建筑選型拱式結(jié)構(gòu)

1、建筑選型拱式結(jié)構(gòu)第1頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)2.拱腳水平推力的平衡3.拱式結(jié)構(gòu)的型式4.拱式結(jié)構(gòu)的選型和布置5.拱式結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例第2頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三 第4章 拱式結(jié)構(gòu)拱的定義：桿的軸線為曲線，在豎向荷載作用下，產(chǎn)生水平推力的結(jié)構(gòu)，拱內(nèi)部主要承受軸向壓力作用。高跨比f/l:一般1-1/10常用1/4-1/6。第3頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三 第4章 拱式結(jié)構(gòu)與簡支梁相比，拱的優(yōu)點(diǎn)：（1）彎矩、剪力較小，軸壓力較大（2）應(yīng)力沿截面高度分布均勻（3）節(jié)省材料，減輕自重（4

2、）宜采用抗壓強(qiáng)度高的材料，如石、磚、混凝土等（5）跨度較大，有較大的利用空間拱的缺點(diǎn)：（1）拱對基礎(chǔ)或下部結(jié)構(gòu)施加水平推力，增加了 下部結(jié)構(gòu)的材料用量；（2）拱的曲線形狀，使施工不方便第4頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三 第4章 拱式結(jié)構(gòu)趙州橋，又名安濟(jì)橋、大石橋，位于河北省趙縣城南五里的洨河上，設(shè)計(jì)者是隋代杰出的工匠李春，建造于大業(yè)六年(610年)。安濟(jì)橋是目前世界最古老的現(xiàn)存完好的大跨度單孔敞肩坦弧石拱橋。1991年10月24日，趙州橋被評為國際土木工程里程碑。第5頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三第6頁，共64頁，2022年，5月20日，

3、22點(diǎn)42分，星期三第7頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三第8頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三第9頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三第10頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三第11頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三由三個(gè)整體平衡方程和半邊對中間鉸取矩的力矩平衡方程可推出三鉸拱的反力計(jì)算公式為：1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)1）支座反力計(jì)算第12頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三1)該組公式僅用于：兩底鉸在同一水平線上且承受豎向荷載。2)三鉸拱的反力與跨度、矢高

4、（即三鉸的位置）有關(guān)，而與拱軸線的形狀無關(guān)。3)水平推力與矢高成反比。1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)1）支座反力計(jì)算1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)1）支座反力計(jì)算第13頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)2）拱身截面內(nèi)力計(jì)算1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)2）拱身截面內(nèi)力計(jì)算1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)2）拱身截面內(nèi)力計(jì)算第14頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三內(nèi)力符號(hào)規(guī)定：彎矩使內(nèi)側(cè)受拉為正；剪力繞順時(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)檎?；軸力以壓力為正。 1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)2）拱身截面內(nèi)力計(jì)算第15頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三彎矩計(jì)算 1.拱式結(jié)

5、構(gòu)的受力特點(diǎn)2）拱身截面內(nèi)力計(jì)算第16頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三剪力計(jì)算 1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)2）拱身截面內(nèi)力計(jì)算第17頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三軸力計(jì)算 1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)2）拱身截面內(nèi)力計(jì)算第18頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)2）拱身截面內(nèi)力計(jì)算彎矩小 剪力小 拱存在較大軸力，簡支梁沒有與相同跨度相同荷載簡支梁比較第19頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三確定合理拱軸線的條件：MK=01.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)3）拱的合理軸線第20頁，共64頁，2022

6、年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三注意： 該組公式僅用于平拱承受豎向荷載的情況； 拱的左半跨取正，右半跨取負(fù)； 剪力等于零處彎矩有極值； M、V、N圖均不再為直線。 集中力作用處V圖、N圖將發(fā)生突變，但突變值不等于集中力的大小。 集中力偶作用處M圖發(fā)生突變。1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)第21頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三概念：在給定荷載作用下使拱內(nèi)各截面彎矩剪力等于零,只有軸力的拱軸線。 1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)3）拱的合理軸線1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)3）拱的合理軸線第22頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三1.拱式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)3）拱的合理軸線注意：

7、合理軸線對應(yīng)的是一組固定荷載 即合理軸線是一組均布豎向荷載作用下，拋物線。 靜水壓力作用下，圓弧曲線。 填土重量作用下，懸鏈線 第23頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三2.拱腳水平推力的平衡1) 直接由拉桿承擔(dān)第24頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三2.拱腳水平推力的平衡1) 直接由拉桿承擔(dān)適用的拱：擱置在墻、柱上的屋蓋；或者落地拱特點(diǎn)：水平拉桿承受的拉力等于拱的推力，經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠；缺點(diǎn)是室內(nèi)有拉桿，浪費(fèi)空間落地拱一般把拉桿設(shè)置在地坪以下，墻柱上拱一般設(shè)成折線拉桿拉桿用料：型鋼、圓鋼、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼絞線等第25頁，共64頁，2022年，5

8、月20日，22點(diǎn)42分，星期三2.拱腳水平推力的平衡2) 通過剛性水平結(jié)構(gòu)傳遞給總拉桿將位于拱腳處的天溝板或副跨屋蓋結(jié)構(gòu)看成是水平放置的深梁，水平剛度足夠大。兩端拉桿為深梁的支座，承受拱腳水平推力。目的：盡量少設(shè)拉桿。特點(diǎn)：立柱不承受拱的推力，柱內(nèi)力??；室內(nèi)無拉桿第26頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三2.拱腳水平推力的平衡3) 由豎向承重結(jié)構(gòu)承擔(dān)斜柱墩承擔(dān)拱腳水平推力斜柱墩承擔(dān)拱腳水平推力第27頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三2.拱腳水平推力的平衡側(cè)邊框架承擔(dān)拱腳水平推力第28頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三2.拱腳

9、水平推力的平衡第29頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三2.拱腳水平推力的平衡側(cè)邊框架承擔(dān)拱腳水平推力美國威爾頓綜合大廳某體育館第30頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三2.拱腳水平推力的平衡扶壁墻墩承擔(dān)拱腳水平推力3) 由豎向承重結(jié)構(gòu)承擔(dān)第31頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三2.拱腳水平推力的平衡4) 直接作用在基礎(chǔ)上基礎(chǔ)直接承擔(dān)拱腳水平推力適用 的拱：落地拱適用條件：水平推力不太大或地質(zhì)條件較好特點(diǎn)：基礎(chǔ)尺寸比較大，材料用料較多基礎(chǔ)直接承擔(dān)拱腳水平推力第32頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三2.拱

10、腳水平推力的平衡4) 直接作用在基礎(chǔ)上第33頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三第34頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三3.拱式結(jié)構(gòu)的型式1）按分布荷載的位置分第35頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三第36頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三3.拱式結(jié)構(gòu)的型式2）按結(jié)構(gòu)體系分簡單體系拱：無鉸拱、兩鉸拱、三鉸拱組合體系拱：無推力拱、有推力拱第37頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三3.拱式結(jié)構(gòu)的型式3）按主拱圈截面型式分實(shí)腹式、格構(gòu)式、等截面、變截面第38頁，共64頁，2022年，5

11、月20日，22點(diǎn)42分，星期三3.拱式結(jié)構(gòu)的型式4）按拱軸線型式分圓弧拱拋物線拱懸鏈線拱低拱高拱第39頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三一般做為曲線外形常為焊接工字型截面格構(gòu)式節(jié)省材料施工快構(gòu)造簡單受力合理穩(wěn)定性好3.拱式結(jié)構(gòu)的型式鋼結(jié)構(gòu)拱實(shí)腹式5）按拱身材料分第40頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三第41頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三第42頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三德國某建筑入口處鋼拱 北京體育館德國某建筑入口處鋼拱第43頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三第44

12、頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三第45頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三第46頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三常為工字型截面或矩形截面施工方便3.拱式結(jié)構(gòu)的型式鋼筋混凝土拱實(shí)腹式5）按拱身材料分常做成板式截面拱結(jié)構(gòu)把屋面板與拱合二為一，既是承重拱結(jié)構(gòu)，本身又是屋面板。優(yōu)點(diǎn)是省料、自重輕，室內(nèi)視覺效果好第47頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三無錫體育館（波形拱）第48頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三 同濟(jì)建筑禮堂，建于1962年。位于校園內(nèi)圖書館后側(cè)。禮堂大廳寬40米、長

13、56米，正面入口處為深8米、寬20米的5間折板頂開敞式門廊，門廊內(nèi)進(jìn)廳上層為放映室。大廳內(nèi)側(cè)為舞臺(tái)。結(jié)構(gòu)采用凈跨40米，外跨54米裝配整體式鋼筋混凝土聯(lián)方網(wǎng)架。網(wǎng)架頂作弧形拱狀，外側(cè)每8米布置鋼筋混凝土三腳架1對，以承受拱的側(cè)推力。大廳兩側(cè)開門，網(wǎng)架起拱處辟折板頂老虎窗。 “落地拱”及“鋼筋混凝土聯(lián)方網(wǎng)架”是那一時(shí)期的孤例。 第49頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三禮堂側(cè)面設(shè)計(jì)極富韻律感，內(nèi)頂網(wǎng)架的側(cè)墻支點(diǎn)每隔4米的設(shè)計(jì)有一個(gè)折光老虎窗，如此神來之筆，令禮堂內(nèi)呈現(xiàn)出非凡的采光。拱狀弧頂禮堂，采光竟有兩疊折印折射 第50頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，

14、星期三第51頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三1997年重慶萬縣長江大橋建成。大橋位于萬州區(qū)（原萬縣市）黃?？滋?，是上海至成都高速公路跨越峽江天險(xiǎn)的特大型拱橋。大橋一跨飛渡長江，全長 856.12米，主拱圈為鋼管混凝土勁性骨架箱型混凝土結(jié)構(gòu)，主跨420米，橋面寬24米，為雙向四車道，是世界最大跨徑的混凝土拱橋。 第52頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三 烏巢河橋位于湖南省鳳凰縣沱江源頭的烏巢河狹谷的縣道上。烏巢河大橋全長，該橋因地制宜，就地取材，綜合應(yīng)用和發(fā)展了中國近多年來建設(shè)石拱橋的經(jīng)驗(yàn)，建成橋?qū)?、主跨為的雙肋石拱橋，腹拱橋?yàn)榭?，南岸引橋孔，?/p>

15、岸引橋孔。該橋是目前世界上最大跨徑石拱橋紀(jì)錄的保持者。于年建成通車。第53頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三1）拱式結(jié)構(gòu)的支承方式4.拱式結(jié)構(gòu)的選型與布置有頂鉸，拱本身和屋蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜受力最合理，但對支座要求較高，地基較差不宜采用受力合理，用料省，施工簡單，能適應(yīng)溫度變化和支座位移。第54頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三2）拱的矢高建筑空間使用要求建筑容積、凈空等建筑造型要求矢高決定建筑外部形象結(jié)構(gòu)受力合理矢高增大，拱腳推力減??；矢高太大，材料用量增大4.拱式結(jié)構(gòu)的選型與布置屋面排水構(gòu)造瓦屋面或構(gòu)件自防水屋面，矢高大；油氈屋面，矢高小第55頁，共

16、64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三3）拱的軸線方程找到適應(yīng)各種荷載條件的合理拱軸線，不可能！設(shè)計(jì)中，根據(jù)主要荷載組合，確定相對合理拱軸線，使拱主要承受軸力，減小彎矩。4.拱式結(jié)構(gòu)的選型與布置實(shí)際工程中常采用拋物線形，拱軸線方程為可以用圓弧代替拋物線，方便施工第56頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三4）拱身截面高度4.拱式結(jié)構(gòu)的選型與布置第57頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三并列布置徑向布置環(huán)向布置5）拱式結(jié)構(gòu)的布置4.拱式結(jié)構(gòu)的選型與布置井式布置多叉布置等間距、等跨度并列布置，矩形平面建筑多采用非矩形平面如正多邊形、圓形、扇形等多采用（圓形）各拱沿周圍排列，拱腳互抵推力抵消多向承受荷載，共同傳力的丼字拱多種方式組合，能適應(yīng)任何平面形狀第58頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三并列布置第59頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三交叉布置第60頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三6）拱式結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)4.拱式結(jié)構(gòu)的選型與布置第61頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)42分，星期三拱式結(jié)