拱结构水平推力处理方法

拱既然是有推力的结构，拱结构的支座（拱脚）应能可靠地承受水平推力，才能保证它能发挥拱结构的作用。对于无铰拱、两铰拱这样的超静定结构，拱脚的变位会引起结构较大的附加内力（弯矩），更应严格要求限制在水平推力作用的变位。在实际工程中，一般采用以下4种方式来平衡拱脚的水平推力。

1.水平推力由拉杆直接承担

这种结构方案的布置如图1.29所示。它既可用于搁置在墙、柱上的屋盖结构，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。该方案的缺点是室内有拉杆存在，房屋内景欠佳，若设吊顶，则压低了建筑净高，浪费空间。对于落地拱结构，拉杆常做在地坪以下，这可使基础受力简单，节省材料，当地质条件较差时，其优点更为明显。

图1.29　拱脚水平推力由拉杆承担

水平拉杆的用料，可采用型钢（如工字钢、槽钢）或圆钢，视推力大小而定。也可采用预应力混凝土拉杆。

2.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1.30所示。它需要有水平刚度很大的、位于拱脚处的天沟板或边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。因此，天沟板或边跨屋盖可看成是一根水平放置的深梁，该深梁以设置在两端山墙内的总拉杆为支座，承受拱脚水平推力。当该梁在其水平平面内的刚度足够大时，则可认为柱子不承担水平推力。这种方案的优点是立柱不承受拱的水平推力，柱内力较少，两端的总拉杆设置在房屋山墙内，建筑室内没有拉杆，可充分利用室内建筑空间，效果较好。

图1.30　拱脚水平推力由山墙内的拉杆承担（北京展览馆电影厅）

3.水平推力由竖向结构承担

这种方法也用于无拉杆拱，拱脚推力下传给支承拱脚的抗推竖向结构承担。从广义上理解，也可把抗推竖向结构看作落地拱的拱脚基础。拱脚传给竖向结构的合力是向下斜向的，要求竖向结构及其下部基础有足够大的刚度来抵抗，以保证拱脚位移极小，拱结构内的附加内力不致过大。常用的竖向结构有以下几种形式。

1）扶壁墙墩

小跨度的拱结构推力较小，或拱脚标高较低时，推力可由带扶壁柱的砖石墙或墩承受。如尺度巨大的哥特式建筑，因粗壮的墙墩显得更加庄重雄伟。

2）飞　券(www.xing528.com)

哥特式建筑教堂（如巴黎圣母院）中厅尖拱拱脚很高，靠砖石拱飞券和墙柱墩构成拱柱框架结构来承受拱的水平推力。

3）斜柱墩

跨度较大、拱脚推力大时，采用斜柱墩方案时可起到传力合理、经济美观的效果。我国的一些体育、展览建筑就借鉴了这一做法，采用两铰拱或三铰拱（多为钢拱），不设拉杆，支承在斜柱墩上，如西安秦始皇兵马俑博物馆展览大厅就采用67m跨的三铰钢拱，拱脚支承在基础墩斜向挑出的2.5m的钢筋混凝土斜柱上，受力显得很合理，如图1.31所示。

图1.31　陕西临潼秦始皇兵马俑博物馆结构示意

4）其他边跨结构

对于拱跨较大且两侧有边跨有附属用房的情况，可以用边跨结构提供拱脚反力。边跨结构可以是单层或多层、单跨或多跨的墙体或框架结构。要求它们有足够的侧向刚度，以保证在拱推力作用下的侧移不超过允许范围。比较典型的建筑实例有北京崇文门菜市场，如图1.32所示。

图1.32　北京崇文门菜市场结构示意

4.推力直接传给基础——落地拱

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1.33所示。

图1.33　落地拱

落地拱的上部作屋盖，下部作外墙柱，不仅省去了抵抗拱脚推力的水平结构与竖向结构，而且由于拱脚推力的标高一直下降到铰基础，使基础处理大大简化。这是落地拱的结构特点，也是其所以经济有效的根源，对大跨度拱尤其显著。故一般大跨度拱几乎全都采用落地拱。

无论是双铰的或三铰的落地拱，其拱轴线形都采用悬链线或抛物线。当拱脚推力较大，或地基过于软弱时，为确保双铰拱的弯矩不致因基础位移而增大，或为确保基础在任何情况下都能承受住拱脚推力，一般在拱脚两基础间设置地下预应力混凝土拉杆，如图1.33（b）所示。