建筑结构选型-第四章-拱式结构说课材料.ppt

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1、建筑结构选型-第四章-拱式结构2 2第四章第四章 拱式结构拱式结构第一节第一节 拱的受力特点拱的受力特点第二节第二节 拱脚水平推力的平衡拱脚水平推力的平衡第三节第三节 拱式结构的型式拱式结构的型式第四节第四节 拱式结构的选型与布置拱式结构的选型与布置第五节第五节 拱式结构的工程实例拱式结构的工程实例3 3按结构支承方式分类：三铰拱、两铰拱和无铰拱。两铰拱按结构支承方式分类：三铰拱、两铰拱和无铰拱。两铰拱按结构支承方式分类：三铰拱、两铰拱和无铰拱。两铰拱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。和无铰拱是超静定结构，较为常用。和无铰拱是超静定结构，较为常用

2、。和无铰拱是超静定结构，较为常用。结构型式：结构型式：结构型式：结构型式：双铰拱双铰拱双铰拱双铰拱(最常见，制作安装方便，较经济，温度应力低最常见，制作安装方便，较经济，温度应力低最常见，制作安装方便，较经济，温度应力低最常见，制作安装方便，较经济，温度应力低)三铰拱三铰拱三铰拱三铰拱(应用不广，拱顶铰使结构复杂化应用不广，拱顶铰使结构复杂化应用不广，拱顶铰使结构复杂化应用不广，拱顶铰使结构复杂化)无铰拱无铰拱无铰拱无铰拱(最经济，须设强支座，温度应力高最经济，须设强支座，温度应力高最经济，须设强支座，温度应力高最经济，须设强支座，温度应力高)双铰拱双铰拱三铰拱三铰拱无铰拱无铰拱拱的受力特点拱

3、的受力特点4 4支座反力支座反力支座反力支座反力以三铰拱为例：以三铰拱为例：以三铰拱为例：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）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，）当结构跨度与荷载条件一定时，与矢高成反比与矢高成反比拱的受力特点拱的受力特点5 5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，梁在荷载以看出，梁在荷载以看出，梁在荷载以看出，梁在

4、荷载作用下，要向下挠曲；拱在荷载作用下，要向下挠曲；拱在荷载作用下，要向下挠曲；拱在荷载作用下，要向下挠曲；拱在荷载作用下，拱作用下，拱作用下，拱作用下，拱脚产生水平反力脚产生水平反力脚产生水平反力脚产生水平反力。它起着抵消荷载。它起着抵消荷载。它起着抵消荷载。它起着抵消荷载引起的弯曲作用，从而减少引起的弯曲作用，从而减少引起的弯曲作用，从而减少引起的弯曲作用，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，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，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，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

5、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。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。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。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。拱与梁的受力分析拱与梁的受力分析a)a)简支梁受力特点简支梁受力特点 b)b)拱的受力特点拱的受力特点 c)c)拱的传力路线示意拱的传力路线示意拱的受力特点拱的受力特点6 6由推算可知：由推算可知：（1）拱内的）拱内的简支梁内的简支梁内的（2）拱内的）拱内的简支梁内的简支梁内的（3）拱内有）拱内有，简支梁内没有轴力，简支梁内没有轴力 拱身截面的内力拱身截面的内力拱身截面

6、的内力拱身截面的内力拱的受力特点拱的受力特点7 7拱的合理轴线拱的合理轴线拱的合理轴线拱的合理轴线当当当当 0 0时，则时，则时，则时，则 竖向均布荷载作用下，竖向均布荷载作用下，为一抛物线，因此，合理拱轴线为为一抛物线，因此，合理拱轴线为一抛物线。当一抛物线。当时，可用圆弧线代替抛物线。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 抛物线抛物线圆弧线圆弧线拱的受力特点拱的受力特点8 8 拱与曲梁的

7、区别拱与曲梁的区别拱与曲梁的区别拱与曲梁的区别拱拱 优点：轴向受压为主优点：轴向受压为主缺点：支座水平推力较大缺点：支座水平推力较大曲梁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。当拱脚地基反力不能有效抵抗其水平推力时拱便成了梁。拱的受力特点拱的受力特点9 9拱是有推力的结构，所以拱结构的支座应能可靠地承受水拱是有推力的结构，所以拱结构的支座应能可靠地承受水拱是有推力的结构，所以拱结构的支座应能可靠地承受水拱是有推力的结构，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。拱脚推力的结构处平推力，才能保证它发挥拱的受力作用。拱脚推力的结构处平推力，才能保证它发挥拱的

8、受力作用。拱脚推力的结构处平推力，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理，是拱结构设计的中心问题理，是拱结构设计的中心问题理，是拱结构设计的中心问题。水平推力直接由拉杆承担水平推力直接由拉杆承担水平推力直接由拉杆承担水平推力直接由拉杆承担拱脚水平推力由拉杆承担拱脚水平推力由拉杆承担1 1、结构方案的布置、结构方案的布置、结构方案的布置、结构方案的布置拱脚的水平推力的平衡拱脚的水平推力的平衡1010拱脚水平推力由拉杆承担拱脚水平推力由拉杆承担2 2、适用的拱：搁置在墙、柱上的屋盖结构；落地拱、适用的拱：搁置在墙、柱上的屋盖结构；落地拱、适用的拱：搁置在墙、柱上的

9、屋盖结构；落地拱、适用的拱：搁置在墙、柱上的屋盖结构；落地拱3 3、特点：水平拉杆所承受的拉力等于拱的推力；、特点：水平拉杆所承受的拉力等于拱的推力；、特点：水平拉杆所承受的拉力等于拱的推力；、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。经济合理，安全可靠。经济合理，安全可靠。经济合理，安全可靠。缺点：室内有拉杆缺点：室内有拉杆缺点：室内有拉杆缺点：室内有拉杆4 4、水平拉杆的用料：可采用型钢或圆钢；预应力混凝土拉杆、水平拉杆的用料：可采用型钢或圆钢；预应力混凝土拉杆、水平拉杆的用料：可采用型钢或圆钢；预应力混凝土拉杆、水平拉杆的用料：可采用型钢或圆钢；预应力混凝土拉杆 水平推

10、力直接由拉杆承担水平推力直接由拉杆承担水平推力直接由拉杆承担水平推力直接由拉杆承担拱脚的水平推力的平衡拱脚的水平推力的平衡1111 水平推力通过刚性水平结构传递给总拉杆水平推力通过刚性水平结构传递给总拉杆水平推力通过刚性水平结构传递给总拉杆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拱脚水平推力由山墙内的拉杆山墙内的拉杆承担承担（北京展览馆电影厅）（北京展览馆电影厅）1、结构布置方案如图、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、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）一根水平放置的深梁，水平刚度足够大）

11、3、优点：立柱不承受拱的推力，柱内力较小；室内没有拉杆、优点：立柱不承受拱的推力，柱内力较小；室内没有拉杆拱脚的水平推力的平衡拱脚的水平推力的平衡1212 水平推力由竖向承重结构承担水平推力由竖向承重结构承担水平推力由竖向承重结构承担水平推力由竖向承重结构承担拱脚水平推力由拱脚水平推力由斜柱墩斜柱墩承担承担（图（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）的钢筋混凝土斜柱上）拱脚水平推力由拱脚水平推力由侧边框架侧边框架承担承担（北京崇文门菜市场）（北京崇文门菜市场）拱脚的水平推力的平衡拱脚的水平推力的平衡131

12、3拱脚水平推力由拱脚水平推力由侧边框架侧边框架承担承担（美国敦威尔综合大厅）（美国敦威尔综合大厅）拱脚水平推力由拱脚水平推力由侧边框架侧边框架承担承担（某体育馆）（某体育馆）拱脚的水平推力的平衡拱脚的水平推力的平衡1414 水平推力直接作用在基础上水平推力直接作用在基础上水平推力直接作用在基础上水平推力直接作用在基础上落地拱落地拱（北京体育学院田径房）（北京体育学院田径房）1、适用的拱：落地拱、适用的拱：落地拱2、水平推力不太大或地质条件较好、水平推力不太大或地质条件较好3、基础尺寸比较大，材料用料也较多。、基础尺寸比较大，材料用料也较多。基础形式基础形式拱脚的水平推力的平衡拱脚的水平推力的平

13、衡1515拱式拱式结构结构型式型式按力学计算简图分类：按力学计算简图分类：无铰拱、无铰拱、两铰拱、三铰拱两铰拱、三铰拱按应用材料分类：按应用材料分类：钢筋混凝土结钢筋混凝土结构、钢结构、胶合木结构构、钢结构、胶合木结构按拱身截面分类：按拱身截面分类：格构式和实腹格构式和实腹式；等截面和变截面式；等截面和变截面拱结构的型式拱结构的型式1616实腹式：截面高度可取跨度的实腹式：截面高度可取跨度的1/80 1/50；可以作成具有曲线；可以作成具有曲线形的外形，通常为焊接工字型截面。形的外形，通常为焊接工字型截面。格构式：截面高度可取跨度的格构式：截面高度可取跨度的1/60 1/30格构式钢拱的型式格

14、构式钢拱的型式钢结构拱钢结构拱1717北京体育馆比赛厅北京体育馆比赛厅（56米跨度的拱钢屋架米跨度的拱钢屋架）西安秦俑博物馆展览厅（西安秦俑博物馆展览厅（56米跨度的拱钢屋架米跨度的拱钢屋架）1818大拱门（卓罗山通讯塔）：位于密西西比河畔圣路易斯市，高大拱门（卓罗山通讯塔）：位于密西西比河畔圣路易斯市，高192米，呈倒米，呈倒U字形，使用字形，使用886吨不锈钢建成。整个拱体就像一个三棱镜吨不锈钢建成。整个拱体就像一个三棱镜那样，是一个三面体，它的周边即使让个人合抱也抱不过来。那样，是一个三面体，它的周边即使让个人合抱也抱不过来。拱体的外壳是用两层不锈钢板夹钢筋混凝土拼砌而成的，而拱体内拱体

15、的外壳是用两层不锈钢板夹钢筋混凝土拼砌而成的，而拱体内部却是空心的，里面有电梯，可以乘坐它到达拱顶眺望。部却是空心的，里面有电梯，可以乘坐它到达拱顶眺望。设计：沙里宁设计：沙里宁竣工时间：竣工时间：1965年年10月月191920202121德国某建筑入口处钢拱德国某建筑入口处钢拱德国某建筑入口处钢拱德国某建筑入口处钢拱2222钢筋混凝土拱钢筋混凝土拱2323一般采用实腹式，拱身截面一般为矩形或工字形。一般采用实腹式，拱身截面一般为矩形或工字形。也可做成折板拱、波形拱或网状筒拱，成为梁板合一的结构。也可做成折板拱、波形拱或网状筒拱，成为梁板合一的结构。实腹式钢筋混凝土拱的型式实腹式钢筋混凝土拱

16、的型式钢筋混凝土拱钢筋混凝土拱2424折板拱折板拱(湖南省游泳馆，湖南省游泳馆，跨度：跨度：47.6m，装配式折板拱，装配式折板拱)波形拱波形拱(无锡体育馆，跨度无锡体育馆，跨度60m，钢丝网水泥双曲拱钢丝网水泥双曲拱)返回2525结构支承方式结构支承方式结构支承方式结构支承方式三铰拱三铰拱：静定结构，构造复杂，目前较少采用静定结构，构造复杂，目前较少采用两铰拱：两铰拱：超静定结构，受力合理、用料经济、制作和安超静定结构，受力合理、用料经济、制作和安装比较简单，对温度变化和地基变形的适应性较好，目装比较简单，对温度变化和地基变形的适应性较好，目前较为常用。前较为常用。无铰拱无铰拱：超静定结构，

17、受力最为合理，但对基础要求较超静定结构，受力最为合理，但对基础要求较高，当地基条件较差时，不宜采用。高，当地基条件较差时，不宜采用。拱结构的选型与布置拱结构的选型与布置2626拱的矢高拱的矢高1、满足使用功能和建筑造型的要求、满足使用功能和建筑造型的要求矢高决定了建筑物的体量、建筑内部空间的大小矢高决定了建筑物的体量、建筑内部空间的大小同时矢高直接决定拱的外形同时矢高直接决定拱的外形2、使结构受力合理、使结构受力合理增加矢高来减小拱脚水平推力增加矢高来减小拱脚水平推力矢高过大，拱身长度增大，拱身及其屋面覆盖材料的用量增加矢高过大，拱身长度增大，拱身及其屋面覆盖材料的用量增加3、满足屋面排水构造

18、的要求、满足屋面排水构造的要求瓦屋面及构件自防水屋面，要求屋面坡度较大，则矢高较大瓦屋面及构件自防水屋面，要求屋面坡度较大，则矢高较大油毡屋面，为防止夏季高温时引起沥青流淌，坡度不能太大，油毡屋面，为防止夏季高温时引起沥青流淌，坡度不能太大，则相应地矢高较小。则相应地矢高较小。拱结构的选型与布置拱结构的选型与布置2727竖竖向均布荷向均布荷载载作用下，合理拱作用下，合理拱轴线为轴线为一抛物一抛物线线，其方程，其方程为为 当当时，可以用圆弧线代替抛物线。时，可以用圆弧线代替抛物线。拱结构的选型与布置拱结构的选型与布置拱轴线方程拱轴线方程2828拱身截面高度拱身截面高度拱身截面高度拱身截面高度 钢

19、拱钢拱实腹式（实腹式（1/501/80）L，格构式（格构式（1/301/60）L，钢筋混凝土拱钢筋混凝土拱（1/201/40）L拱结构的选型与布置拱结构的选型与布置2929拱结构布置拱结构布置拱结构布置拱结构布置并列布置：并列布置：美国蒙哥玛利体育馆美国蒙哥玛利体育馆径向布置：径向布置：环向布置环向布置井式布置：井式布置：多叉布置：多叉布置：法国巴黎工业技术展览中心法国巴黎工业技术展览中心拱环布置拱环布置拱结构的选型与布置拱结构的选型与布置3030并列式布置并列式布置 美国蒙哥玛利体育馆美国蒙哥玛利体育馆 体育馆平面为椭圆形，各榀拱架结构的尺寸是一致的，因此一部分拱脚被包在建筑体育馆平面为椭圆

20、形，各榀拱架结构的尺寸是一致的，因此一部分拱脚被包在建筑物内，而另一部分拱脚则暴露在建筑物的外部，且各榀拱脚伸出建筑物的长度是变化的，物内，而另一部分拱脚则暴露在建筑物的外部，且各榀拱脚伸出建筑物的长度是变化的，给人以明朗轻巧的感受。给人以明朗轻巧的感受。3131交叉式布置交叉式布置法国巴黎工业技术法国巴黎工业技术展览中心展览中心工程概况：平面为三角形，边长工程概况：平面为三角形，边长218m，高，高43.6m。结构形式：屋顶为双层波形薄壁拱壳。拱壳壁厚结构形式：屋顶为双层波形薄壁拱壳。拱壳壁厚6cm，两层之间距，两层之间距离离1.8m，拱脚附近因压力较大拱壁加厚。拱身为钢筋混凝土装配整，拱脚

21、附近因压力较大拱壁加厚。拱身为钢筋混凝土装配整体式薄壁结构，为落地拱。推力由预应力拉杆承受，拉杆设在地下。体式薄壁结构，为落地拱。推力由预应力拉杆承受，拉杆设在地下。3232世界上跨度最大的钢结构拱桥：世界上跨度最大的钢结构拱桥：世界上跨度最大的钢结构拱桥：世界上跨度最大的钢结构拱桥：上海卢浦大桥上海卢浦大桥上海卢浦大桥上海卢浦大桥工程概况：工程概况：工程概况：工程概况：20032003年年年年6 6月建成通车。跨度月建成通车。跨度月建成通车。跨度月建成通车。跨度550m550m，世界第一拱桥。全长，世界第一拱桥。全长，世界第一拱桥。全长，世界第一拱桥。全长39003900米，主桥长米，主桥长

22、米，主桥长米，主桥长750750米，主桥面宽米，主桥面宽米，主桥面宽米，主桥面宽28.728.7米，桥下净高米，桥下净高米，桥下净高米，桥下净高4646米米米米。总设计师：林元培总设计师：林元培总设计师：林元培总设计师：林元培拱结构的工程实例拱结构的工程实例3333世界上跨度第二的拱桥：世界上跨度第二的拱桥：世界上跨度第二的拱桥：世界上跨度第二的拱桥：新河峡谷拱桥新河峡谷拱桥新河峡谷拱桥新河峡谷拱桥NEWRIVERGORGEBRIDGENEWRIVERGORGEBRIDGE工程概况：工程概况：工程概况：工程概况：19771977年年年年1010月建成通车。月建成通车。月建成通车。月建成通车。主

23、跨主跨主跨主跨518m518m的上承式钢桁架拱桥的上承式钢桁架拱桥的上承式钢桁架拱桥的上承式钢桁架拱桥。是目前同类桥型中跨径最大的钢桁拱桥，而国内同类型桥梁跨是目前同类桥型中跨径最大的钢桁拱桥，而国内同类型桥梁跨是目前同类桥型中跨径最大的钢桁拱桥，而国内同类型桥梁跨是目前同类桥型中跨径最大的钢桁拱桥，而国内同类型桥梁跨度最大的是正在建设中的大宁河大桥，主跨度最大的是正在建设中的大宁河大桥，主跨度最大的是正在建设中的大宁河大桥，主跨度最大的是正在建设中的大宁河大桥，主跨400m400m。总设计师：林元培总设计师：林元培总设计师：林元培总设计师：林元培拱结构的工程实例拱结构的工程实例3434世界上

24、跨度第二的拱桥：世界上跨度第二的拱桥：世界上跨度第二的拱桥：世界上跨度第二的拱桥：新河峡谷拱桥新河峡谷拱桥新河峡谷拱桥新河峡谷拱桥NEWRIVERGORGEBRIDGENEWRIVERGORGEBRIDGE拱结构的工程实例拱结构的工程实例3535世界上跨度第二的拱桥：世界上跨度第二的拱桥：世界上跨度第二的拱桥：世界上跨度第二的拱桥：新河峡谷拱桥新河峡谷拱桥新河峡谷拱桥新河峡谷拱桥NEWRIVERGORGEBRIDGENEWRIVERGORGEBRIDGE拱结构的工程实例拱结构的工程实例3636悉尼歌剧院悉尼歌剧院悉尼歌剧院悉尼歌剧院拱结构的工程实例拱结构的工程实例3737悉尼歌剧院悉尼歌剧院悉

25、尼歌剧院悉尼歌剧院拱结构的工程实例拱结构的工程实例3838悉尼歌剧院悉尼歌剧院悉尼歌剧院悉尼歌剧院拱结构的工程实例拱结构的工程实例3939悉尼歌剧院悉尼歌剧院悉尼歌剧院悉尼歌剧院起初设想那些巨大的壳片是钢筋混凝土壳体结构，经过深入研究后发现，只能将每一个壳片划分为一条条钢筋混凝土的肋券，再分段预制，然后才能组合成整体。拱结构的工程实例拱结构的工程实例4040伦敦证券交易所伦敦证券交易所伦敦证券交易所伦敦证券交易所工程概况：建于工程概况：建于工程概况：建于工程概况：建于19901990年，长年，长年，长年，长78m78m，横跨铁路之上，横跨铁路之上，横跨铁路之上，横跨铁路之上设设设设计：计：计：

26、计：SOMSOM拱结构的工程实例拱结构的工程实例4141伦敦证券交易所伦敦证券交易所伦敦证券交易所伦敦证券交易所伦敦证券交易所的外观，无铰拱横跨伦敦证券交易所的外观，无铰拱横跨78m，拱，拱上柱承受压力，拱下柱承受拉力上柱承受压力，拱下柱承受拉力拱结构的工程实例拱结构的工程实例4242伦敦证券交易所伦敦证券交易所伦敦证券交易所伦敦证券交易所工程概况：建于工程概况：建于工程概况：建于工程概况：建于19901990年，长年，长年，长年，长78m78m，横跨铁路之上，横跨铁路之上，横跨铁路之上，横跨铁路之上设设设设计：计：计：计：SOMSOM拱结构的工程实例拱结构的工程实例4343伦敦证券交易所伦敦证券交易所伦敦证券交易所伦敦证券交易所拱结构的工程实例拱结构的工程实例4444伦敦证伦敦证伦敦证伦敦证券交易所券交易所券交易所券交易所伦敦证券交易所的主要结构系统伦敦证券交易所的主要结构系统拱结构的工程实例拱结构的工程实例4545伦敦证券交易所伦敦证券交易所伦敦证券交易所伦敦证券交易所伦敦证券交易所的应力传递路径伦敦证券交易所的应力传递路径拱结构的工程实例拱结构的工程实例此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢