拱结构

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什么是拱结构

  拱结构是指杆轴为曲线且在竖向荷载作用下能产生水平推力的结构。

拱结构的特点和优缺点[1]

  拱结构比桁架结构具有更大的力学特点,因为桁架结构从整体来看毕竟还相当一个受弯构件(弦杆承受弯矩,腹杆承受剪力),而拱结构的受力状态发生了与梁结构根本不同的受力改变。梁结构是受弯为主,拱结构已根本不是受弯了。悬梁和拱受力分析如图1所示和图2所示。

  Image:图1悬索受力状态(拉力).jpg

  Image:图2拱受力分析(压力).jpg

  所以悬梁用钢去做,正好利用和发挥钢材受拉的有利性能。拱用抗压性能较好的材料(如砖石、钢筋混凝土),正好利用和发挥材料的抗压有利性能。拱结构是使构件摆脱弯曲变形的一种突破性发展,因此,拱结构比桁架结构的力学性能优点更加显著,而且,它为抗压性能好的材料提供了一种理想的结构形式。不过,拱结构的支座(拱脚)会产生水平推力,如图2所示,跨度大时这个推力也大,要对付这个推力将是一桩麻烦又耗费材料的事。由于拱结构的这个缺点,故在实际工程应用上,桁架还是比拱用得更普遍。

拱结构形式

  按力学结构分有三铰拱、两铰拱、无铰拱。如下图所示。

  Image:拱的不同类型.jpg

  按建筑外形分有半圆拱、抛物线拱。拱轴形式的选择,必须根据建筑的要求与结构的合理性相结合来考虑。从结构的角度来说,合理的拱轴,是应该使拱在载荷作用下处于无弯矩状态。由于结构承受的载荷是多种多样的,实际很难找出一条绝对合理的拱轴来适应各种载荷,故只能根据主要载荷来确定合理的拱轴。使拱身能尽量减少弯矩,主要承受轴力,就是拱的合理轴线。

  随着建筑功能的多方面发展,单一的结构形式、传统的结构造型,已不能满足要求,因而产生了几种结构形式的组合,希望大家亦能有所了解。

参考文献

  1. 范晓明主编.建筑及其工程概论.武汉理工大学出版社,2006年9月.
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