拱是由曲杆组成的在竖向荷载作用下支座处产生水平推力的结构。水平推力是指拱两个支座处指向拱内部的水平反力。在竖向荷载作用下有无水平推力,是拱式结构和梁式结构的主要区别。
在拱结构中,由于水平推力的存在,拱横截面上的弯矩比相应简支梁对应截面上的弯矩小得多,并且可使拱横截面上的内力以轴向压力为主。这样,拱可以用抗压强度较高而抗拉强度较低的砖、石和混凝土等材料来制造。因此,拱结构在房屋建筑、桥梁建筑和水利建筑工程中得到广泛应用。例如在桥梁工程中,拱桥是最基本的桥型之一;又如图9.18(a)所示为某隧道的钢筋混凝土衬砌,它是由AB,AC和BC三个钢筋混凝土构件组成。因为这三个钢筋混凝土构件是分别浇筑的,所以A,B,C三处都可以看作铰结点,AB是反拱底板,AC与BC则组成一个三铰拱。图9.18(b)是它的计算简图。
图9.18
在拱结构中,由于水平推力的存在,使得拱对其基础的要求较高。若基础不能承受水平推力,可用一根拉杆来代替水平支座链杆承受拱的推力,如图9.19(a)所示为屋面承重结构,图9.19(b)是它的计算简图。这种拱称为拉杆拱。为增加拱下的净空,拉杆拱的拉杆位置可适当提高,如图9.20(a)所示;也可以将拉杆做成折线形,并用吊杆悬挂,如图9.20(b)所示。
按铰的多少,拱可以分为无铰拱、两铰拱和三铰拱,如图9.21所示。无铰拱和两铰拱属超静定结构,三铰拱属静定结构。按拱轴线的曲线形状,拱又可以分为抛物线拱、圆弧拱和悬链线拱等。
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图9.19
图9.20
图9.21
拱与基础的连接处称为拱趾,或称拱脚。拱轴线的最高点称为拱顶。拱顶到两拱趾连线的高度f称为拱高,两个拱趾间的水平距离l称为跨度,如图9.21(c)所示。拱高与拱跨的比值f/l称为高跨比,高跨比是影响拱的受力性能的重要的几何参数。
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