8,9第八章拱结构第九章薄壳结构

(3)利用拉杆来承受水平推力 利用拉杆来承受水平推力 在拱脚处设置钢杆， 在拱脚处设置钢杆，利用钢杆受拉从而抵抗拱 的推力(图 的推力 图8—5a、b)。这种解决办法传力路线最 、 。 简短， 简短，在拱结构的范围内直接解决推力问题面不致 将推力传给支承拱的结构构件上。钢杆因为受拉、 将推力传给支承拱的结构构件上。钢杆因为受拉、 这样处理的拱故也称“拉杆拱” 这样处理的拱故也称“拉杆拱”。拉杆拱因为推力 问题可在拱本身独立解决， 问题可在拱本身独立解决，故拉杆拱普遍用于屋盖 结构上。 结构上。 为了避免拉杆在自重作用下严重下垂，通常设 为了避免拉杆在自重作用下严重下垂， 置吊杆以维持拉杆的水平依置(图 置吊杆以维持拉杆的水平依置 图8—5a、b)。 、 。
第八章
拱结构
第一节拱的结构特点与优缺点
拱结构比桁架结构具有更大的力学优点， 拱结构比桁架结构具有更大的力学优点，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， 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)， 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， 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。 是受弯了。 拱结构的受力状态到底是怎样的呢?我们可以先拿一 拱结构的受力状态到底是怎样的呢 我们可以先拿一 根悬索来看，它在外荷作用下，悬索主要产生拉力(图 根悬索来看，它在外荷作用下，悬索主要产生拉力 图8— 1)，所以悬索用钢去做，正好利用和发挥钢材受拉的有利 ，所以悬索用钢去做， 性能。同理，如果把悬索反过来形成拱，它在外荷作用下， 性能。同理，如果把悬索反过来形成拱，它在外荷作用下， 拱主要产生压力(图 拱主要产生压力 图8—2)，如果用抗压性能较好的材料 ， (如砖石或钢筋混凝土 去做拱，正好利用发挥材料的抗压 如砖石或钢筋混凝土)去做拱 如砖石或钢筋混凝土 去做拱， 有利性能。 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， 拱结构是使构件摆脱弯曲变形的一种突破性发展，因 拱结构比桁架结构的力学优点更加显著，而且， 此，拱结构比桁架结构的力学优点更加显著，而且，它为 抗压性能好的材料提供厂一种理想的结构型式。不过， 抗压性能好的材料提供厂一种理想的结构型式。不过，拱 结构的支座(拱脚 会产生水平推力(图 拱脚)会产生水平推力 ， 结构的支座 拱脚 会产生水平推力 图8—2)，跨度大时这 个推力不小， 个推力不小，要对付这个推力将是一位麻烦而又耗费材料 的事。由于拱结构的这个缺点，故实际工程应用上， 的事。由于拱结构的这个缺点，故实际工程应用上，桁架 还是比拱用得更普遍。 还是比拱用得更普遍。
在大拱的下面布置了采光天窗．并形成由 两端向中间倾斜的屋面，减少了比赛场地上空 不ห้องสมุดไป่ตู้要的空间．有利于节省室内空调能耗。 用拱悬吊网架，使一个大跨度屋处分割为 二个跨度较小的网架．屋盖用钢量相应下降； 另外，拱的下部作为室内看台的支点，拱身中 空的箱形断面又作为管道并使用，各种电缆管 线和屋面排水管都从箱内通过。这样，一个钢 筋混凝土大拱发挥了多种结构功能和建筑使用 功能．并将其有机地综合在一起。这就是本工 程在结构总体方案设计上的一个特点。
二、钢筋混凝土大拱的设计
大拱是本馆设计与施工的重点和难点， 大拱是本馆设计与施工的重点和难点， 拱高51m，跨度 拱高 ，跨度88m。大拱的正立面呈 。 抛物线形，侧立面呈人字形。 抛物线形，侧立面呈人字形。 拱的上部为单肢， 拱的上部为单肢，拱脚在近地面处呈 二肢分开，肢距为18m。因此，本工程 二肢分开，肢距为 。因此， 的拱不同于一般的平面拱，而是一个空 的拱不同于一般的平面拱，而是一个空 间曲线的拱，如图8—19。 间曲线的拱，如图 。
本馆在结构上首次采用了空间曲线拱悬吊二 块平板网架的做法，形成了拱、吊杆、吊架与网 架组合受力的大跨度空间结构。其平面见图8— 17，剖面见闻8—16，侧立回见图8—18b。 高大的抛物线拱给人以一种庄重、稳定和蓬 勃向上感受。从侧面看，分叉的拱脚、高大的斜 墙面、刚劲有力。下部深色的玻璃幕墙烘托着上 部浅色的斜墙面，轮廓鲜明．整个建筑物既像一 只花篮，又像一只展翅的雄鹰，构建筑艺术创新 巧妙地和结构融为一体。
第三节 拱结构的形式与主要尺寸
拱的类型按力学结构分，有三铰拱、 拱的类型按力学结构分，有三铰拱、两铰 拱和无铰拱三种(图 拱和无铰拱三种 图8—5)。 。 三铰拱为静定结构， 三铰拱为静定结构，两铰拱和无铰拱为超 静定结构，工程上常采用两铰拱和无铰拱。 静定结构，工程上常采用两铰拱和无铰拱。 拱的型式从建筑外形分， 拱的型式从建筑外形分，有半圆拱和抛物 线拱。其实，拱的外形就是拱轴形式的反映。 线拱。其实，拱的外形就是拱轴形式的反映。 半圆拱，其拱轴形式就是半圆；抛物线拱、 半圆拱，其拱轴形式就是半圆；抛物线拱、 其拱轴形式就是抛物线。 其拱轴形式就是抛物线。
这一结构方案的优点是，它将大拱的施工 这一结构方案 用钢和结构用钢合在一起使用，从而节省 了工程的总用钢量；此外，将现场施工十 分难于控制的空间曲面放佯、支模、定位 等工作，转化为在工厂中进行的钢结构制 作和安装。到达工地后在钢管内灌混凝土， 达到强度后扩大拼装成三大吊装单元，最 后用塔式起重机等机械吊装合拢成拱。骨 架吊装如图8—22所示。
(2)利用侧面框架结构承受水平推力 利用侧面框架结构承受水平推力 利用 建筑设计上，建筑大厅的周围(特别是两侧 特别是两侧) 建筑设计上，建筑大厅的周围 特别是两侧 常需要有提供服务性的附属建筑如办公室等。 常需要有提供服务性的附属建筑如办公室等。 两侧服务性建筑一般常为框架结构， 两侧服务性建筑一般常为框架结构，若大厅屋 盖采用拱结构时， 盖采用拱结构时，拱的水平推力将可利用两侧 的框架来承受。这样， 的框架来承受。这样，既解决了拱的水平推力 问题， 问题，也使建筑功能与结构需要能有效地结合 起来，相得益彰(图8—4)。不过，应该注意的 起来，相得益彰 图 。不过， 是，倘若框架的顶部因推力发生过大的水平位 移或倾斜，就不能保证拱的正常受力状态。 移或倾斜，就不能保证拱的正常受力状态。所 要求拱结构两侧的框架必须具有足够的刚 以，要求拱结构两侧的框架必须具有足够的刚 度：
承受拱的水平推力， 承受拱的水平推力，可采取下面几种结构处 理方法： 理方法： (1)利用地基基础直接承受水平推力 利用地基基础直接承受水平推力 利用基础承受水平推力直接传递给地基的结 构手段，是最省事的简易办法。落地拱 构手段，是最省事的简易办法。落地拱就是这种 做法。为了更有效地抵抗水平推力， 做法。为了更有效地抵抗水平推力，基础底部常 做成斜面形状(图 做成斜面形状 图8—3)，而且要求地基的土质条 ， 件较好。落地拱的拱结构直接落地， 件较好。落地拱的拱结构直接落地，不需设置立 柱来支承拱，貌如帐蓬或蒙古包，型式别致。不 来支承拱，貌如帐蓬或蒙古包，型式别致。 因为拱脚直接落地， 过，因为拱脚直接落地，拱端部的建筑空间高度 较小， 较小，故建筑上采用于仓库或小型的体育健身房 一类建筑。 一类建筑。
拱轴形式的选择， 拱轴形式的选择，必须根据建筑的要求与结构 的合理相结合来考虑。从结构的角度来说， 的合理相结合来考虑。从结构的角度来说，合理的 拱轴，是应该使拱在荷载作用下处于无弯矩状态。 拱轴，是应该使拱在荷载作用下处于无弯矩状态。 由于结构承受的荷载是多种多样的， 由于结构承受的荷载是多种多样的，实际很难找出 一条绝对合理的拱轴来适应各种荷戴， 一条绝对合理的拱轴来适应各种荷戴，故只能根据 主要荷载来确定合理的拱轴。 主要荷载来确定合理的拱轴。使拱身能尽量减少弯 主要承受轴力，就是拱的合理轴线。 矩，主要承受轴力，就是拱的合理轴线。 按照这个原则，拱的合理轴线为二次抛切线。 按照这个原则，拱的合理轴线为二次抛切线。 房屋建筑中的拱结构就是采用这种拱轴。 房屋建筑中的拱结构就是采用这种拱轴。
二次抛切线拱轴方程： 二次抛切线拱轴方程：
f一拱高； l l一拱的跨度； x、y—拱轴线上任意点的坐标
从上式可看到，当矢高 从上式可看到，当矢高f=l/2时，拱轴形式为 时 半圆(图 半圆 图8—7)。半圆拱的水平椎力为零。称“无推 。半圆拱的水平椎力为零。 力拱” 拱而无推力、受力是经济合理的。不过， 力拱”。拱而无推力、受力是经济合理的。不过， 半圆拱的矢高为跨度的一半， 半圆拱的矢高为跨度的一半，大跨度时矢高显得非 常高耸，故较少用于建筑屋盖上。 常高耸，故较少用于建筑屋盖上。
第九章 薄 壳 结 构
第一节 壳结构的受力特点与优缺点
前面几章叙述的门式刚架、薄腹梁、桁架、拱结 构等部属杆件系统结构，均为平面受力的平面结构体 系。平面结构体系都是把结构构件本身作为独立的单 元来考虑，而忽视所组成构件之间的整体作用和空间 工作作用。在结构平面内的竖向荷载作用下，独立构 件的工作犹如单跨简支，单跨简支的构件可以用于较 大跨度之上，所利用的就是结构的力学原理和构件的 几何特征来使它能跨越较大的跨度。不过，出于它们 毕竟还是平面结构体系，能够跨越的跨度还不可能太 大，只有空间结构体系才能够很好地解决大跨度屋盖 ， 问题。而且， 问题。而且，只有空间体系的结构才能组成富有造型 特点的屋盖型式。 特点的屋盖型式。
建筑屋盖上大多采用的还是有推力的抛物 线拱、拱身可以做成实体或格构式。只有钢结 线拱、拱身可以做成实体或格构式。只有钢结 构拱才采用格构式； 构拱才采用格构式；钢筋混凝土拱都是采用实 体的，截面可为矩形或工字形， 体的，截面可为矩形或工字形，现浇钢筋混凝 土拱一般采用矩形截面以便于施工。 土拱一般采用矩形截面以便于施工。 在一般房屋建筑中的屋盖拱结构， 在一般房屋建筑中的屋盖拱结构，通常采 用带拉杆的钢筋混凝土拱， 用带拉杆的钢筋混凝土拱，拱可以直接搁置在 柱上或承重墙上，因此这种拱是两铰拉杆拱。 柱上或承重墙上，因此这种拱是两铰拉杆拱。 所示为两铰拉杆拱的实例。 图8—8所示为两铰拉杆拱的实例。 所示为两铰拉杆拱的实例
第五节 新型的结构组合形式
随着建筑功能的多方面发展． 随着建筑功能的多方面发展．单一的结 构形式， 构形式，传统的结构选型已不能满足要求， 的结构选型已不能满足要求， 已不能满足要求 因而产生了几种结构形式的组合。以下为这 生了几种结构形式的组合 些新型结构组合实例。 些新型结构组合实例。
一、概述
第二节 承受拱水平推力的结构处理手法
拱是有推力的结构，所以拱结构的支 拱是有推力的结构，所以拱结构的支 拱脚)应能可靠地承受水平推力 座(拱脚 应能可靠地承受水平推力，才能 拱脚 应能可靠地承受水平推力， 保证它能发挥拱结构的作用。 保证它能发挥拱结构的作用。 承受拱水平推力的处理， 承受拱水平推力的处理，固然是一桩 麻烦和耗费材料的事情， 麻烦和耗费材料的事情，不过如果结构处 理的手法采用得当， 理的手法采用得当，将可利用这一结构手 段与建筑功能和艺术形象融合起来。 段与建筑功能和艺术形象融合起来。
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三、钢筋混凝土大拱的施工方案
出于拱的外表面 出于拱的外表面是空间曲面，所以大拱施工时的模板 间曲面， 放样、 位和控制的难度大；拱的总重达 总重达3000t以上。 以上。 放样、定位和控制的难度大；拱的总重达 以上 如果用常规搭架的方法浇筑混凝土， 如果用常规搭架的方法浇筑混凝土，搭架材料的消耗和 其他费用很大；施工要求很高． 其他费用很大；施工要求很高．质量与安全问题也难于 保证。 保证。 因此，在结构设计阶段，就对施工方法、 因此，在结构设计阶段，就对施工方法、施工阶段 应力变形的控制与监测、安全等方面作了系统的研究， 应力变形的控制与监测、安全等方面作了系统的研究， 构思了一个“钢管混凝土半刚性骨架 钢管混凝土半刚性骨架”的无支架施工空间 构思了一个 钢管混凝土半刚性骨架 的无支架施工空间 大拱的方法。 大拱的方法。 这一方法的要点是：先制作一个钢管混凝土 这一方法的要点是：先制作一个钢管混凝土拱形骨 作为施工期间的承重支架． 架．作为施工期间的承重支架．大拱的模板就直接悬挂 在这个骨架上 大拱的混凝土浇筑完毕后， 在这个骨架上；大拱的混凝土浇筑完毕后，这个骨架就 久留在混凝土内，作为大拱的劲性配筋，如图8—20 永久留在混凝土内，作为大拱的劲性配筋，如图 图8—21所示。 所