第五拱式结构

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1、5拱式结构拱是一种十分古老而现代仍在大量应用的一种结构形式。它是主要受轴向力为主的结构，这对于混凝土、砖、石等抗压强度较高的材料是十分适宜的，它可充分利用这些材料抗压强度高的特点，避免它们抗拉强度低的缺点，因而很早以前，拱就得到了十分广泛的应用。拱式结构最初大量应用于桥梁结构中，在混凝土材料出现后，逐渐广泛应用于大跨度房屋建筑中。我国古代拱式结构的杰出建筑是河北省的赵州桥，跨度为37m，建于1300多年前，为石拱桥结构，经受历次地震考验，至今保存完好。在房屋建筑中也有许多成功的实例。5.1拱的受力特点按结构支承方式分类，拱可分成三铰拱、两铰拱和无铰拱三种，如图5-1所示

2、。三铰拱为静定结构，较少采用；两铰拱和无铰拱为超静定结构，目前较为常用。一、支座反力为说明拱式结构的基本受力特点，下面以较简单的三铰拱为例进行拱的受力分析，并与同跨度受同样荷载作用下的简支梁进行比较。设三铰拱受竖向荷载作用，如图5-2所示。以整个拱结构为脱离体，在支座处分别代之以支座力反力，，，，则(5-1)-44-(5-2)图5-2三铰拱支座反力的计算由上两式可知，拱式结构的竖向反力VA、HA，与相同跨度、承受相同荷载简支梁所产生竖向反力，，则是相同的，即(5-3)(5-4)再将拱的左半部分Ae为脱离体，在铰C处以相互作用，，等效，则对C点取矩。由得(5-5)若以表示

3、简支梁在C截面处的弯矩，则由简支梁的分析，可得(5-6)注意到由以上两式可得(5-7)通过上面例子可知：(1)在竖向荷载作用下，拱脚支座内将产生水平推力。-44-(2)在竖向荷载作用下，拱脚水平推力的大小等于相同跨度简支梁在相同竖向荷载作用下所产生的在相应于顶铰C截面上的弯矩巳除以拱的矢高，。(3)当结构跨度与荷载条件一定时（为定值），拱脚水平推力()与拱的矢高f成反比。二、拱身载面的内力为求拱身D截面处的内力，取脱离体如图5-3所示。在切断点代以三个未知力：轴力.剪力和弯矩。由，得(5-8)注意到同跨度同荷载简支梁在D截面所受弯矩为(5-9)并注意到可得(5-10)由

4、，得=(5-11)注意到即为同跨度同荷载简支梁在D截面的剪力，则式(5-11)可写成：由，得(5-12)由上式可知：(1)拱身内的弯矩小于跨度相同荷载作用下简支梁内的弯矩。(2)拱身截面内的剪力小于相同跨度相同荷载作用下简支梁内的剪力。(3)拱身截面内存在有较大的轴力，而简支梁中是没有轴力的。三、拱的合理轴线前面已经提到，轴心受力构件截面上应力分布均匀，可以充分利用材料的强度。因此，拱式结构受力最理想的情况应是使拱身内弯矩为零，仅承受轴力。对于三铰拱结构由式(5-10)-44-可知，当时，则（5-14）由上式可知，只要拱轴线的竖向坐标与相同跨度相同荷载作用下的简支粱弯矩

5、值成比例，即可使拱截面内仅有轴力没有弯矩。满足这一条件的拱轴线称为合理拱轴力。在沿水平方向均布的竖向荷载作用下，简支梁的弯矩图为一抛物线，因此在竖向均布荷载作用下，合理拱轴线应为一抛物线。对于不同的支座约束条件或荷载形式，其合理拱轴线的形式是不同的。例如对于受径向均布压力作用的无铰拱或三铰拱，其合理拱轴线为圆弧线，见图5-4。图5-4合理拱轴线由以上的分析可以看出，拱截面上的弯矩小于相同条件的简支梁截面上的弯矩，拱截面上的剪力也小于相同条件简支梁截面上的剪力，这是拱式结构比粱式结构受力合理的地方。同时，拱式结构中以轴力为主，可以使用廉价的圬工材料，并可充分发挥这类材料的

6、抗压承载力，这也是拱在工程中得到广泛应用的主要原因。但是拱式结构中有较大的支座水平推力，图5-5曲梁结构这是设计中必须但加以注意的。当拱脚地基反力不能有效地抵抗其水平推力时，拱便成为曲梁，如图5—5所示。这时拱截面内将产生与梁截面相同的弯矩。5.2拱脚水平推力平衡拱脚水平推力的存在是拱与曲梁的根本区别。为了保证拱能可靠地工作，必须采取有效的措施来实现该水平力的平衡。工程中一般有以下四种平衡方式。一、水平推力直接由拉杆承担-44-这种结构方案的布置，如图5-6所示。它既可用于搁置在墙、柱上的屋盖结构，也可用于落地拱结构。水平拉杆所承受的拉力等于拱的推力，两端自相平衡，与外

7、界之间没有水平向的相互作用力。这种构造方式既经济合理，又安全可靠。当作为屋盖结构时，支承拱式屋盖的砖墙或柱子不承受拱的水平推力，整个房屋结构即为一般的排架结构，屋架及柱子用料均较经济。该方案的缺点是室内有拉杆存在，房屋内景欠佳，若设吊顶，则压低了建筑净高，浪费空间。对于落地拱结构，拉杆常做在地坪以下，这可使基础受力简单，节省材料，当地质条件较差时，其优点更为明显。a室内拉杆拱b地下拉杆拱图5-6拱脚水平推力由拉杆承担水平拉杆的用料，可采用型钢（如工字钢、槽钢）或圆钢，视推力大小而定，也可采用预应力混凝土拉杆。一、水平推力通过刚性水平结构传