第7章大跨结构-拱索.ppt
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1、第七章 大跨结构拱、悬索及壳体折板、结构体系,7.1、拱和悬索结构体系 7.2、壳体和折板结构体系,7.1拱和悬索结构体系,梁:部分受拉、部分受压,应力分布不均匀,不能充 分利用材料的强度。 对梁施加一偏心压力,可使梁各截面处于受压或压弯状 态,从而提高梁的承载力形成拱 同样,对梁施加一偏心拉力,也能使梁各截面处于受拉 或拉弯状态,形成拉杆,其极端情况为“索”,拱分为三铰拱、两铰拱和无铰拱,拱和悬索结构受力特点,对于梁,截面抗弯力臂为:hb 对于拱:抗弯力臂为:h (矢高) 对于索,抗弯力臂为:h(垂度),由于拱或悬索矢高或垂度h较大, 截面所承受的压力C或拉力T较小,大跨结构常用形式及优缺点
2、,曲线构件的缺点 曲线表面作为楼面使用不方便,必须在基本曲线结构体系上支起或悬挂一个辅助平台体系。 曲线构件的优点: 1、大跨结构采用与自然压力线相近的形状(如抛 物线或悬链线) 2、对于曲线形结构所需要的抗弯力可以总体上加 大结构体系的矢高,而不是截面高度来控制;,对于跨度超过30m以上的结构,用拱、悬索或壳体结构等曲线构件建造较为经济。,拱结构设计要点:(1)跨高比及压杆稳定,跨高比的确定: 水平反力H与矢高h成反比;因此,通过增加矢高可以减少水平反力以及作用在截面上压力,这时承受实际荷载所需截面高度hb也可随之减小;理论上,跨高比可以达到50以上。但是,如截面高度减少过多,会带来压杆稳定
3、问题;因此,实际设计时如无有效的竖向加劲处理和合理的侧向支撑,压杆跨高比应控制在12以内。,拱的竖向加劲和水平方向加劲处理,有效提高压杆整体稳定性的方法是对拱压杆进行竖向及水平方向加劲处理,见下图示。,拱结构设计要点:(2)支座反力估算,在均布荷载作用下: 1、抛物线形三铰拱截面上弯矩为零,即只受压力作用; 2、两铰拱,即使采用抛物线形拱,拱顶仍有弯矩作用,截面也有弯矩产生,但其值很小; 3、无铰拱,拱顶和拱底均有弯矩作用,情况与两铰拱类似。 注意: 截面弯矩为:Chb 水平推力产生的抵抗矩为:Hh 由于一般:Hhb,在初步设计时可以由三铰拱公式估算两铰或无铰拱的支座反力,分析,拱结构设计要点
4、:(3)拱脚设计,拱脚设计: 1)在拱脚两端用水平拉杆连接,以抵抗拱脚水平推力; 2)在天然地基或桩基础上建造坚固的承台,以承受拱脚水平推力作用; 3)拱脚两端推力由侧面建筑物承受; 4)拱脚两端推力由侧面水平构件承受。,拱结构设计要点:(4)拱截面设计,矩形截面开洞,丫髻沙大桥桁架拱,柱拱结构,墙拱结构,平面屋盖和筒壳屋盖比较 由于Hh,边梁高度可以适当减少,因此,筒壳屋盖也比平面屋盖有很大优越性,平面屋盖:荷载由板沿横向传给梁,梁的最大纵向应力与梁截面 的平方成反比,即max1/h2; 筒壳屋盖:荷载由壳体与边梁组成的弧形截面大梁传给端隔板和 柱,此时,壳板顶部受压,整个边梁受拉,最大纵向
5、应力与筒壳 全高的平方成反比,即max1/ H2;,筒体单元受力状态及内力估算,Nx、N为纵向及横向法向力; SxSxS为顺剪力; Mx、M为纵向及横向弯矩; Vx、V为纵向及横向剪力; Mx、Mx为扭矩;,筒壳内力简化分析,1、长筒(l1/l23):壳身内力Nx及S与梁相似,可按梁简化分析; 2、短筒(l1/l21/2):壳身弯曲内力很小,可按薄膜理论估算内力Nx、N及S; 3、中长筒壳(1/2 l1/l23):原则上应同时考虑薄膜及弯曲内力。简化分析时,通常忽略较次要的Mx及Mx,按半弯矩理论计算壳身内力。,筒拱体系,注意: 由于筒拱在拱方向上以受压为主,与拱垂直方向上以受弯为主。因此,长
6、筒的静力分析与梁类似;而短筒的静力分析与拱类似。,短筒壳设计要点,短筒壳得横隔构件宜采用拉杆拱,跨度较大时可采用桁架拱;,悬挂结构体系,悬索结构一般由索网、边缘构件和支承构件组成。 索网由0.5-5mm的高强钢丝组成。 边缘构件受压,采用砼拱梁、环梁等,须有足够的刚度,以便承受索的内拉力。 悬索作用产生支承处的是向内拉力,索网结构的结构形式,悬挂结构设计要点,悬挂结构体系不会发生压曲,总跨高比L/h可以达到10左右; 柔性悬索在动力荷载作用下会产生摇摆或移动,对于悬索吊桥应沿桥面纵向设置加劲大梁或预应力拉索;对于建筑结构常采用曲线钢杆或预应力混凝土杆制作的刚性索,以避免过大柔度。 拉索可以锚固
7、在其他构件上以抵抗其水平反力,亦可以将拉索两端以刚度较大的水平构件/结构连接,而形成自锚体系。,悬索结构支承处理方法,悬挂建筑结构采用刚性拉索,典型悬索吊桥采用的纵向加劲处理 及拉索锚固方案,双向悬索网,美国雷利竞技场,采用斜拉索的屋盖体系,悬索结构建筑实例,7.2 球壳的空间作用,杆结构与面结构的比较,梁和拱属于杆结构,板和壳属于属于面结构; 杆结构中梁主要受弯,是有矩构件,拱主要受压,(设计得当弯矩为零)可以为无矩结构; 平板受弯,为有矩构件,壳体受两个发向力(拉或压)和顺剪力(沿壳面的剪力),设计得当可为无矩构件,有矩和无矩结构比较,方形框架:,圆环:,比较(取l/h=10):,在荷载与
8、尺寸相同情况下,无矩结构比有矩结构优越得多!,平板与球壳比较,四边简支圆形平板 底部简支半平面球壳,平板中心点:,半球壳顶点:,比较(取r/h=30):,在荷载与尺寸相同情况下,无矩结构比有矩结构优越得多!,拱与壳的比较 由于壳体的空间作用,空间的壳与平面的拱相比,受力要优越得多!,1、在拱底水平推力作用下,传力由一端由受弯向另一端传递,拱顶弯矩最大; 2、球壳在沿环向水平推力作用下,当水平推力沿竖拱经拱顶传到另一端时,水平环则起到阻止竖拱弯曲作用,结果仅在壳体底部边缘处在竖拱中产生弯矩,并很快衰减。,壳体结构曲面形式,旋转曲面: 1、球壳 2、圆锥体 3、双曲面壳,直纹曲面: 4、柱面(筒)
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