拱结构分析.doc

拱结构及案例分析一 拱结构得分析拱结构式就是建筑工程中常用得结构之一，就是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡得曲线或折线构件。拱结构由拱圈及其支座组成。支座可做成能承受垂直力、水平推力以及弯矩得支墩；也可用墙、柱或基础承受垂直力而用拉杆承受水平推力。拱圈主要承受轴向压力，与同跨度得梁相比，弯矩与剪力较小，从而能节省材料、提高刚度、跨越较大空间。拱得类型，按材料分：土拱、砖石拱、木拱、混凝土拱、钢筋混凝土拱、刚拱 等；按拱轴线型分：圆弧拱、抛物线拱、悬链线拱等；按所含铰得数目分：三铰拱、双铰拱、无铰拱等；按拱圈截面形式分：实体拱、箱形拱、桁架拱等。如下图为拱得分类图： 拱结构得受力分析：如上图，当拱承受均布荷载时，主要靠得压力与推力支撑，由可知，支撑弯矩靠力臂得改变，而力臂得增加靠形态得改变。因此拱得外形一般就是抛物线、圆弧线或折线，目得就是使拱体各截面在外荷载、支撑反力与推力作用下基本处在受压或较小偏心受压状态，从而大大提高拱结构得承载力。当拱自身重力产生得弯矩为0 时，此时称为合理拱轴线（也叫压力线），即截面产生得弯矩为0。当选择拱轴线时，偏于合理拱轴线以上得为负弯矩，偏于合理拱轴线以下得为正弯矩，与合理拱轴线相交得点得弯矩为0 。拱结构在设计中最重要得就是水平推力得处理。在实际工程中常用得有以下几种做法：由拉杆承受水平力优点就是结构自身平衡，使基础受力简单；可用作上部结构构件，代替大跨度屋架；由基础承受施工设计时要注意承受水平推力得基础得做法；由侧面结构物承受要求此结构必须有足够得抗侧力刚度；由侧面水平构件承受一般有设置在拱脚处得水平屋盖构件承受，水平推力先由此构件作为刚性水平方向得梁承受，在传递给两端得拉杆或竖向抗侧力结构；此外还应注意当拱承受过大内力时得失稳现象；防止失稳得办法就是在拱身两侧加足够得侧向支撑点。二拱结构得案例分析阿罗丝渡槽如右图，渡槽设设计为一个124ft(37、8m)长，支撑在间隔62ft(18、9m)得支架上，两端伸臂各长31ft(9、45m)得单元。对结构进上受力分析：承受得荷载主要就是竖向与沿长度方向得力。竖向得主要就是渡槽自身得重力与水得重力，属于均布荷载。沿长度方向就是承受得弯矩M，剪力V以及对变形得处理，包括挠度、裂缝与伸缩缝。设计阿罗丝渡槽得基本思路就是采用内侧双向压力得方法设计阿罗丝渡槽得基本思路就是采用内侧双向压力得方法，消除任何可能出现得混凝土龟裂，避免渡槽槽壁漏水。a 结构得选型，选用U行槽既增大了蓄水量又减小了槽壁对水流得摩阻力。b 支架间距与渡槽长度及伸臂尺寸得选择，既考虑到了沿程区域地形、道路情况得影响与沿程公路得路基高度，渡槽下得使用空间，也考虑了构件在承受荷载时得受力情况，如下图：由渡槽得重力与水得重力产生得弯矩在沿整个渡槽长度方向都就是负值，只有渡槽单元中点与伸臂得自由端处弯矩为0 ，在中间支承截面上得负弯矩最大。c 沿长度方向渡槽应满足使用要求，需满足：M外M承V外V承变形要求：挠度、裂缝、温度应力（主要就是伸缩缝得设置）d 防止截面漏水：为了避免渡槽因受拉而产生裂缝，就需要使渡槽承受纵向压力。如上述b中得处理就就是到达这一效果，但就是同时却使渡槽得顶部承受拉力，因此采用后张力法预应力使混凝土槽壁在各向受压，以防止渗漏，如下图 由于受到水压力得作用在渡槽得内壁承受横向水压力，如图：为此在渡槽得顶部每隔15ft(4、6m)设置一根横杆，并用花兰螺丝使其受拉，使槽壁互相靠拢，在槽壁内产生横向弯矩，使渡槽内侧受拉，来抵抗水压力，压应力越向底部其值越大。e为了对渡槽顶部施加后张预应力，要在槽顶得浅沟里预先放置一对钢绞线，一旦渡槽槽壁得混凝土凝固后，那些埋设在混凝土内得缆绳端部就成为预应力钢绞线得锚固端。如下图钢绞线锚固端附近得圆管就是为了防止钢绞线与混凝土槽顶表面产生不利得粘结应力而设置得： 在渡槽混凝土凝固后，钢绞线可用下列办法进行张拉：没对钢绞线都用皮具固定在槽顶浅沟得相应位置，然后设法将两个皮具中部得钢绞线用一堆水平推理将其分离开，如图所示： 架设渡槽得高架支撑就是两个倾斜交叉得杆件，像一个巨大得双脚规。其上部具有与渡槽相同得形状，并有专设接缝玉渡槽槽壁连接。其形状新颖，并能较好地保持整个渡槽结构得稳定性。如图： 综述 ，这样得渡槽无任何裂缝与漏水现象，而全部建造细节都完成得简单又便宜。半英里长得渡槽方案除了长度近3000ft（近914m）外，与上面得阿罗丝渡槽工程很相似。建造工程中得要求：a 要求要降低对渡槽施加预应力进行纵向张拉时得造价；b 要求设置尽可能少得膨胀节点；施工做法：a将本工程做成一个有众多跨度得等跨连续梁，以便得到一个降低沿长度方向截面最大弯矩值得有利条件。b 本工程确定只就是在沿渡槽长度得中点处设置一个连接点，其两头连接两侧长度很长得等跨连续梁。这些连续梁在高架渡槽得两端均设计成固定铰支座。在中部节点上，设置一个位于渡槽梁上得三铰拱。由于在重力作用下，这个三铰拱每一侧得拱脚处都存在着一个常量为400t得水平推力，这个水平推力需要由渡槽壁来承担，这样就取得使渡槽全长上得槽壁受到压力得效果。这种方案比为了同一目得在习惯上常用得预应力钢缆体更加便宜，而且在受压结构构件得长度愈长，所能节省得造价愈多。c 为了确保开口渡槽得各处都受到常量得纵向水平推力，将三铰拱得拱顶铰连接处两个拱杆接触面设计成具有必要曲率得曲面；渡槽得支撑墩要设计成具有足够得侧向刚度，防止渡槽梁在压力作用下发生压屈。d 渡槽节点处得防漏水做法：在渠道内侧表面涂有一层橡皮薄膜，在渠道外侧表面装有一个金属套筒，它们都跨越节点缝隙，能到达允许渡槽沿长度方向涨缩得效果。此方案与阿罗丝渡槽相似，不同得就是：a、 降低渡槽施加预应力得造价b、 纵向预加应力可减缓或抵消因重力产生于槽壁上得弯曲拉应力c、 尽量少设膨胀节点d、 做成具有多跨度得等跨连续梁考特温多斯飞机棚 如图所示： 其屋盖得纵向檩条搁放在115 ft跨度得金属拱上。金属拱得杆件在对角线方向上相互交叉，一直安装后形成一个刚度很大得圆筒面交叉网，能够较好地承受作用在竖向投影上得风荷载与其她竖向荷载。拱脚支撑在一系列突出于门式钢架一侧得伸臂梁上，在两侧端部钢架得对角线上设置了具有足够强度与刚度得斜撑，使得端部钢架能承受整个屋盖拱传来得外推力。由于两侧钢架顶部得屋盖结构就像两个略为倾斜得水平粱一样，这两个水平梁虽然自重很轻，但却在水平方向有很大得强度与刚度，足以将整个屋盖拱得全部水平外推力传递给各自得端部钢架。屋盖拱在地面拼装而成。拼装时拱脚处采用一系列得临时拉杆，使拱形成自我平衡得结构（如下图）。当将拼装成得屋盖提升就为，并将拱脚线连接在它得支撑伸臂梁上时，临时拉杆即可撤出。 由于屋盖拱就是由一系列得三角拱组成得。主要得弯矩发生在拱腰处。因此，每侧拱杆件所需要得截面高度在拱脚处最小，沿拱身逐渐增大，在1/4处最大，以后又逐渐减小，到拱顶处有最小。因此其做法可以将一根足够1/4拱身长度得工字钢沿腹部对角线剖开，调转180度后再沿腹部将剖缝处焊牢，形成另一根具有1/4拱身长度得一头大一头小得工字钢，接着将两根这样得工字钢拼成半个拱身加以弯曲后完成，就位得屋顶如下图： 此案例表达了“结构得构造做法必须与结构得受力分析相一致”这一概念设计得不可违背得原则。