推力，這個(gè)水平推力需要由渡槽壁來承擔(dān)，這樣就取得使渡槽全長上的槽壁受

8、到壓力的效果。這種方案比為了同一目的在習(xí)慣上常用的預(yù)應(yīng)力鋼纜體更加便宜，而且在受壓結(jié)構(gòu)構(gòu)件的長度愈長，所能節(jié)省的造價(jià)愈多。c 為了確保開口渡槽的各處都受到常量的縱向水平推力，將三鉸拱的拱頂鉸連接處兩個(gè)拱桿接觸面設(shè)計(jì)成具有必要曲率的曲面；渡槽的支撐墩要設(shè)計(jì)成具有足夠的側(cè)向剛度，防止渡槽梁在壓力作用下發(fā)生壓屈。d 渡槽節(jié)點(diǎn)處的防漏水做法：在渠道內(nèi)側(cè)表面涂有一層橡皮薄膜，在渠道外側(cè)表面裝有一個(gè)金屬套筒，它們都跨越節(jié)點(diǎn)縫隙，能到達(dá)允許渡槽沿長度方向漲縮的效果。此方案與阿羅絲渡槽相似，不同的是：a、 降低渡槽施加預(yù)應(yīng)力的造價(jià)b、 縱向預(yù)加應(yīng)力可減緩或抵消因重力產(chǎn)生于槽壁上的彎曲拉應(yīng)力c、 盡量少設(shè)膨脹節(jié)

9、點(diǎn)d、 做成具有多跨度的等跨連續(xù)梁考特溫多斯飛機(jī)棚 如圖所示： 其屋蓋的縱向檁條擱放在115 ft跨度的金屬拱上。金屬拱的桿件在對角線方向上相互交叉，一直安裝后形成一個(gè)剛度很大的圓筒面交叉網(wǎng)，能夠較好地承受作用在豎向投影上的風(fēng)荷載和其他豎向荷載。拱腳支撐在一系列突出于門式鋼架一側(cè)的伸臂梁上，在兩側(cè)端部鋼架的對角線上設(shè)置了具有足夠強(qiáng)度和剛度的斜撐，使得端部鋼架能承受整個(gè)屋蓋拱傳來的外推力。由于兩側(cè)鋼架頂部的屋蓋結(jié)構(gòu)就像兩個(gè)略為傾斜的水平粱一樣，這兩個(gè)水平梁雖然自重很輕，但卻在水平方向有很大的強(qiáng)度和剛度，足以將整個(gè)屋蓋拱的全部水平外推力傳遞給各自的端部鋼架。屋蓋拱在地面拼裝而成。拼裝時(shí)拱腳處采用一系列的臨時(shí)拉桿，使拱形成自我平衡的結(jié)構(gòu)（如下圖）。當(dāng)將拼裝成的屋蓋提升就為，并將拱腳線連接在它的支撐伸臂梁上時(shí)，臨時(shí)拉桿即可撤出。 由于屋蓋拱是由一系列的三角拱組成的。主要的彎矩發(fā)生在拱腰處。因此，每側(cè)拱桿件所需要的截面高度在拱腳處最小，沿拱身逐漸增大，在1/4處最大，以后又逐漸減小，到拱頂處有最小。因此其做法可以將一根