拱结构简介
拱结构受力特点-概述说明以及解释
拱结构受力特点-概述说明以及解释1.引言1.1 概述拱结构是一种常见的受力结构，具有独特的受力特点和力学性能。
它以优美的曲线形态和高度的稳定性而闻名，广泛应用于桥梁、拱顶建筑、体育场馆等领域。
拱结构在受力时主要通过受压和受拉来平衡外力的作用，其中受拉的部分充当支撑的角色，而受压的部分则承担传递力的功能。
这种力的传递方式使得拱结构能够充分利用材料的受力性能，提高结构的承载能力和稳定性。
与其他受力结构相比，拱结构具有以下特点：首先，拱结构具有良好的均衡性。
在没有外力作用时，各个部分的受力状态良好平衡，整体结构呈现出稳定的状态。
这种均衡性使得拱结构能够承受较大的荷载，并具有良好的自重分配能力。
其次，拱结构具有较高的刚度和抗变形能力。
由于拱结构的曲线形态，使得它能够抵抗外部力的作用而保持形状稳定，不易发生明显的变形。
这种刚度和抗变形能力使得拱结构能够应对各种复杂的受力情况，确保结构的安全和稳定。
此外，拱结构还具有较好的力学性能。
在受力过程中，拱结构能够将外部荷载沿着曲线传递，产生较小的变形和内力集中。
这种力学特点使得拱结构能够实现力的合理分布，减小结构的应力集中，提高结构的承载能力和使用寿命。
综上所述，拱结构具有均衡性、刚度和抗变形能力较强以及良好的力学性能等特点。
对于工程建筑而言，了解拱结构的受力特点对于设计合理的结构、提高结构的稳定性和安全性具有重要意义。
同时，拱结构在实际应用中也有广泛的应用，如桥梁设计、建筑形态设计等领域。
对于研究和应用拱结构的工程师和设计师来说，深入理解拱结构的受力特点是非常重要的。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：文章结构是指文章在整体上的组织方式，包括章节划分、段落逻辑和篇章脉络等。
合理的文章结构能够使读者更好地理解文章的内容，使文章的论述更加清晰、有逻辑性。
本文的结构主要分为引言、正文和结论三个部分。
一、引言部分在引言部分，首先需要概述本文所要讨论的问题——拱结构受力特点。
关于拱结构分析
拱结构及案例分析一拱结构的分析拱结构式是建筑工程中常用的结构之一，是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线或折线构件。
拱结构由拱圈及其支座组成。
支座可做成能承受垂直力、水平推力以及弯矩的支墩；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，与同跨度的梁相比，弯矩和剪力较小，从而能节省材料、提高刚度、跨越较大空间。
拱的类型，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；按所含铰的数目分：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。
如下图为拱的分类图：拱结构的受力分析：如上图，当拱承受均布荷载时，主要靠的压力和推力支撑，由Th+chMx=可知，支撑弯矩靠力臂的改变，而力臂的增加靠形态的改变。
因此拱的外形一般是抛物线、圆弧线或折线，目的是使拱体各截面在外荷载、支撑反力和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的承载力。
当拱自身重力产生的弯矩Mx为0 时，此时称为合理拱轴线（也叫压力线），即截面产生的弯矩为0。
当选择拱轴线时，偏于合理拱轴线以上的为负弯矩，偏于合理拱轴线以下的为正弯矩，与合理拱轴线相交的点的弯矩为0 。
拱结构在设计中最重要的是水平推力的处理。
在实际工程中常用的有以下几种做法：由拉杆承受水平力——优点是结构自身平衡，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的基础的做法；由侧面结构物承受——要求此结构必须有足够的抗侧力刚度；由侧面水平构件承受——一般有设置在拱脚处的水平屋盖构件承受，水平推力先由此构件作为刚性水平方向的梁承受，在传递给两端的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的失稳现象；防止失稳的办法是在拱身两侧加足够的侧向支撑点。
二拱结构的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)的支架上，两端伸臂各长31ft(9.45m)的单元。
拱结构简介
3、剪力计算 QKVAcoφK sP1coφK sHsφK in (V AP1)cφ oKsHsφK in
Q K 0 V A 0 P 1 V A P 1 Q AQ K 0co φ K sHφ sKin （4-3）
4、轴力计算
一、钢结构拱 二、钢筋混凝土拱
4.4 拱式结构的选型与布置
一、结构支承方式 三绞拱、两绞拱、无绞拱。 二、拱的矢高 满足：建筑使用功能和建筑造型要求；使结构受
力合理；满足屋面排水构造要求。 一般f=（1/7-1/5）L;且f》1/10L;当f《1/4L时 ，可用圆弧形代替抛物线，以简化施工和便于 标准化制作。
3) 推力只与支座和载荷位置有关，与拱轴形状无关；
即只与 f/l 有关。
4) 当载荷和拱的跨度不变时，推力与拱高 f 成反比。 f 越大，H越小；反之， f 越小，H越大； 当 f 等于零，H趋于无穷大；此时三铰共线。 几何瞬变体系。 H MC0
f
5) 三铰拱受向内的推力，因此需给基础施加向外的推力。 6) 所以三铰拱的基础要比曲梁基础大，或加拉杆，以减小 7) 对 墙的推力。
1 l (P1a1
P2a2
)
HB
V
A
V B
V
0 A
V
0 B
（4-1）
X 0 : H A H B H
M C V A l1 P 1 ( l1 a 1 ) H 0 f
H1f[VAl1P1(l1a1)]
M C 0 V A l1 P 1 (1 la 1 )
qC
=
qC+γy。
x
d2y dx2
第三章轻钢结构拱结构
预应力在拱式屋盖中的应用 拉杆 调整支座位置
(2)普通桁架拱
普通桁架拱：普通桁架拱 由桁架片、横向联结系和 顶面结构组成（如左图）。
斜杆式 立面布置形式： 竖杆式
桁肋式
a、桁架拱片的节间间距一般小于跨度的1/8~1/12； b、桁架拱片实腹段长度一般为跨度的0.3~0.5倍；
主要尺寸
c、下弦杆常采用等截面，高(若为矩形截面)为跨度的1/80~1/100
拱轴线：和压力线相近 高拱 ：悬链线
低拱 ：平方抛物线、圆弧
2， 拱式结构的主要类型
一、根据分布荷载的位置，可分成： 上承式、下承式和中承式三种类型
一般上承式拱，拱跨结构是由主拱圈、拱上建筑等组成
二、根据结构体系分为： 简单体系拱：三铰拱 两铰拱 无铰拱
和组合体系拱：无推力拱 有推力拱
三，根据主拱圈截面形式分为：
1、板拱： 主拱圈采用矩形实体截面。构造 简单、施工方便，使用广泛。自 重较大，不经济，通常在地基较 好的中小跨径石材或混凝土结构 中采用。 2、肋拱：
肋拱结构由两条或两条以上分离 式拱肋组成承重结构，拱肋之间 靠横向联系梁连接成整体而共同 受力.这种结构横截面面积较小， 节省材料,自重轻,跨越能力大， 多用于较大跨径的钢结构。
a、各杆件应在节点交于一点，以免产生附加弯矩；
b、相邻杆件外缘交角混凝土应以园弧或直角过度；
节点构
造要点
5、刚架式拱
上部结构由刚架拱片、横向联结系和顶面系组成。主要承重结构刚架拱片 一般由跨中实腹段的主梁、空腹段的次梁、主拱腿（斜撑）、次拱腿构成。
6，拱铰
当拱结构的主拱圈按两铰拱或三铰拱设计，需设置永久性拱铰。当在施工过 程中为消除或减小主拱圈的部分附加内力时需设置临时的拱铰。拱顶铰的类 型主要有：弧形铰、铅垫铰、方块式铰，钢板式铰，螺栓式铰，平衡式铰等：
拱结构
截面较小、充分利用了 抗压性能好的材料。
水平推力的存在是个 麻烦且费材料的事
张拉成型拱架结构 是一种新型大跨空 间结构形式，引入 了张拉成型技术及 预应力技术，不仅 能解决高空作业问 题，而且使结构具 有水平推力小、节 约用钢量、挠度小 等优点，是一种非 常有实用价值的新 结构。
拱结构介绍
8 2 5 6 7 0 4 10 1 3 9
拱结构是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线或折线形构件。
按力学结构分：三铰拱、两铰拱、无铰拱
按外形分：半圆拱、抛物线拱
拱结构图片欣赏ຫໍສະໝຸດ 等， 面 低 拱 造 工 造 优而 过 桥 高 性 不 成 大 点且 渡 面 度 地 利 桥 跨 。还 平 和 大 采 。 高 度 具稳大大用为坡的 有，跨降了此陡桥 用车度低圆，、梁 料辆的。弧李过选 省行双这拱春不用 、人重样形和便半 施非目就式工。圆 工常的实，匠二形 方方，现使们是拱 便便桥了石创施，
简述拱结构的优点和缺点
简述拱结构的优点和缺点拱结构是一种经典的建筑结构形式，具有独特的优点和缺点。
下面将从多个方面进行阐述。
一、优点1. 强度高：拱结构的主要优点之一是其强度高。
拱形能够将重力加载均匀地传递到支撑点，从而使整个结构能够承受更大的力量。
这使得拱结构在大跨度建筑和桥梁中得到广泛应用。
2. 稳定性好：由于拱形结构的稳定性，它能够抵抗外部的压力和变形。
这使得拱结构在地震和风暴等自然灾害中表现出更好的抗力。
3. 美观性强：拱形结构具有独特的美学价值，给人以美轮美奂的感觉。
在建筑设计中，拱形结构常常被用来展示建筑的美感和气势。
4. 灵活性：拱结构的形状和尺寸可以根据具体需求进行调整。
无论是小型建筑还是大型桥梁，拱形结构都能够适应不同的设计要求。
5. 经济性：由于拱形结构具有自重分布的优势，可以减少结构材料的使用量，从而降低了建筑成本。
此外，拱形结构还能够提供更大的空间，从而提高了空间利用率。
二、缺点1. 难以施工：拱形结构的施工相对复杂，需要高度的技术要求和施工经验。
尤其是对于大型的拱形建筑和桥梁，施工过程需要严格控制，以确保结构的稳定性和安全性。
2. 空间限制：拱形结构的设计需要考虑空间的限制，尤其是在高度有限的情况下。
由于拱形结构的特殊形状，可能会限制建筑物内部的可用空间。
3. 难以适应变化：由于拱形结构的刚性和固定形状，当需要进行建筑物的扩展或改建时，可能会受到限制。
这需要在设计初期考虑到未来可能的需求。
4. 难以适应非均匀荷载：拱形结构对于均匀荷载的分布非常适应，但在面对非均匀荷载时可能会出现问题。
这需要在设计中充分考虑到不同荷载情况下的结构变形和应力分布。
5. 难以维修：由于拱形结构的特殊形状和复杂性，维修和保养工作可能较为困难。
特别是在高处或深处的部分，需要采取特殊的措施和设备来进行维修。
拱结构具有高强度、良好的稳定性和美观性等优点，但也存在施工难度大、空间限制和难以适应变化等缺点。
在实际应用中，需要根据具体情况进行综合考虑，以确保拱结构的稳定性和可靠性。
结构力学之拱结构
B
=0
A
H 6m FVA 6m
B
H FVB
FVA × 12 2 × 6 × 9 8 × 3 = 0 FVA = 11kN
∑M
A
=0
A
C
B
FVB × 12 2 × 6 × 3 8 × 9 = 0 FVA = 9kN
M C = 11× 6 2 × 6 × 3 = 30
FHA = FHB
MC = = 7.5kN f
FQ 2 = FQ02 cos 2 H sin 2 = (11 2 × 3)× 0.832 7.5 × 0.555 ≈ 0.003kN
FN 2 = FQ02 sin 2 H cos 2 = (11 2 × 3)× 0.555 7.5 × 0.832 = 9.015kN
11
(3)绘制内力图
0 Q 0 = YA P K 1
Qk = Qk0 cos H sin
0 8 N K = QK sin H cos
三铰拱的受力特点 三铰拱的受力特点 由于推力的存在,拱的弯矩比相应简支梁的弯矩要小. 由于推力的存在,拱的弯矩比相应简支梁的弯矩要小. 三铰拱在竖向荷载作用下轴向受压. 三铰拱在竖向荷载作用下轴向受压. 三铰拱的内力不但与荷载及三个铰的位置有关, 三铰拱的内力不但与荷载及三个铰的位置有关,而且与 拱轴线的形状有关. 拱轴线的形状有关.
M ( x) =
q x(l x ) 2
拱的推力为:
拱的合理轴线方程为:
MC ql 2 H= = f 8f q 8f 4f y( x ) = x( l x ) × 2 = 2 x( l x ) 2 ql l
15
�
0
y
13.300 10.958 9.015 7.749 7.500 7.433 6.796 11.235 11.665 11.700 1.421 3.325 3.331 1.060 0.600 0.472 1.000 0.003 0.354
拱结构简介
所以它们对获取大跨度及形成大空间是最适宜的体 制。
二、拱结构体系简介
1、拱的定义
2、拱的几何形态
3、拱体系抵抗水平推力的典型方式
4、拱的矢高对于铰点应力的影响
5、拱轴线偏离索曲线所引起的弯曲
二、拱结构体系简介
1、拱的定义 拱：主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲 线或折线形构件。
典型的结构特征：推力线（压力线）、垂曲线（悬链线）、
圆形。
一、形态作用结构体系简介
形态作用结构体系的特点：
1、仅通过简单的法向应力（压力或拉力）来改变力 缺点： 的方向。 可挠悬索的轻量性，以及拱为了抵抗额外荷载 变化而加劲所带来的拱的厚重性，皆为形态作用 2、索压力线与索拉力线。 结构体系在建筑上的缺点。但通过预加应力于体 任何荷载或支承状况的变更，均含改变索曲线的形态， 形态作用压力体系的“自然”应力线是索压力线，而
北京理工大学体育馆，为 2008 年奥运会排球预赛馆， 屋面结构体系采用双道圆弧形钢拱吊挂桁架结构体系，减 少了屋盖的跨度，节约了钢材。
四、结论
1、拱是一种独特的结构型式，它可以清晰地表现出力流 和美学的外观。中国人用“长虹卧波”来形容拱桥的优 美。拱是结构也是建筑。
2、工程师和建筑师们不只是要研究拱的形式，还要将拱
三、拱结构体系的应用实例
其中第1跨采用空间三角形管桁架,第2 ～4跨采用空间 三角形布置拉索。拱上弦为不对称曲线,采用变截面矩形箱 梁。下弦索采用向上弯曲的曲线,用以抵抗竖向荷载在曲梁 拱作用下产生的水平推力。
三、拱结构体系的应用实例
布兰德的飞机库
布兰德的飞机库采用拱膜结构，造型为一个巨大的水平 放置的半圆柱体，两端各有半个穹顶。选用的膜为聚氯乙 烯涂层聚酯织物支撑。结构中相邻的拱由支撑元件和连接 筋相连接，并提供预估的横向刚度，以防止拱与平面成一 定角度的偏移。
拱结构
清华大学综合体育中心是一座集体育比赛、 办公、会议、教学练习、电视转播等于一体 的综合性多功能建筑。本工程地上三层（二 层以上建筑平面为椭圆形），檐高15m，屋 顶拱高29m。首层建筑面积8584 m2 ，总建 筑面积12547.85m2。中心部分为比赛场地。 观众厅可容纳5000观众，看台有固定座位 2645个，工程于2001年竣工。
拱
结
构
演讲人：xxx 学 号：xxxxxxxxxx
概
•
念
பைடு நூலகம்
拱结构是一种主要承受轴向压 力并由两端推力维持平衡的曲线或 折线形构件。 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 及弯矩的支墩；也可用墙、柱或基 础承受垂直力而用拉杆承受水平推 力
结拱构的特点
一. 拱结构的外形一般是抛物线， 圆弧线或折线他们使得拱结构构件 在外荷载，支承竖向反力和水平推 力作用下基本上处于受压或较小偏 心受压状态，从而充分发挥材料抗 压强度。大大提高了拱结构的强度。
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体育中心内部
•
建筑的主要特点
• 由比赛场地和观众厅组成的高大室内空间； 配套和设备用房功能各异，平面布局复杂； 建筑体型和里面强调体育的鲜明个性；两 个完全外露的大跨度拱，充分体现体育建 筑的力量和有弹性且富于动感的优美造型。
主体结构的特点
一.采用全现浇钢筋混凝土结构 二.采用箱形截面现浇钢筋混凝土拱 三.五泥浆护壁的全套钢管冲抓成孔 灌注桩
二. 拱结构的控制尺寸包括跨度.失 高和截面尺寸。适用的跨度空间很 大；失高与建筑外形.使用要求.屋 面结构处理以及结构内力计算有关； 截面形状和尺寸与建筑材料.荷载. 结构跨度有关。
拱结构的支承方式
a.拉杆拱 b.落地拱 .
结构力学中的拱名词解释
结构力学中的拱名词解释在结构力学领域中，拱是一种重要的结构形式，它以其稳定性和承重能力而被广泛应用于桥梁、建筑和其他工程项目中。
拱的特点是能够将外部荷载通过自身的变形和内部应力分配到支承点上，从而实现稳定的结构。
本文将解释拱的相关名词，以帮助读者更好地理解这一结构形式。
1. 拱拱是一种建筑结构，由曲线、曲面或曲线曲面组成。
它的特点是在自重和外部荷载的作用下，通过抗弯和抗剪作用来分散荷载，并将其沿整个结构传递到支承点上。
2. 支承点支承点是拱的固定点，也是承受荷载的点。
在拱中，通常有两个支承点，它们分别位于拱的两端。
支承点的固定性决定了拱的整体稳定性。
3. 上矢量上矢量是指拱顶上沿支承点连接的两个力的合力。
上矢量的方向垂直于拱轴线，并指向拱的内部。
它的作用是承接来自拱顶的载荷，并将其传递到支承点上。
4. 下矢量下矢量是指拱脚处支承点连接的两个力的合力。
下矢量的方向也垂直于拱轴线，但指向拱的外部。
它的作用是承接来自支承点的反力，并将其传递到拱腹上。
5. 拱腹拱腹是指拱的内部曲线或曲面，即拱顶与拱脚之间的区域。
拱腹在受力时会发生弯曲和剪切变形，通过这些变形，拱能够分散和传递荷载。
6. 拱顶拱顶是指拱的最高点，也是承受最大荷载的位置。
由于外部荷载的作用，拱顶会产生压力，这种压力被拱腹吸收并分散到支承点上。
7. 拱脚拱脚是指拱的两个支承点，也是拱的最低点。
由于支承点的固定性，拱脚会受到来自拱顶和外部荷载的反力。
8. 拱轴线拱轴线是指连接拱的顶点和脚点的线。
拱轴线决定了拱的整体形状和位置，同时也决定了拱受力的方式。
9. 变形拱在受力时会发生变形，包括弯曲、拉伸和压缩等。
变形是拱适应外界荷载的一种方式，通过变形，拱能够平衡内外荷载的不平衡。
10. 应力拱在受力时会产生内部应力，应力是指单位面积上的力的大小。
应力可以是拉应力、压应力或剪应力，这些应力分布在拱的各个部位上，以承受来自外界荷载的作用。
通过对拱中相关名词的解释，我们可以更好地理解拱的特点和受力原理。
第七章 拱结构
3）利用拉杆承受水平侧力
• 拉杆供：在拱脚处设置钢杆，利用钢杆 受拉从而抵抗拱的推力。
• 在拱结构的范围内直接解决推力问题， 而不致将推力传给支承拱的结构构件上。 故普遍用于屋盖结构上。
• 拉杆的设计要求 1）推力较大时用型刚劲性拉杆；推力
1）利用地基基础直接承受水平推力。
• 落地拱结构的优缺点？ 优点：外型别致。 缺点：建筑空间高度较小。
• 如何使落地拱更有效地抵抗水平推力 1）基础底面做成斜面形状 2）要求地基的土质条件较好 3）落地拱的拱结构直接落地
• 落地拱的适用范围是什么？ 仓库和小型体育健身房
2）利用侧面框架结构承受水平推力
2）按外型分，有半圆拱和抛物线拱。
*什么是合理的拱轴，如何确定？
• 使拱在荷载作用下处于无弯矩状态拱 轴。
• 应使拱尽量减少弯矩、主要承受轴力、 根据主要荷载来确定合理的拱轴。
*拱高与拱脚推力的关系如何？
• 拱高大时，推力就小；拱高小时，推力就大。
拱高的取值范围
无推力拱：
• 即半圆拱，其拱脚推力（水平推力）为0。 • 受力经济合理，但半圆拱的矢高为跨度的一
第四节 拱建筑的建筑实例
一 北京崇文门菜市场-两铰拱结构 • 大厅周围为小营业厅，仓库及其它用房，
采用框架结构。 • 拱的水平推力和垂直压力由两侧的框架
承受。 • 拱为装配整体式钢筋混凝土结构。
湖南湘澧盐矿散装盐库
• 方案1：钢筋混凝土排架结构；方案2：拱结 构
• 方案1：3/5的建筑空间不能充分利用， 而且盐通过皮带卸入仓库时，经常冲击 磨损屋架和支撑，对钢支撑和屋架有不 利影响。
拱结构分类
拱结构分类
拱结构可以根据其形状、材料和用途进行分类。
1. 形状分类：
- 圆拱：拱顶为完美的半圆形。
- 通心圆拱：拱顶为圆形，但没有完全封闭的圆形。
- 半圆拱：拱顶为半个圆形，通常是最常见的形状。
- 椭圆拱：拱顶为椭圆形，与半圆拱类似，但具有更宽的跨度。
- 三心拱：拱顶由三个半圆形组成，主要用于大跨度的建筑。
- 马蹄形拱：拱顶为马蹄形，通常用于大跨度的建筑。
- 子午线拱：拱顶为子午线形状，适用于几乎恒定的弦长。
2. 材料分类：
- 砖拱：由砖块构成的拱形结构。
- 石拱：由石块构成的拱形结构。
- 混凝土拱：由混凝土构成的拱形结构。
- 钢拱：由钢材构成的拱形结构。
- 木拱：由木材构成的拱形结构。
3. 用途分类：
- 地下室拱：用于地下室或隧道结构。
- 桥梁拱：用于桥梁结构。
- 屋顶拱：用于建筑物的屋顶结构。
- 穹顶拱：用于穹顶结构，如教堂或宫殿。
拱结构--课间
一、拱结构特征、发展和适用范围 拱结构特征、
（1） 拱结构的特点 ① 拱是一种推力结构：在竖向荷载下产生水平推力； ② 拱是一种无矩结构：通过合理拱轴可使杆件无弯Байду номын сангаас； ③ 拱可充分利用材料抗压强度，断面小、跨度大。
二：拱的发展
从梁到三角拱 从筒拱到交叉拱 从交叉拱到拱肋结构 从穹隆到帆拱 拱是古代大跨度建筑的主要形式。由于拱呈曲面形状， 在外力作用下，拱内的弯矩值可以降低到最小限度，主要 内力变为轴线压力，且应力分布均匀，能充分利用材料的 强度，比同样跨度的梁结构断面小，故拱能跨越较大的空 间。 但是拱结构在承受荷载后将产生横向推力，为了保持结 构的稳定性，必须设置宽厚坚固的拱脚支座抵抗横推力。 常见的方式是在拱的两侧作两道厚墙来支撑拱，墙厚随拱 跨增大而增厚。很明显，这会使建筑的平面空间组合受到 约束。
拱结构建筑
拱结构建筑
拱结构建筑
拱结构建筑
水晶宫内景
拱结构建筑
赵州桥
布赖顿的英 国皇家别墅
谢谢大家
梁
———— 三角拱 ——— 筒拱 ———— 交叉拱
筒拱 ———— 交叉拱
拱建筑中的应用
拱的形式
• • • 筒形拱 十字拱 • • 法国克勒芒 -费杭圣母 教堂剖面图
• •
哥特式教 堂剖面图
十字尖拱
拱的分类
•
拱的内力主要是轴向 压力，结构材料应选用 抗压性能好的材料 1 按受力 ① 三铰拱 ② 两铰拱 ③ 无铰拱 2 按外形 ① 双折线型 ② 圆弧线型 ③ 抛物线型
拱结构的尺寸
1）跨度：公建主体30～40米，可达到95～200米， 经济跨度80～100米 2）矢高：与建筑外形、使用要求、屋面构造、内力计 ： 算有关 屋盖结构 f=(1/10～1/5)L 公建主体 f=(1/5～1/2)L
拱结构
• 由于半圆拱的矢高是跨度的一半，因此该形式的拱其水平
推力为零，称为“无推力拱”。 • 从受力情况看，半圆拱具有明显的经济合理性，但由于矢 高比较大，限制了这种拱形式的应用，一般很少用于建筑 屋盖上。
• 以上是拱式结构比梁式结构受力合理的地方，同时拱式
结构中以轴力为主，可以使用廉价的材料，并可充分发挥 这类材料的抗压承载力，得到广泛应用。 • 当拱脚地基反力不能有效地抵抗水平推力时，拱便成为曲 梁。
拱的合理轴线 • 拱式结构受力最理想的情况是使拱身内弯矩为零，仅承受 轴力。
• 理想的拱曲线，将不产生弯矩，拱只受压力的作用。
• 但是，拱结构的一个显著特点是产生水平力，而且与跨度
有关系，跨度越大，其水平力越大。
• 因此，一般拱结构的难点都在于水平推力的处理。
• （二）、拱身截面的内力
1、拱身内的弯矩小于跨度相同荷
载作用下简支梁内的弯矩； 2、拱身截面内的剪力小于相同跨 度相同荷载作用下简支梁内的剪 力； 3、拱身截面内存在有较大的轴力， 而简支梁中是没有轴力的。
拱结构
拱结构的概念
什么是拱结构？ 一般指杆的轴线为曲线形状，并且在竖向荷载作用下会产生水 平支座反力的结构。 特点？
拱结构比桁架结构具有更大的力学优点。在外荷作用下，拱主 要产生压力，使构件摆脱了弯曲变形。如用抗压性能较好的材 料（如砖石或钢筋混凝土）去做拱，正好发挥材料的性能。不 过拱结构支座（拱脚）会产生水平推力，跨度大时这个推力也 大，要对付这个推力仍是一桩麻烦而又耗费材料之事。由于拱 结构的这个缺点，在实际工程应用上，桁架还是比拱用得普遍。
拱式结构体系
拱式结构体系在本小节中我们要给大家介绍拱式结构体系的组成、优缺点及适用范围；拱式结构体系的合理布置原则及及受力特点。
在房屋建筑和桥梁工程中，拱是一种十分古老而现代仍在大量应用的结构型式。
它是以受轴向压力为主的结构，这对于混凝土、砖、石等材料是十分适宜的，特别是在没有钢材的年代，它可充分利用这些材料抗压强度高的特点，避免它们抗拉强度低的缺点。
而且能获得较好的经济和建筑效果。
因而很早以前，拱就得到了十分广泛的应用。
在我国，很早就成功地采用了拱式结构。
公元605～616年隋代人在河北赵县建造的单孔石拱桥一安济桥（又称赵州桥），横越交河，跨度37.37m。
它距今近1400年，虽经多次地震，而巍峨挺立，是驰名中外的工程技术与建筑艺术完美结合的杰作。
在古代的西方，建造了许多体型庞大、气魄雄伟的拱式建筑。
在建筑规模、空间组合、建筑技术与建筑艺术等方面都取得了辉煌的成就，并对欧洲与世界建筑产生巨大的影响。
古罗马最著名的穹顶（半圆拱）结构，当推公元前27～14年建造，后因焚毁并于公元120～123年重建的罗马万神庙（图1-29）,其中央内殿为直径43.5m的半圆球形穹顶，穹顶净高距地面也是43.5m。
它是古罗马穹顶技术的最高代表作，也是世界建筑史上最早、最大的大跨结构。
图1-29罗马，万神庙a一剖面图；b一平面图；c一穹顶（半圆拱）结构近、现代的拱式结构应用范围很广，而且型式多种多样。
例如著名的澳大利亚悉尼歌剧院（图1-30，始建于1957年）是大家熟知的建筑，处于深入海中的半岛上。
建筑形象的基本元素一一拱壳，不但是主要的结构构件，而且是一个符号，一种象征，一个母题，它既象“白帆”、“浪花”，又象盛开的巨莲，使人产生丰富的联想。
图1-30 澳大利亚悉尼歌剧院一、拱结构的类型及其受力特点拱的类型很多，按结构组成和支承方式，拱可分为三铰拱、两铰拱、和无铰拱三种，如图1-31。
图1-31 拱结构计算简图a)三铰拱b）两铰拱c）无铰拱三铰拱为静定结构，两铰拱和无铰拱为超静定结构。
结构力学(拱结构)
三铰拱的内力计算
表4-1：三铰拱各截面内力计算表
内力计算时，常通过 公式、列表完成
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合理拱轴
五、 合理拱轴的概念
1、合理拱轴的概念
定义：在给定荷载作用下，拱各截面只承受轴力， 而弯矩、剪力均为零，这样的拱轴称为合理拱轴。
?
2、合理拱轴的确定
写出任一截面的弯矩表达式，令其等于零即可确 定合理拱轴。
VA0
0 2x、 荷 载 与 跨 度 一 定 M C VAl1 P1 (l 1 a 1 ) V 0 时，水平推力与矢高 MC （4-2） 等代梁计算简图 H 成反比。 f
0 B
作为结构。
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三铰拱的内力计算
a1
a2 b1 P1 b2 P2 f
2、弯矩计算
M K [VA x K P1 (x K a1 )] H y K
q= 1kN/m
y
4f (l x)x 2 l
P=4kN 3 4 5 C 4m
x
2
6
1
H =6kN A 0
7
B H =6kN
8
VA =7kN
8×2=16m VB =5kN
解： 1、计算支座反力
0 VA VA
1 8 12 4 4 7kN 16 1 8 4 4 12 0 VB VB 5kN 16
拱结构的组成
2、拱结构的组成
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拱结构的种类
3、拱结构的种类 静定拱
超静定拱
三铰拱
两铰拱 超静定拱
静定拱
无铰拱
高差h
静定拱
带拉杆的三铰拱
斜拱
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拱结构的特点
4、拱结构的特点
1、弯矩比相应等代梁小；
第四章 拱式结构
第四章 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
第一节 拱的受力特点 第二节 拱脚水平推力的平衡 第三节 拱式结构的型式 第四节 拱式结构的选型与布置 第五节 拱式结构的工程实例
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拱的受力特点
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。
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拱结构的工程实例
世界上跨度第二的拱桥：新河峡谷拱桥NEW RIVER GORGE BRIDGE
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拱结构的工程实例
世界上跨度第二的拱桥：新河峡谷拱桥NEW RIVER GORGE BRIDGE
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拱结构的工程实例
悉尼歌剧院
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拱结构的工程实例
悉尼歌剧院
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拱结构的工程实例
世界上跨度最大的钢结构拱桥：上海卢浦大桥
工程概况：2003年6月建成通车。跨度550m，世界第一拱桥。全 长3900米，主桥长750米，主桥面宽28.7米，桥下净高46米 。
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拱结构的工程实例
世界上跨度第二的拱桥：新河峡谷拱桥NEW RIVER GORGE BRIDGE
工程概况：1977年10月建成通车。主跨518m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
水平推力直接由拉杆承担
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
拱脚水平推力由拉杆承担
拱结构体系
未来济南东站站房将呈现环抱的建筑形态，为双面状钢结构拱顶的独特建筑风格。 站房的屋盖结构完成后，将会以408米长度以及180米的跨度,成为中国跨度最大的 大拱结构建筑物之一。
拱结构的建筑案例
1.济南新东站
与其他城市的高铁站不同，新东站设计最大的亮点是车站和城市的完美融合。 新东站采取了站城一体化的设计理念，要达到一出火车站就是市中心的效果 。
济南东客站地区规划很好地践行了“新城市主义”低碳城市与可持续发展的理念， 构建了以白泉—华山绿廊为骨架的景观格局和慢行系统，塑造了具有传统风貌特色 的站前核心区，突出了密集的街道网络、高质量的公共交通服务、功能混合的邻里 社区，实现了土地与交通的协调发展，对未来的济南乃至中国的其他城市都具有很 好的指导意义。
拱结构的建筑案例
3. 透平机工厂-三铰拱建筑
屋顶上开有玻璃天窗，车间有良好的采光和通风。
外观体现工厂车间的性格。在街道转角处的车间
端头，贝伦斯作了特别的处理，厂房角部加上砖 石砌筑的角墩，墙体稍向后仰，并有“链墩式” 的凹槽，显示敦厚稳固的形象，上部是弓形山墙，
中间是大玻璃窗，这些处理给这个车间建筑加上
拱结构定义及分类
3.拱结构的分类
<1>按组成和志承方式：无铰拱、两铰拱和三铰拱，无拉杆拱和有拉杆拱
无铰拱
两铰拱
三铰拱
超静定结构 只有在地基良好或者两侧拱脚出 有稳固边跨结构时，才采用。 桥梁结构中比较普遍而在房屋工 程中应用较少
超静定结构 在跨度较小时结构自重不大，可以整体 预制；跨度较大时，可以采用分段预制、 现场拼装的方法施工。对支座沉降差、 温度差等不利的变化因素比较敏感。房 屋建筑工程中应用较多
拱结构的建筑案例
2.济南洪家楼教堂
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承载机制的结构。
形态作用结构体系与其“自然”力流是统一的，
所以它们对获取大跨度及形成大空间是最适宜的体 制。
二、拱结构体系简介
1、拱的定义
2、拱的几何形态
3、拱体系抵抗水平推力的典型方式
4、拱的矢高对于铰点应力的影响
5、拱轴线偏离索曲线所引起的弯曲
二、拱结构体系简介
1、拱的定义 拱：主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲 线或折线形构件。
三、拱结构体系的应用实例
（3）拱与弯剪体系的组合应用 香港大球场
香港大球场的屋盖结构为悬臂与拱的组合应用。香
港大球场用拱将悬臂托起，拱成为张拉膜雨篷一侧的支 撑点，显著改善了雨篷的受力状况，其起伏流畅的轮廓 线和洁白亮丽的薄膜屋盖构成一道靓丽的城市风景线， 引人注目。
三、拱结构体系的应用实例
北京理工大学体育馆
三、拱结构体系的应用实例
北海机场新航站楼
北海机场新航站楼是一轻型大跨轻钢屋盖结构， 坐落在 广西壮族自治区北海市。屋盖结构为主、 次钢拱体系 （截 面形式为工字形） ， 主拱截面高和翼缘宽度沿长度均匀变 化。
三、拱结构体系的应用实例
从平面上看， 主拱结构由五个边长为 69m的等边三角 形组成一梯形， 梯形平面长度为 207m， 宽度为 59.7m。 每个三角形由三个半径为 36.944m的圆形60°角相交而形 成的拱形伞状体。 平面图 立面图
由此可见，拱的水平推力与拱矢高成反比，为 减小推力，应可能提高拱矢高。
二、拱结构体系简介
5、拱轴线偏离索曲线所引起的弯曲 拱轴线与索压力线的任何偏移，均会造成拱的隆 起或下垂而导致弯曲。
（1）垂直或水平外荷载所引起的弯曲
二、拱结构体系简介
（2）热变化和基础沉降所引起的弯曲
三、拱结构体系的应用实例
北京理工大学体育馆，为 2008 年奥运会排球预赛馆， 屋面结构体系采用双道圆弧形钢拱吊挂桁架结构体系，减 少了屋盖的跨度，节约了钢材。
四、结论
1、拱是一种独特的结构型式，它可以清晰地表现出力流 和美学的外观。中国人用“长虹卧波”来形容拱桥的优 美。拱是结构也是建筑。
2、工程师和建筑师们不只是要研究拱的形式，还要将拱
重的弯曲的排列组合 拱与壳结构 拱与悬索结构 拱与膜结构 解决悬臂问题
拱与推力体系的 组合应用
拱结构 的应用
拱与张拉体系的 组合应用
拱与弯剪体系的 组合应用
减小梁的跨度
三、拱结构体系的应用实例
（1）拱与推力体系的组合应用 黑龙江速滑馆
单独的拱结构自身构不成建筑空间，但拱构件通过各种组 黑龙江速滑馆屋盖结构即为拱的等间距并列组合应用于 合手法的运用，却可以创造出形式迥异的结构形态，为建筑 拱壳混合结构。屋面结构为双网壳钢结构。其屋盖承重骨架 设计提供丰富多彩的创作手段。 为一组并列的钢格构拱。在屋盖的下部通过钢环梁作为屋面 的底座，约束壳体以及钢格构拱，同承台表面对称设置的14 对预应力拉杆共同作用抵抗壳与拱的侧推力。
二、拱结构体系简介
二、拱结构体系简介
3、拱体系抵抗水平推力的典型方式
方法 基座拱 连续拱 扶壁拱 拉杆拱
二、拱结构体系简介
4、拱的矢高对于铰点应力的影响
二、拱结构体系简介
4、拱的矢高对于铰点应力的影响
二、拱结构体系简介
4、拱的矢高对于铰点应力的影响
二、拱结构体系简介
4、拱的矢高对于铰点应力的影响
形态作用结构
——拱结构的简单介绍及其应用实例
课程名称：结构体系分析
演 讲 人：
指导老师： 日 期： 2011年5月18日
目录
一、形态作用结构体系简介
二、拱结构体系简介
三、拱结构体系的应用实例
四、结语 五、参考文献
一、形态作用结构体系简介
形态作用结构体系：是可挠曲、非刚性物质的结构体系，其 力的改向是通过特殊的形态设计与特有的形态稳定来实现。 力量：它的基本组件只受到单一的法向应力，即压力或拉力， 属单一应力条件的体系。
二、拱结构体系简介
悬索的索形，是一悬链线。
拱在其自重作用下所成的索形，是一反向的悬链线。
二、拱结构体系简介
2、拱的几何形态——视荷载情况而定 根据不同的荷载分布形式，选择不同线形的拱， 对于合理的承受及传递荷载有着重要的作用。
悬链线 抛物线 椭圆形 几何形态 三角形 梯形 多角形 中央集中荷载 两集中荷载 对称集中荷载 静载（自重） 水平连续荷载 两端渐增连续荷载
1、拱结构的主要应用方式
在当代建筑中，拱结构的主要应用方式为：
（1） 作为建筑屋盖的主要支承结构，独立应用 或者与其他结构组成组合结构，共同承受荷载。 （2 ）拱在与网壳、悬索、张拉膜等空间结构组 合应用时，还可作为边缘构件，与其他结构一同，
通过重叠或连接的方式共同作用，维持建筑形态。
三、拱结构体系的应用实例
三、拱结构体系的应用实例
其中第1跨采用空间三角形管桁架,第2 ～4跨采用空间 三角形布置拉索。拱上弦为不对称曲线,采用变截面矩形箱 梁。下弦索采用向上弯曲的曲线,用以抵抗竖向荷载在曲梁 拱作用下产生的水平推力。
三、拱结构体系的应用实例
布兰德的飞机库
布兰德的飞机库采用拱膜结构，造型为一个巨大的水平 放置的半圆柱体，两端各有半个穹顶。选用的膜为聚氯乙 烯涂层聚酯织物支撑。结构中相邻的拱由支撑元件和连接 筋相连接，并提供预估的横向刚度，以防止拱与平面成一 定角度的偏移。
系上，则能大大地消除这些缺点。 并形成新的结构形态。面临新的荷载情况时，“下垂” 形态作用拉力体系的“自然”应力线是索拉力线。
体系的承重索靠其本身承担新的拉力线，而“隆起”体
系的拱却必须以刚度（弯曲机制）来补偿所改变的压力 线。
一、形态作用结构体系简介
形态作用结构体系取决于荷载的形态，所以严格 地受“自然”力流的规则所控制，因而不能成为任 意的自由造型的对象，其建筑形态及空间形态就是
同其他型式相结合以满足建筑功能和环境的需要。 3、拱结构在大跨建筑的应用中，仍然存在着一定的局限
性，尤其是水平力。
4、 拱的结构表现为大跨建筑设计提供了无限的可能性。
五、参考文献
1、 [德]海诺·恩格尔.结构体系与建筑造型.天津:天津大
学出版社,2002. 2、梅季魁，刘德明，姚亚雄.大跨建筑结构构思与结构选型. 北京:中国建筑工业出版社.2002:8. 3、刘德明，张智远.大跨建筑中拱结构应用及表现.上海:同 济大学硕士论文,2009. 4、林同炎.拱是结构也是建筑.土木工程学报，第30卷第8期， 1997. 5、张毅刚.建筑结构的类型及其应用.施工技术，2010. 6、林培元等.上海市黄浦江卢浦大桥设计.预应力技术， 2007.
典型的结构特征：推力线（压力线）、垂曲线（悬链线）、
圆形。
一、形态作用结构体系简介
形态作用结构体系的特点：
1、仅通过简单的法向应力（压力或拉力）来改变力 缺点： 的方向。 可挠悬索的轻量性，以及拱为了抵抗额外荷载 变化而加劲所带来的拱的厚重性，皆为形态作用 2、索压力线与索拉力线。 结构体系在建筑上的缺点。但通过预加应力于体 任何荷载或支承状况的变更，均含改变索曲线的形态， 形态作用压力体系的“自然”应力线是索压力线，而
三、拱结构体系的应用实例
（2）拱与张拉体系的组合应用 上海卢浦大桥
上海卢浦大桥是当今世界第一钢结构拱桥，是目前世界上
跨度最大的拱形桥。大桥主桥为全钢结构，采用一跨过江。 卢浦大桥为拱梁组合体系中承式系杆拱桥，是一座斜拉桥、 悬索桥和拱桥组合结构。
三、拱结构体系的应用实例
卢浦大桥跨径组合为：100+550+100=750m，双向六车道。 卢浦大桥为空间提篮拱，拱肋、立柱、吊杆在同一倾斜平面
内，斜率5:1；中拱矢跨比f/L=1：5.5，悬链线拱轴线。
拱桥的受力特点是要产生推力，而上海的软土地基抵抗 水平力的能力很差，所以沿加劲梁布置了16根强大的水平拉 索以平衡中跨拱产生的巨大的水平推力。
三、拱结构体系的应用实例
郑州新郑国际机场航站楼(改扩建)
郑州新郑国际机场航站楼(改扩建)， 其楼屋面钢结构 主体为曲线箱梁与空间拉索组合索-拱结构。该工程扩建部 分钢屋盖由28榀索-拱组成。
2、拱的设计原则 首先，拱结构作为形态作用结构，在拱脚出现水平应力。 在应用拱结构时，如何平衡其产生的水平推力是设计中的 主要问题。 其次，在理想的状态下，拱的结构形态应精确地与应力 流相吻合。当荷载的分布发生变化时，拱结构则需要以刚 度（弯曲机制）来补偿所改变的压力线。 此外，拱为了抵抗额外荷载变化而加劲所带来的拱的厚 重性为其应用于建筑上的缺点，针对此问题可以通过预加 应力至某种程度，使它能改变对称荷载方向而不会产生严