建筑结构选型专题二拱.ppt

专题二——拱结构选型设计,拱是最富情绪的构件它充满可能性及展望，并富有创造力 ——路易士.沙利文 拱是一组欲掉落的曲线 ——安迪卢尼,,里本拱有15米长，现在其最狭处仅6厘米宽、30厘米厚,,,赵州安济桥，又称赵州桥,,,北京宛平卢沟桥,,无锡卫东双曲拱桥,,,,中承式钢桁架拱桥,,,世界第一拱桥——重庆朝天门长江大桥,,,大桥全长1741米，总投资超过30亿元大桥设计为三跨连续中承式钢桁系杆拱桥，主跨552米,,浙江泰顺县的泗溪溪东桥,,水利工程中的拱坝,,,体育馆拱形屋盖,,,地坑院——只见树木不见村庄，只见村庄不见房屋，只闻人声不见其人 （河南省陕县西张村镇庙上村 ）,第一节 拱结构历史,古代拱结构 (1) 中国的圆弧拱(Segmental Arch) 世界第一拱桥——赵州桥，跨度37.37米 (隋代)在其建成1200年后，西方才出现这种型式的拱桥 我国较典型的石拱桥还有：建于1189—1192年(金代)全长265m，11孔(每孔16—20m跨不等)多跨联拱式的北京芦沟桥(跨越永定河)全长317m，53孔，各拱脚独立的联拱式的苏州城南宝带桥(下图)建于清乾隆年间的北京颐和园东堤上的17孔桥是座形式优美的连拱石桥。

颐和园昆明湖长堤上的玉带桥其驼峰拱呈蛋尖形，特别高耸，桥面采用双向反曲线全部用汉白玉石琢成，配有精制白石拦板，更显得富丽堂皇，犹如玉带一般0. 天然拱,,赵州安济桥，又称赵州桥,,,赵州桥， 又名安济桥(宋哲宗赐名,意为“安渡济民“)，位于河北赵县洨河上，它是世界上现存最早、保存最好的巨大石拱桥被誉为“华北四宝之一”建于隋大业(公元605-618)年间桥长64.40米，跨径37.02米，券高7.23米，是当今世界上跨径最大、建造最早的单孔敞肩型石拱桥因桥两端肩部各有二个小孔，不是实的，故称敞肩型，这是世界造桥史的一个创造（没有小拱的称为满肩或实肩型）苏州城南宝带桥,,,南京灵谷寺无量殿,,,,,,,,(2).国外的拱结构,吴哥窟（叠涩拱或假拱）,在西方, 对拱结构发展有杰出贡献的当属古罗马拜占庭(Byzantine)的帆拱（割球壳）,,,,君士坦丁堡的圣索菲亚大教堂,古罗马的拱结构（半圆拱，筒拱, 十字拱, 肋拱) 公元前62年建造的法勃里契(Fabricio)桥(下图)，拱跨长达24.5m公元前19年由罗马人建造, 在今法国境内, 向尼姆(NIMES)城供水的输水道, 现今残存的跨越戛特河谷的戛特桥(下图)275m长。

输水道由三层半园拱组成，底部两层拱对齐，最高达49m，最大拱跨达24.5m，气势雄伟壮观其另一特点是，为节约木模，在拱高1／4以上才设模架，在其下采用挑石，用来支撑施工脚手架为适应楼屋盖“面”的需要，把平面拱的宽度延伸扩展，形成了筒拱(Barrel Vault)筒拱支于承重墙上，为改善其下空间的封闭状况，消除墙的障碍，扩大内部空间，可用大拱支承筒拱筒拱带来三个主要缺点：一是中厅因之失去侧高窗，使厅内过于昏暗二是侧廊因而空间高大，需要设置楼层三是上部结构(筒拱)的连续性与下部结构(柱墩)的间隔性缺乏合理的配合筒拱,十字拱（筒拱交叉）,肋拱,,,哥特建筑的尖拱,哥特建筑的发展出自罗马风建筑，且为其不断成长的必然结果罗马风建筑有筒拱、十字拱与肋形拱，但这些拱结构都沿用了古罗马人所喜欢的半圆拱而哥特建筑的最大特点是所有的拱结构都采用尖拱 尖拱的最大特点是：打破了半圆拱矢高与净跨F/L=1/2的唯一关系，而成为F/L=n的可变关系半圆拱必须n=1／2，而尖拱的n可为任意值，但一般情况下n1／2(下图a)正由于尖拱具有这一灵活性，所以同一矢高F能适应各种不同跨度L(图b)这就摆脱了用调整起拱线标高来达到半圆肋形拱拱顶平齐的目的。

采用尖券肋形拱，不仅能拱顶平齐，且起拱线也能统一标高(图a)这使室内观感简洁，施工支模方便，且对抗衡拱脚推力的结构布置也极为有利另外，由于一般尖拱的N1／2，其拱脚侧推力比半圆拱为小，能减少支承结构的负荷a-尖拱与半圆拱 b- 尖拱的灵活性 c-尖券肋形拱 d-尖券帆拱与拜占庭帆拱,,,巴黎圣母院,2.现代的拱结构,（1）与古代拱结构的区别在于 拱轴的线形, 如采用抛物线拱; 材料的广泛使用, 如砖, 石, 混凝土, 预应力混凝土, 钢管混凝土, 木材与钢材(桁架拱); 拱身构造的多样化; 拱脚推力的合理处理方法而所有这些都建立在拱结构理论之上, 即现代拱结构是在结构理论的科学指导下设计产生的. （2）现代拱结构应用展示,瑞士滑冰馆（木材）,展览大厅（钢材、美国）,桁架拱桥（美国）,行人天桥（奥地利）,混凝土拱桥（瑞士））,观赏式拱结构（美国）,第二节 拱的设计,1、拱与梁的受力区别（与同跨度同荷载对应简支梁比较）,,,,,,D,,c,,,,,P1,,,,,D,,,y,内力计算 以截面D为例,截面内弯矩要和竖向力及水平力对D点构成的力矩相平衡，设使下面的纤维受拉为正2、受力特点,（1）在竖向荷载作用下有水平反力 H;,（2）由拱截面弯矩计算式可见，比相应简支梁小得多;,（3）拱内有较大的轴向压力N.,,3、合理拱轴线 垂直向下均布荷载其合理轴线是上翻的悬链线。

一般拱轴线形按恒载压力曲线确定严格按压力曲线设计拱轴线形，能取得最经济的效果若有偏离，拱内就会产生弯矩，必须将截面加强因之，拱结构的效能，常用拱轴线形与压力曲线的接近程度来衡量 压力曲线是一种结构造型当拱矢高H较小(HL／4时，圆弧线与抛物线相近为便于模板制作，使模板能定型化，可采用等曲率的圆弧线有时为更便于制模，采用平模板，而把圆弧线改成折线拱轴线采用圆弧线或折线者，拱内均有稍大弯矩,4.拱铰的设置,拱所受的荷载不同，其压力曲线的线形也不相同一般拱轴线形都按恒载下压力曲线确定在活载作用下，拱内就可能产生弯矩这时，铰的设置就会影响拱内弯矩的分布状况因此, 在拱身的构造上出现了无铰拱, 双铰拱和三铰拱. 无铰拱(下图） 只有在地基良好或两侧拱脚处有稳固边跨结构时，才采用无铰拱一般，无铰拱有用于桥梁的，却很少用于房屋建筑2).双铰拱(下图） 应用较多跨度小者拱重不大，可整体预制跨度大者，可沿拱轴线分段预制，现场地面拼装好后，再整体吊装就位双铰拱乃一次超静定结构，对支座沉降差，温度差及拱拉杆变形等都较敏感3）三铰拱 (下图) 为适应软弱地基上支座沉降差及拱拉杆变形，最好采用静定结构的三铰拱在跨中央设置永久性铰后，也便于分段制作，对大跨度拱更为有利。

例如西安秦俑博物馆展览厅(图1)的67m跨三铰拱，由于地基为I一Ⅱ级湿陷性黄土，密度小压缩大，不宜用象双铰拱、网架等超静定结构，故采用了静定结构的钢三铰拱耗钢量为40kg／m2,图1,5.拱轴线形的主要尺寸,拱是以轴压力为主的结构，使用抗压好的材料能材尽其用，如砖、石、混凝土、钢丝网水泥、钢筋混凝土、钢材等既省料、结构自重轻，又经济耐久，故能跨越很大跨度(L)，甚至达100m(在桥梁上数百米跨的拱桥并不罕见)跨度再大，因拱有压曲因素，以采用悬索结构为宜 拱不仅适合大跨度，也适用于小跨度 一般，拱的矢高取H=(1／8-1／2)L，经济范围是H=(1／7～1／5)L矢高不宜过小，否则拱内压力与拱脚推力过大有拉杆的拱，矢高可小些，一般取H=L/7无拉杆的拱，矢高不宜太小，否则拱脚下的抗推力结构较难处理 落地拱的矢高较大，一般H=(0.5～2)L矢高大，则轴压力小，风力影响大，曲线长，用料多，内部空间大矢高小则反之6、拱截面形式,拱身承受压力与弯矩比较容易满足要求但拱是平面的受压曲杆，在平面外会产生压曲现象为充分发挥抗压材料的强度，拱身截面需有足够宽度，这是对拱身的基本要求最好能把拱身做成立体型式，以解决拱身平面外刚度与稳定问题。

据此，拱身可分为梁式拱与板式拱两类共八种如下； 梁式拱 (1)肋形拱 肋形拱的曲杆，本身平面外刚度差，其纵向必须依靠刚性屋面构件(屋面板或檩条)作纵向支撑，以获得平面外刚度与稳定性如北京展览馆中央大厅,是现浇的落地肋形拱，拱肋宽800mm，高1.2m-2.5m，拱顶中部与80mm厚短筒壳现浇成整体 拱轴线也可以是不对称的如捷克的波特里游泳馆，是根据跳水台的位置与需要来确定拱的线型这样的拱，其弯矩是很大的.,(2)格构式拱,当拱截面较高(h1.5m)时，可做成格构式钢拱，其截面高度取H=(1／60-1／30)L为使其具有较好平面外刚度，拱截面最好设计成三角形或箱形的，这是拱肋立体化方法之一 格构式钢拱的截面可适应弯矩变化的需要而改变，因之其造型更为多变(见图)落地钢三铰拱也可由两片月牙形桁架构成，这就是三铰刚架发展而成的三铰拱(图)月牙桁架为三角形斜腹杆，附加再分式竖杆(垂直拱轴或垂直水平面)以支承屋面构件(檩条或屋面板)平面结构的肋形拱之间、格构式拱之间，需要铺设屋面构件并设置支撑沈阳奥体中心的钢结构桁架主拱,,,板式拱,拱身向立体化发展的另一方法，也是最好的型式，是把屋面的板与拱合二为一, 既是承重的拱结构，其本身又是屋面板, 这就是板式截面拱。

不仅省料，自重轻且平面外刚度极大，造型优美 (1)筒拱 最简单的板式拱截面是平板式的，称为筒拱因它是曲板，纵向为直线，故其横向刚度很小，仅用于中、小跨结构. 下图重庆山城宽银幕电影院的休息大厅与空廊是筒拱屋盖，采用6米等跨的5跨连续钢筋混凝土筒拱. 其观众厅是长筒壳屋盖, 筒拱与筒壳的外形极为相似, 但受力状况却完全不同, 筒拱是曲板, 在外荷作用下, 把力沿曲线方向往下传到两端, 曲线的两端为其支座, 且这两端间的水平距离为其跨度, 且其纵向直线方向不承荷传力，若将其纵向直线切成数段，每段各自独立，自成拱的结构系体，受力毫无影响 可见筒拱是单向承荷与传力的平面拱结构，在其纵向直线两端无需支承正门空廊与休息厅间的玻璃窗向上直通到筒拱拱底，在此无需支承而在所有筒拱的拱脚下都有梁，该梁跨度不大，且向外(空廊)悬挑再看观众厅的屋盖，是三个并列的筒壳，其纵向直线的两端为其支座，这两端间水平距离为其跨度筒壳不仅在纵向直线方向受力，同时在横向曲线方向也受力，是双向受力的空间壳结构2）凹波拱（见图）,这种拱的横截面呈凹波形，拱轴线是曲线形，于是构成了双曲面体,,,(3)凸波拱（见图）,这种拱的横截面呈圆弧的凸波形，旧称为双曲拱，其实三种波形拱都是双曲面拱体，仅波形有所不同罢了。

4）双波拱（见下图）,这种拱的横截面呈有凹有凸的波浪形,（5）折板拱,波形拱的目的是加大拱截面的高度，以增强拱的横向刚度但双曲面的模板(无论现挠或预制)制作困难，费料费工又费钱遂即出现了既保持前者目的，又采用平面模板的折板拱 这种拱的横截面呈直线折板形， 以代替波浪形 由于它是曲折而成的单曲面拱体，故制模简便，尤其采用分段预制者，更可利用台座进行预制,1962年建成的美国伊利诺大学会堂，由24个予应力混凝土折板拱组成的穹顶，直径132米，矢高18.8米，采用280号膨胀页岩混凝土，使用移动脚手架分段对称就位现浇而成6）箱形拱,1959年巴黎国家工业与技术展览中心展览大厅(下图)，其屋盖是分段预制、装配整体式钢筋混凝土，凸波箱形截面、落地三叉拱第三节 拱结构布置,1、并列布置 一般情况下，矩形平面建筑多采用等间距、等跨度、并列布置的平面拱结构，需要靠支撑解决其纵向抗侧力的能力与侧向稳定性 2、空间布置 对于非矩形平面(如正多边形、圆形、扇形等)建筑，拱的结构布置方案较多，如径向、环向、井式、多叉等布置方案，但都已是非平面结构，而成为空间拱结构由平面拱组合构成的空间拱结构，因其各拱肋已相互交叉连接，具有空间刚度与稳定性，也就无需支撑。

空间拱结构可以是落地拱，也可以支承在墙柱或刚架顶上的圈梁上1976年开始使用的，叶形平面的加拿大蒙特利尔市梅宗纳夫公园奥林匹克体育中心赛车场(右图)，是7000人的多。