拱形结构的基本类型

百科 2025-01-27 00:01 福建

拱形结构选型包括确定结构形式、轴线形状、截面形式、拱脚条件以及节点构造等，应根据建筑物的功能要求、荷载条件、跨度大小、施工方法及基础条件综合确定。此外，由于无面外支撑拱的平面外稳定承载力通常低于平面内稳定承载能力，还应考虑面外支撑的设置要求。

一、结构形式

从结构类型来看，拱形钢结构主要分为实腹式截面拱、桁架拱、索拱及钢管混凝土拱等四大类。其中实腹式截面拱包括普通截面钢拱、腹板开孔钢拱及波形腹板钢拱等各种形式，如图2.1和图2.2所示。

实腹式截面拱一般用于中小跨度结构中，常用的截面形式有圆管、箱形及工形截面等。当有设备管线穿过或建筑美观要求时，可选择腹板开孔钢拱。波形腹板钢拱由于腹板面外波折或波浪从而大大增强了腹板的面外刚度和剪切屈曲荷载，可做得高而薄，具有成型和运输方便、截面抗弯刚度大、节约材料等优点。当实腹式截面拱采用圆管或箱形截面时，可在拱身内填充混凝土形成钢管混凝土拱，提高其刚度和稳定承载力，改善局部稳定性、耐火性能及防腐性能等。

桁架拱结合了拱与桁架的双重优势，以其曲线拱轴线实现弯矩向轴力的转化，并通过格构的方式将截面弯矩转化为弦杆的轴力，具有更高的结构承载效率，常用于超大跨度空间结构中，如体育场馆和桥梁工程中。按照其组成形式可分为平面桁架拱、立体架拱和空腹桁架拱等，按照杆件类型又分为传统的缀条缀板式桁架拱和钢管架拱索拱结构，依据布索形式及构成方式可分为张弦式索拱、弦撑式索拱及车辐式索拱等。通过合理的布索，有效控制拱肋的变形，从而改善和提高结构的整体刚度和承载能力。钢管混凝土拱同样包括实腹式和桁架式两种形式，桁架拱通常在上下弦杆中灌注混凝土。

就轴线形式而言，拱形钢结构的轴线选择包括轴线形状和矢跨比两个方面，选型原则是使钢拱在主要荷载工况作用下以轴压受力为主。实际工程中的荷载情况复杂，宜根据荷载效应组合的控制工况进行轴线的优化分析与设计，确定合理的拱轴线形状。此外，拱轴线也需要考虑建筑物的功能要求，如南通会展中心体育场的开合结构中，空间钢管桁架拱作为活动屋盖开合时的运行轨道，因此选择圆弧形以保证活动屋盖的台车在曲率恒定的曲面上顺畅运动。关于矢跨比的取值，当钢拱的跨度一定时通常存在使其稳定承载力最高的最优矢跨比(f/L=0.2左右)，还需结合建筑功能要求最后确定。车辐式索拱的矢跨比宜选择在0.3~0.5，索盘位置应控制在拱脚连线的上方，高度方向宜等于拱矢高的一半，此时承载效率较优。

此外，关于截面类型，一般选择双轴对称的工形开口截面或圆管、箱形闭合截面。考虑拱形钢结构平面外稳定时，采用闭合截面将获得较高的自由扭转刚度与平面外弯曲刚度，还可灌入混凝土形成钢管混凝土拱。对于三角形截面的空间钢管桁架拱，宜优先选择正三角形截面(下弦为两个弦杆)。在全跨均布荷载作用下，当矢跨比f/L大于0.15时，正三角形截面桁架拱的平面内稳定承载力比倒三角形截面(下弦为一个弦杆)高很多。这主要是因为当矢跨比较大时，全跨均布荷载作用下的拱截面边缘纤维最大压应力的位置为1/4和3/4跨附近的下边缘，因此倒三角形截面桁架拱相当于使结构中的薄弱位置更加削弱，而正三角形截面桁架拱则相当于将结构中的薄弱位置加强，在达到极限承载力时正三角形截面比倒三角形截面桁架拱有更多的构件进入屈服。

二、节点形式

拱形钢结构的节点设计应遵循构造简单、整体刚度好、传力明确、安全可靠、节约材料和施工方便的原则。其节点选型可参照其他钢结构节点类型，如钢管架拱可参考钢管桁架梁柱的节点构造处理方法，索拱结构中拱肋与撑杆、拉索的连接节点可参照其他预应力钢结构的通常做法。对于车辐式索拱结构，《拱形钢结构技术规程》(JGJ/T249-2011)参考国外工程资料，给出了可供参考的平板节点、铸钢节点等索盘节点形式(图 2.3)。

拱形结构应采用传力可靠、连接简单的拱脚形式。其构造应保证与计算假定一致：铰支时应保证拱脚截面具有充分的自由转动能力，且能有效传递剪力和轴力，固支时应保证其能充分传递弯矩，否则应根据实际构造情况在计算中考虑节点的弯矩-转角特性。实腹式截面钢拱采用铰支拱脚时，可设置拱脚加劲肋并采用销轴连接；固支时拱脚截面高度宜适当扩大，或采取加强措施如设置加劲肋或填充混凝土等，以防止拱脚应力过大而引起板件局部屈曲或强度破坏。腹板开孔钢拱的拱脚附近不宜开孔，以避免截面的削弱。钢管桁架拱采用铰支拱脚时，可将各分肢在拱脚处收于一处；采用固支拱脚时，宜将弦杆直接嵌固于基础。从受力的角度看，固支拱的刚度和稳定承载力要高于铰支拱，特别是半跨荷载作用下尤为明显。但固支拱的截面最大弯矩一般出现在拱脚位置，因此对基础的承载能力要求更高。

当涉及拱的平面外受力及变形时，截面发生面外弯曲并伴随绕拱轴线切线方向的扭转，故拱脚截面除了三个方向线位移及面内转动外，还涉及绕拱轴线的扭转、绕截面主轴的面外转动以及截面的翘曲变形等。对于圆管、箱形等闭合截面，由于翘曲刚度与翘曲变形很小，因此拱脚翘曲约束与否对平面外屈曲荷载几乎没有影响，而对于工形等开口截面，翘曲变形的影响很大。采用闭合截面形式、约束拱脚截面的面外弯曲转动等措施能够有效地提高其面外屈曲荷载，而仅约束拱脚截面翘曲变形的提高作用有限。实际工程中，应用较为广泛的为固支拱和销轴支座拱；除非具有充分的面外支撑，铰支拱因其平面外稳定承载力随着矢跨比的增大而迅速降低，因此仅作为一种理论研究的理想拱脚模型。在这里，“两端铰支拱”指拱脚截面的3个线位移，以及绕拱轴线切线方向的扭转受到约束，而面内和面外转动自由；“两端固支拱”指拱脚完全嵌固于基础的情况，即各个自由度全部被约束；“销轴支座拱”指拱脚截面的3个线位移、绕拱轴线切线方向的扭转、平面外转动和翘曲变形受到约束，而在平面内可以自由转动。此外对于落地拱，可考虑设置连接拱脚的钢绞线或型钢拉杆来平衡拱脚推力，减小基础负荷。当为非落地拱时，应重视下部结构刚度和强度的设计。如果支承结构的水平刚度不足，在拱脚推力作用下产生的水平位移将对拱的受力带来不可忽视的影响。这时如果仍按理想铰支或固支拱脚处理，会带来较大误差。

土木风雨

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