第四章 拱结构

• 二、钢筋混凝土拱 • 钢筋混凝土拱一般采用实腹式，拱身截面一般为矩形或工字形，如图
4.3.4所示。也可做成折板拱、波形拱，或网状筒拱，成为梁板合一 的结构，以进一步节省材料，又可达到较好的室内视觉效果。 • 图a)为湖南省游泳馆，跨度为47．6m，采用装配式折板拱；图b)为无 锡体育馆，跨度为60m，采用钢丝网水泥双曲拱；也有采用装配整体 式钢筋混凝土网状筒拱结构。
• 彩板拱形屋顶
• 拱形金属波纹板材局部
• 秦始皇兵马俑，西安
• 拱形网架
固原体育馆由美国国际设计公司设计，屋盖采用相贯连的空间钢管桁架结构， 由中央呈拱形三维曲面的聚酯膜采光通廊和两边平面呈月牙的弧线落地挑蓬屋 面组成，挑檐屋面一部分为带铝板装饰层的钢板屋面，最边缘部分为聚酯膜装 饰挑檐，正面两侧屋面呈上仰趋势，上仰的角度为13.55度，侧面整个屋盖呈 一个平坦落地拱形曲面。
• 它是以受轴向压力为主的结构，这对于混凝土、砖、石等脆性材料是 十分适宜的，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。因而很早以前，拱就得到了十分广泛的应用。
• 拱式结构最初大量应用于桥梁结构，在混凝土材料出现后，逐渐广泛 应用于大跨度房屋建筑中。我国古代拱式结构的杰出例子是河北省赵 县的赵州桥，跨度为37m，建于1300多年前，为石拱桥结构，经受历 次地震考验，至今仍保存完好。在房屋建筑中也有许多成功的实例。
轴向受压
要想理解拱结构的奥妙，需对拱开展深刻理性探究
拱结构
似梁非 梁，似 柱非柱
曲线杆件
梁柱归一
轴向受压
曲线的柔 美价值
水平推力
绝无仅有， 不可轻视
应力分布 均匀
国外某散盐仓库室内图示
无水平推力 无水平推力
有水平推力 有水平推力
拱结构与梁支座反力的比较
• 按结构支承方式分类，拱可分成三铰拱、两铰拱和无铰拱三种，如图 4.1.1所示。三铰拱为静定结构，较少采用；两铰拱和无铰拱为超静 定结构，目前较为常用。
卢浦大桥外观雄姿
卢浦大桥夜景
常州星港桥(拱形吊索桥)
• 港湾大桥，悉尼
我国首座X形钢结构吊索人行天桥亮相上海 2009年7月8日，上海，汽车与自行车在上海比邻豫园十字路口的我 国首座X形钢结构吊索人行天桥下通过。
东京Tama 艺术大学图书馆 为了让人们的流动和视觉自由地贯穿建筑，他们开始考虑使用随机排布的拱 形结构来营造一种感觉，让倾斜的地面和外面的公园风景和建筑保持连续。
• 埃及的卢克索神庙，巨大雄壮的柱列梁枋黯淡伤神地向人们展示着悄 然逝去了的往日的辉煌。
柏拉图
• 希腊的雅典卫城，希腊文明也难以掩饰其依靠巨大柱列换取狭小空间 的无助做法。
1.拱结构的受力特点
• 在建筑和桥梁工程界，拱是一种古老与现代并存、生命力经久不衰的 结构型式。令人陈思不解的是：为何拱结构建筑在古代杰作辈出，在 现代仍然异彩纷呈？归根结底就只能用两句话来阐述，这就是：形态 优美，结构完美。
• 拱是曲线形受压或压弯杆件，需要验算其受压稳定性。在拱轴线平面 外的方向，可按轴心受压构件考虑，其稳定性可由屋面结构的支撑系 统及檩条或大型屋面板体系来保证
• 四、拱式结构的布置 • 拱式结构可以根据平面的需要采用平行布置、交叉布置和旋转布置，
构成圆形平面(图4.4.1)或其他正多边形平面。图4.4.2为法国巴黎工 业技术展览中心的结构示意图。大厅平面为边长218m的正三角形，高 43．6m，大厅结构可以理解为由三个交叉的宽拱组成，它们在拱顶处 相遇。拱的水平推力由布置在地下的预应力拉杆承担，拉杆的平面布 置也为正三角形，如图4.4.2d)所示。图中H为拱角水平推力，T为拉 杆拉力。
罗马人首先发现并研究了拱的力学原理，创造了万神殿大圆 顶这一神来之笔，成就了罗马式建筑的流芳百世。43.4米高宽的 穹顶，是罗马式建筑的巅峰之作。
• 上述几个例子都是拱形结构的典型范例。它们都得益于 拱形结构的妙曲神功，彰显了优良结构的神韵和精髓。 这与梁跨柱撑的原始结构理念孕育出的单纯朴素的建筑 形成鲜明对比，后者的气韵不可相提并论。
• 奥林匹克中心，雅典
• 黑龙江速滑馆，哈尔滨
• 国家大剧院，北京
• 第4章论证作业（每10人1份）
• 1.与梁相比，拱结构的受力有何改善？这种改善的工程价值体现 在哪里？ 弯剪小，轴力大； 截面变小，跨度倍增，性价比高。
• 2.同样与梁相比，拱结构带来新的技术问题是什么？怎样解决之？
水平推力，对支座的要求严格；必须采用合理的平衡方案。
• 图4.4.4为美国蒙哥马利体育馆，该体育馆平面为椭圆形，而各榀拱 架结构的尺寸却是一致的。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，给人以明朗轻巧的感受。
• 五.拱式结构的支撑系统
• 拱为平面受压或压弯结构，因此必须设置横向支撑并通过檩条或大型 屋面板体系来保证拱在轴线平面外的受压稳定性。为了增强结构的纵 向刚度，传递作用于山墙上的风荷载，还应设置纵向支撑与横向支撑 形成整体，如图4.4.5所示。
• 3.在拱结构中为什么必须设置合理的支撑系统？拱结构的支撑系 统包括哪些种？其作用分别是什么? 平面外的受压稳定性 横向支撑 (平面外稳定)+纵向支撑（传递风荷载）
• 2．矢高的确定应使结构受力合理 • 由前面对三铰拱结构受力特点的分析可知，拱脚水平推力的大小与拱
的矢高成反比。当地基及基础难以平衡拱脚水平推力时，可通过增加 拱的矢高来减小拱脚水平推力，减轻地基负担，节省基础造价。但矢 高大，拱身长度增大，拱身及其屋面覆盖材料的用量将增加。
• 3．矢高应满足屋面排水构造的要求 • 矢高的确定应考虑屋面做法和排水方式。对于瓦屋面及构件自防水屋
4. 拱式结构的选型与布置
• 一、结构支承方式 • 在三铰拱、两铰拱和无铰拱当中。三铰拱为静定结构，由于跨中存在
着顶铰，使拱本身和屋盖结构构造复杂，因而目前较少采用。 • 两铰拱和无铰拱均为超静定结构，两铰拱的优点是受力合理、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 前较为常用。 • 无铰拱受力最为合理，但对支座要求较高，当地基条件较差时，不宜 采用。
• 四、水平推力直接作用在基础上 • 对于落地拱，当地质条件较好或拱脚水平推力较小时，拱的水平推力
可直接作用在基础上，通过基础传给地基。为了更有效地抵抗水平推 力，防止基础滑移，也可将基础底面做成斜坡状，如图4.2.7所示。
3 拱式结构的型式
•
拱式结构应用广泛，型式多样。
•
从力学计算简图看，可分成无铰拱、两铰拱和三铰拱；
日本多摩美术大学图书馆（Tama Art University Library）是由日本著名建筑 大师伊东丰雄（Toyo Ito）设计的。该图书馆在东京多摩美术大学八王子校区， 位于东京郊区外一座公园后面，地势略微倾斜的斜坡之上。设计理念是为所有 学生和学校职员提供一个开放的公共空间，从而改变之前只能将大学内自助餐 厅作为共享空间。
第3单元 第4章
梁柱合一的构件之二——拱结构
下面，我们先来观赏几个关于拱结构方面的案例，让 我们去领略大自然的神奇和人类智慧的奥妙。
桂林的象鼻山。天然形成的石材拱形结构。 历经千年风雨，却巍然不动，神韵不减。
陕北高原和渭北平原的窑洞，采用人工开掘或砖块砌筑形 成的拱形结构（砖拱或石拱） 。材料朴素，技术精湛，造型 优雅，彰显工匠的聪明才智。
纵向支撑
横向支撑
6 拱结构的工程实例
• 就是这座桥
• 就是要炸掉这座桥墩，连续拱桥的推力桥墩 • 炸掉它，才能彻底破坏这座桥！防止德军快速修复！
• 黑山塔拉河谷大桥
• 龙门石拱桥，洛阳
2000年10月开工建设的卢浦大桥，大桥主桥为全钢结构， 大桥全长3900米，其中主桥长750米，宽28.75米，采用一 跨过江，由于主跨直径达550米，居世界同类桥梁之首，被 誉为“世界第一钢拱桥”。
静定结构
超静定结构 1
超静定结构 3
• 与简支梁相比，拱的受力特点有： • (1)拱身内的弯矩小于同跨度同荷载下简支梁的弯矩。 • (2)拱身内的剪力小于同跨度同荷载下简支梁的剪力。 • (3)拱身截面内存在有较大的轴力，而简支梁中没有轴力。 • (4)在均布荷载作用下，简支梁的弯矩图为一抛物线，因此均布荷载
屋盖结构，也可用于落地拱结构。水平拉杆所承受的拉力等于拱的推 力，两端自相平衡，与外界之间没有水平向的相互作用力。这种构造 方式既经济合理，又安全可靠。当作为屋盖结构时，支承拱式屋盖的 砖墙或柱子不承受拱的水平推力，整个房屋结构即为一般的排架结构， 屋架及柱子用料均较经济。
• 二、水平推力通过刚性水平结构传递给总拉杆 • 这种结构方案的布置如图4.2.2所示。它需要有水平刚度很大的、位于
•
按应用材料分类，有钢筋混凝土结构、钢结构、胶合木结构、砖
石砌体结构；
•
从拱身截面看，有格构式和实腹式，还有等截面式和变截面式。
一、钢结构拱 钢结构拱有实腹式和格构式两种。 一般采用格构式（类似于桁架），以节省材料，如图4.3.1所示。
• 实腹式拱可以做成具有曲线形的外形，通常为焊接工字形截面。 • 图4.3.2为北京体育馆比赛厅，图4.3.3为西安秦俑博物馆展览厅。
平行布置
交叉布置
• 落地拱的拱脚处的空间形式特殊，不好利用。处理方法有： • 内包墙：在拱脚附近外加一排直墙，把拱包在建筑物内部，如图a)所
示；
• 外包墙：把建筑外墙收进一些，把拱脚暴露在建筑物的外部，如图b) 所示；
• 立柱式：把拱脚改成直立柱式，如图c)所示，但这样做对结构受力并 不好。
面，要求屋面坡度较大，则矢高较大来自对于油毡屋面，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。
• 三、拱身截面高度
• 拱身截面可以采用等截面也可采用变截面。变截面一般是改变截面的 高度而使截面的宽度保持不变。拱身截面的变化应根据结构的约束条 件与主要荷载作用下的弯矩图一致，弯矩大处截面高度较大，弯矩小 处截面高度可小些。拱身的截面高度，可按表4—1取用，表中L为拱 的跨度。
隋唐建筑的巅峰之作，是至今仍在使用着的“活”的 文物，是茅以升先生至为推崇的古代石拱桥梁。
• 既然拱让我们肃然起敬，就让我们好好来认识一下拱。
• 拱的定义：拱是一种轴线是曲线杆件、梁柱归一、轴向受 压的弧形结构，并且在竖向荷载作用下，会产生水平推力 的结构。
水平推力
水平推力
曲线杆件
拱结构
梁柱归一 水平推力
拱脚处的天沟板或副跨屋盖结构作为刚性水平构件以传递拱的推力。拱 的水平推力首先作用在刚性水平构件上，通过刚性水平构件传给设置在 两端山墙内的总拉杆来平衡。
• 三、水平推力由竖向承重结构承担 • 采用这种结构方案时，中跨拱式屋盖常为两铰拱或三铰拱结构，拱把
水平推力和竖向荷载作用于竖向承重结构上。竖向承重结构可为斜柱 墩(图4.2.3)或位于两侧副跨的框架结构。其中图4.2.3b)为西安秦俑 博物馆展览厅，三铰拱拱脚支承于从基础斜挑2．5m的钢筋混凝土斜 柱上。当拱脚荷载通过框架传递至地基时，要求两侧的副跨框架必须 具有足够的刚度，框架结构在拱脚水平推力作用下的侧移极小，方可 保证上部拱屋架的正常工作。同时，框架基础除受到偏心压力外，也 将受到水平推力的作用。图4.2.4为北京崇文门菜市场，图4.2.5为美 国敦威尔综合大厅，图4.2.6为某体育馆建筑，他们拱脚的水平推力 均由两侧副跨的框架结构承受。
时，合理拱轴线应为一抛物线。 • (5)拱脚有水平推力存在
2.拱结构的水平推力
• 拱脚水平推力的存在是拱与曲梁的根本区别。为了保证拱的可靠工作， 必须采取有效的措施来实现该水平力的平衡。工程中一般有以下四种 平衡方式。
• 一、水平推力直接由拉杆承担 • 这种结构方案的布置如图4.2.1所示。它既可用于搁置在墙、柱上的
• 二、拱的矢高 • 拱的矢高应考虑建筑空间的使用、建筑造型、结构受力、屋面排水构
造等的要求和合理性来确定。 • 1．矢高应满足建筑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，特别是对于散料仓
库、体育馆等建筑，矢高应满足建筑使用功能上对建筑物的容积、净 空、设备布置等要求。同时，拱的矢高直接决定拱的外形，因此矢高 必须满足建筑造型的要求。