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第4章 拱式结构
拱――以轴向受压为主的结构;材料:砼、砖、石等。
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第四章 拱式结构
4.1 拱的受力特点
4.2 拱脚水平推力的平衡
4.3 拱式结构的型式
4.4 拱式结构的选型与布置
4.5 拱式结构的工程实例
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按结构支承方式分类:三铰拱、两铰拱和无铰拱。两铰拱
和无铰拱是超静定结构,较为常用。
结构型式:
双铰拱(最常见,制作安装方便,较经济,温度应力低)
三铰拱(应用不广,拱顶铰使结构复杂化)
无铰拱(最经济,须设强支座,温度应力高)
双铰拱
三铰拱
无铰拱
4.1拱的受力特点
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4.1.1支座反力
以三铰拱为例:
(1)在竖向荷载作用下,拱脚支座内部将产生水平推力
(2)
(3)当结构跨度与荷载条件一定时, 与矢高成反比
4.1拱的受力特点
并与同跨度同荷载的简支梁比较。
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拱是一种有推力的结构,它的主要内力是轴向压力。从下图可
以看出,梁在荷载 作用下,要向下挠曲;拱在荷载 作用下,拱
脚产生水平反力 。它起着抵消荷载 引起的弯曲作用,从而减少
了拱杆的弯矩峰值。一般情况下,结构所受外力的传递路线越短,
也就是外力越是能够直接传到基础,结构就越经济,如落地拱。
拱与梁的受力分析
a) 简支梁受力特点 b) 拱的受力特点 c) 拱的传力路线示意
4.1拱的受力特点
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由推算可知:
(1)拱内的 简支梁内的
(2)拱内的 简支梁内的
(3)拱内有 ,简支梁内没有轴力
4.1.2拱身截面的内力
4.1拱的受力特点
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4.1.3拱的合理轴线
当 = 0时,则
竖向均布荷载作用下, 为一抛物线,因此,合理拱轴线为一抛物线。当 时,可用圆弧线代替抛物线。
支座约束及荷载形式不同,其合理拱轴线将不同。如:对于受径向均布压力作用的无铰拱或三铰供,其合理拱轴线为圆弧线
抛物线 圆弧线
4.1拱的受力特点
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拱与曲梁的区别
拱 优点:轴向受压为主
缺点:支座水平推力较大
曲梁
当拱脚地基反力不能有效抵抗其水平推力时拱便成了梁。
4.1拱的受力特点
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拱是有推力的结构,所以拱结构的支座应能可靠地承受水平推力,才能保证它发挥拱的受力作用。拱脚推力的结构处理,是拱结构设计的中心问题。
4.2.1水平推力直接由拉杆承担
拱脚水平推力由拉杆承担
1、结构方案的布置
4.2拱脚的水平推力的平衡
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拱脚水平推力由拉杆承担
2、适用的拱:搁置在墙、柱上的屋盖结构;落地拱
3、特点:水平拉杆所承受的拉力等于拱的推力;
经济合理,安全可靠。
缺点:室内有拉杆
4、水平拉杆的用料:可采用型钢或圆钢;预应力混凝土拉杆
水平推力直接由拉杆承担
拱脚的水平推力的平衡
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4.2.2水平推力通过刚性水平结构传递给总拉杆
拱脚水平推力由山墙内的拉杆承担(北京展览馆电影厅)
1、结构布置方案如图
2、刚性水平构件:位于拱脚处的天沟板或副跨屋盖结构(看成是一根水平放置的深梁,水平刚度足够大)
3、优点:立柱不承受拱的推力,柱内力较小;室内没有拉杆
4.2拱脚的水平推力的平衡
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4.2.3水平推力由竖向承重结构承担
拱脚水平推力由斜柱墩承担
(图b为西安秦俑博物馆展览厅,三铰拱拱脚支于从基础斜挑2.5m的钢筋混凝土斜柱上)
拱脚水平推力由侧边框架承担(北京崇文门菜市场)
4.2拱脚的水平推力的平衡
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拱脚水平推力由侧边框架承担(美国敦威尔综合大厅)
拱脚水平推力由侧边框架承担(某体育馆)
拱脚的水平推力的平衡
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4.2.4水平推力直接作用在基础上
落地拱(北京体育学院田径房)
1、适用的拱:落地拱
2、水平推
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