《建筑結(jié)構(gòu)選型拱》課件

建筑結(jié)構(gòu)選型拱建筑結(jié)構(gòu)的選型是一個(gè)復(fù)雜而又關(guān)鍵的過程,需要綜合考慮建筑的功能、材料、地質(zhì)條件等多方面因素。本課件將探討建筑選型過程中的關(guān)鍵步驟,為您提供全面的指導(dǎo)。課程目標(biāo)掌握拱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)了解拱結(jié)構(gòu)的起源、發(fā)展歷程和力學(xué)特性,為后續(xù)學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。熟悉不同類型的拱結(jié)構(gòu)通過分析磚拱、石拱、混凝土拱、鋼拱和木拱等,全面認(rèn)知拱結(jié)構(gòu)的多樣性。掌握拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)從跨度、材料性能、荷載條件到基礎(chǔ)情況等多方面,全面掌握拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。了解拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)重點(diǎn)探討支座處理、變形控制、抗震措施和防水防腐等拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)。什么是拱結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)定義拱結(jié)構(gòu)是由一系列相互連接的塊體組成的形狀呈弧線的結(jié)構(gòu)體系。其承擔(dān)著將重力荷載傳遞到支點(diǎn)的作用。拱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)拱結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能,能夠抵抗壓縮應(yīng)力,并將荷載均勻傳遞至基礎(chǔ),是建筑結(jié)構(gòu)常用的形式之一。拱結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用拱結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于橋梁、隧道、建筑屋頂?shù)阮I(lǐng)域,是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、美觀大方的結(jié)構(gòu)形式。拱的起源和發(fā)展1古埃及最早使用磚石拱結(jié)構(gòu)2古羅馬廣泛使用混凝土拱結(jié)構(gòu)3中世紀(jì)歐洲石拱技術(shù)得到突破性發(fā)展4現(xiàn)代新材料和計(jì)算技術(shù)推動(dòng)拱結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用拱結(jié)構(gòu)建筑最早出現(xiàn)于古埃及和古羅馬時(shí)期。最初使用磚石材料,后來發(fā)展到使用混凝土。到了中世紀(jì),歐洲的石拱技術(shù)有了重大進(jìn)步。而在現(xiàn)代時(shí)期,新材料和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展更是推動(dòng)了拱結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用。拱結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性1K跨度跨度可達(dá)千米級(jí)10M載重能力可承載千噸級(jí)重量5%材料利用率材料利用率可達(dá)95%99承重穩(wěn)定性極高的抗壓承載能力拱結(jié)構(gòu)具有非常出色的力學(xué)特性。它可以跨越千米級(jí)的距離,承載重達(dá)數(shù)十噸的荷載。同時(shí)拱結(jié)構(gòu)能夠充分利用材料強(qiáng)度,材料利用率可達(dá)95%以上。此外,拱結(jié)構(gòu)還有極高的承重穩(wěn)定性,抗壓承載能力超過常規(guī)結(jié)構(gòu)。拱結(jié)構(gòu)的分類按材料分類拱結(jié)構(gòu)可以根據(jù)材料分為磚拱、石拱、混凝土拱、鋼拱和木拱等。每種材料都有其獨(dú)特的力學(xué)特性和施工工藝。按形狀分類拱結(jié)構(gòu)也可以根據(jù)拱形的形狀分為圓拱、半圓拱、尖拱、馬蹄形拱和扁平拱等。不同的形狀對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和美觀度有不同的影響。按受力方式分類從受力方式上看,拱結(jié)構(gòu)可分為跨徑受壓的掛籃拱和弓形受拉的懸掛拱兩大類。前者更為常見,后者則較為特殊。按構(gòu)造形式分類還可以按照構(gòu)造形式將拱結(jié)構(gòu)分為實(shí)心拱、空心拱和組合拱。這些不同形式在施工技術(shù)和成本上存在差異。磚拱磚拱是使用磚石材料建造的拱形結(jié)構(gòu),具有悠久的歷史和豐富的構(gòu)造形式。磚拱通常呈現(xiàn)出優(yōu)美的曲線造型,既可用于支撐屋頂和墻體,又可應(yīng)用于橋梁和門樓等建筑物中。磚拱由于材料可靠、施工簡(jiǎn)便且具有良好的抗壓性能,在建筑史上占據(jù)重要地位。它不僅體現(xiàn)了人類對(duì)力學(xué)規(guī)律的深刻認(rèn)知,也展現(xiàn)了古老建筑工藝的精湛技藝。石拱石拱是建筑中最經(jīng)典的拱結(jié)構(gòu)形式,由石料塊精確切割與精密組裝而成。石拱具有承載力強(qiáng)、耐久性佳、造型優(yōu)美等特點(diǎn),在許多古老建筑中廣泛應(yīng)用,是工程美學(xué)的杰出代表。石拱的建造工藝復(fù)雜,需要精湛的石雕技藝和豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。在施工過程中,要控制好每塊石材的尺寸、形狀和安裝位置,確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡和穩(wěn)定性?；炷凉盎炷凉笆遣捎矛F(xiàn)澆鋼筋混凝土或預(yù)制混凝土構(gòu)造而成的拱結(jié)構(gòu)。它具有優(yōu)異的力學(xué)性能,能夠有效傳遞上部荷載,并提供良好的耐久性。與傳統(tǒng)磚拱和石拱相比,混凝土拱具有更高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,可以應(yīng)用于各種跨度和環(huán)境條件下?；炷凉暗氖┕すに囈草^為成熟,可采用澆筑或預(yù)制技術(shù)。通過精確的設(shè)計(jì)和施工,混凝土拱還可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)雅的造型,成為建筑物的一大亮點(diǎn)。鋼拱強(qiáng)度優(yōu)良鋼拱結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的強(qiáng)度和剛度性能,能夠承受較大的荷載,是理想的建筑結(jié)構(gòu)選擇?？缍葟V泛鋼拱結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)較大跨度,從而擴(kuò)展建筑空間,適用于橋梁、體育場(chǎng)等大跨度建筑。造型靈活鋼材具有良好的加工性能,可塑性強(qiáng),能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化的結(jié)構(gòu)造型,滿足不同建筑設(shè)計(jì)需求。施工便捷鋼拱結(jié)構(gòu)的部件可以在工廠預(yù)制,現(xiàn)場(chǎng)安裝較為簡(jiǎn)便,施工周期短,提高了工程效率。木拱木拱結(jié)構(gòu)憑借其獨(dú)特的造型和優(yōu)秀的承重性能,在歷史建筑中占據(jù)重要地位。木材具有重量輕、加工容易的特點(diǎn),可以方便地搭建出各種形式的木拱結(jié)構(gòu)。這種拱型建筑不僅美觀大方,而且具有良好的抗震性能,是許多古老建筑的首選。木拱的建造方法相對(duì)簡(jiǎn)單,利用木材的自重和相互咬合力形成拱形結(jié)構(gòu)。宏大的木拱營造出獨(dú)特的空間感和氣氛,是明清建筑的典型代表?，F(xiàn)代建筑中也時(shí)常采用木拱,融合傳統(tǒng)與創(chuàng)新。拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)因素1跨度拱結(jié)構(gòu)的跨度大小是決定其形式和荷載能力的關(guān)鍵因素。2材料性能拱結(jié)構(gòu)常使用混凝土、鋼筋、鋼材等,其強(qiáng)度和剛度直接影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3荷載條件包括永久荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震荷載等,需全面考慮。4基礎(chǔ)情況不同地基條件需采取相應(yīng)基礎(chǔ)形式,確保整體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定?？缍裙敖Y(jié)構(gòu)的跨度是影響其結(jié)構(gòu)選型的重要因素。大跨度拱結(jié)構(gòu)需要更強(qiáng)大的承載能力和穩(wěn)定性,而小跨度則能更好地利用材料的力學(xué)性能。下表列出了常見拱結(jié)構(gòu)的典型跨度范圍:磚拱10-20米石拱20-40米鋼拱40-100米混凝土拱20-100米木拱10-30米合理選擇跨度是確保拱結(jié)構(gòu)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。同時(shí)也需要考慮建筑風(fēng)格、施工條件等因素進(jìn)行綜合平衡。材料性能建筑結(jié)構(gòu)的材料性能是選型時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素。不同類型的拱結(jié)構(gòu)需要使用不同的材料,如磚、石材、混凝土、鋼材或木材。每種材料都有其自身的強(qiáng)度、剛度、耐久性等特性,需要根據(jù)具體工程需求進(jìn)行評(píng)估和選擇。同時(shí)還要考慮材料的加工性、經(jīng)濟(jì)性和可得性等綜合因素,以確保拱結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和美觀性。荷載條件50K設(shè)計(jì)荷載建筑物在使用過程中需要承受的各種外部作用的總和30K固定荷載建筑物自重及附加永久性負(fù)荷的總和20K活動(dòng)荷載建筑物使用過程中可能出現(xiàn)的臨時(shí)性負(fù)荷拱結(jié)構(gòu)的荷載條件是設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。既要考慮建筑物自身重量,也要考慮各種外部作用,如風(fēng)荷載、地震荷載等。只有充分掌握荷載情況,才能設(shè)計(jì)出安全可靠的拱結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)情況基礎(chǔ)類型拱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)類型包括淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和柱基礎(chǔ)等。選擇適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)形式需要綜合考慮地質(zhì)條件、荷載大小、基礎(chǔ)處理技術(shù)等因素?；A(chǔ)設(shè)計(jì)拱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)地基承載力、沉降控制、抗震要求等進(jìn)行深入分析,確?；A(chǔ)能夠可靠地傳遞荷載,保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性?；A(chǔ)處理針對(duì)不同的地質(zhì)條件,可采取各種基礎(chǔ)處理技術(shù),如地基加固、土方開挖、基坑支護(hù)等,以滿足拱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的承載和變形要求。拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程方案選擇根據(jù)項(xiàng)目需求和場(chǎng)地條件,選擇合適的拱結(jié)構(gòu)形式和材料。荷載確定計(jì)算拱結(jié)構(gòu)承受的死荷載和活荷載,包括自重、使用荷載等。內(nèi)力計(jì)算采用適當(dāng)?shù)牧W(xué)分析方法,確定拱結(jié)構(gòu)各部位的內(nèi)力和應(yīng)力狀態(tài)。截面設(shè)計(jì)根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果,選擇合適的截面尺寸和配筋方案。構(gòu)造設(shè)計(jì)針對(duì)拱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)支座、變形控制等構(gòu)造細(xì)節(jié)。方案選擇建筑設(shè)計(jì)從建筑美學(xué)、功能性和技術(shù)可行性等多方面對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行綜合評(píng)估。工程技術(shù)充分考慮施工難度、經(jīng)濟(jì)性、耐久性等工程實(shí)現(xiàn)的技術(shù)要求。成本控制在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下,選擇最經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案。工期控制選擇既能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖又能縮短工期的結(jié)構(gòu)類型。荷載確定自重荷載建筑物自身重量,包括結(jié)構(gòu)自重和非結(jié)構(gòu)自重。需要根據(jù)材料種類和尺寸精確計(jì)算。風(fēng)載荷根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、建筑物位置和形狀確定風(fēng)力作用。應(yīng)考慮風(fēng)向、風(fēng)壓力和陣風(fēng)等因素。地震荷載根據(jù)地震動(dòng)特性、建筑物動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)位置等因素確定地震作用。需計(jì)算水平地震力和垂直地震力?；詈奢d包括建筑物內(nèi)人員、車輛、設(shè)備等可變荷載。應(yīng)根據(jù)使用功能合理確定活荷載標(biāo)準(zhǔn)值。內(nèi)力計(jì)算確定荷載根據(jù)建筑標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求,準(zhǔn)確測(cè)算拱結(jié)構(gòu)所承受的各種荷載,包括永久荷載和活荷載。計(jì)算內(nèi)力分布采用彈性理論或有限元法等分析方法,計(jì)算出拱結(jié)構(gòu)各部位的軸力、剪力和彎矩等內(nèi)力分布。確定關(guān)鍵位置識(shí)別拱結(jié)構(gòu)中內(nèi)力最大的關(guān)鍵位置,為后續(xù)的截面設(shè)計(jì)提供依據(jù)?？紤]構(gòu)造因素在計(jì)算內(nèi)力時(shí),還應(yīng)考慮拱結(jié)構(gòu)的各種構(gòu)造特點(diǎn),如支座條件、縫隙等因素對(duì)力學(xué)性能的影響。截面設(shè)計(jì)1確定截面尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)受力分析,合理確定拱身的寬度、高度等截面尺寸。2選擇適當(dāng)材料結(jié)合材料性能、經(jīng)濟(jì)性等因素,選擇合適的拱身材料。3優(yōu)化截面形狀采用圓拱、尖拱等不同拱型,以滿足結(jié)構(gòu)性能和外觀要求。4計(jì)算截面承載力根據(jù)材料強(qiáng)度和截面尺寸,計(jì)算拱身的抗壓、抗拉等承載能力。構(gòu)造設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理布置對(duì)拱肋、橫梁、支撐等構(gòu)件進(jìn)行合理布置,確保整體結(jié)構(gòu)受力平衡,傳力順暢。細(xì)部連接處理重點(diǎn)關(guān)注拱頂、拱腳、支座等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),采用可靠的連接方式,確保整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。施工可操作性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮施工工藝和方法,確保構(gòu)件安裝順利,施工過程安全。耐久性設(shè)計(jì)采用適當(dāng)?shù)姆栏?、防水、隔熱等措?提高拱結(jié)構(gòu)的使用壽命和耐久性。拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)1支承形式拱結(jié)構(gòu)采用柱子或墻體作為支承,形成一種穩(wěn)定的受力體系。2連接方式拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)件采用各種連接手段,如咬合、鉸接或剛性連接,確保整體穩(wěn)定。3截面構(gòu)造拱結(jié)構(gòu)常采用中空或中實(shí)截面,合理分配材料,提高承載能力。4抗震設(shè)計(jì)拱結(jié)構(gòu)需要特殊的抗震設(shè)計(jì)措施,如設(shè)置剪力墻、設(shè)置阻尼裝置等。支座處理基礎(chǔ)支座設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的拱形支座需要精心設(shè)計(jì),確保能夠承載重大荷載并提供穩(wěn)定的支撐。這包括選擇合適的材料、尺寸以及基礎(chǔ)處理等。支座連接方式拱形支座可以采用剛性或者鉸接的連接方式,根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇,確保整個(gè)結(jié)構(gòu)可靠性。支座變形控制拱形支座需要嚴(yán)格控制變形,避免出現(xiàn)不均勻沉降或位移,影響整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。變形控制限制最大位移拱結(jié)構(gòu)在受力過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的變形。通過合理的構(gòu)造設(shè)計(jì),可以有效地限制最大位移,確保結(jié)構(gòu)的使用性和安全性。合理控制預(yù)應(yīng)力適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力可以有效地抑制拱結(jié)構(gòu)的中間撓度,并且增強(qiáng)整體的抗彎性能。但預(yù)應(yīng)力過大也會(huì)導(dǎo)致過度的壓力,因此需要精確計(jì)算確定最佳預(yù)應(yīng)力水平。優(yōu)化支座條件合理設(shè)計(jì)支座細(xì)節(jié),如采用可調(diào)節(jié)的支座,可以有效吸收和分散位移,降低結(jié)構(gòu)的變形程度。這對(duì)于大跨度拱結(jié)構(gòu)尤為重要。采用復(fù)合結(jié)構(gòu)混合使用不同材料,如鋼筋混凝土與鋼材,可以充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢(shì),提高整體的抗變形能力?？拐鸫胧﹦?dòng)力分析針對(duì)拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析,確定結(jié)構(gòu)抗震性能。減震措施應(yīng)用隔震支座、阻尼器等措施控制地震作用下的振動(dòng)。加固設(shè)計(jì)根據(jù)抗震性能評(píng)估,采取加固措施提高結(jié)構(gòu)抗震能力。防水防腐防水措施采用合理的防水設(shè)計(jì),如使用防水材料和設(shè)置排水系統(tǒng),可有效防止水滲透,確保建筑物的防水性能。防腐保護(hù)針對(duì)拱結(jié)構(gòu)中鋼材、混凝土等易腐蝕的材料,采用涂料、陽極氧化等措施,能大大提高抗腐能力,延長使用壽命。定期檢查定期對(duì)拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查和維護(hù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施,可確保其安全可靠地服役。拱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)美觀拱結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的造型美,能夠?yàn)榻ㄖ鎏淼溲艢赓|(zhì)。力學(xué)性能優(yōu)良拱結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮材料的抗壓能力,承載能力強(qiáng),耐久性好。經(jīng)濟(jì)實(shí)用相比其他結(jié)構(gòu)體系,拱結(jié)構(gòu)在施工成本和維護(hù)成本上更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。結(jié)構(gòu)美觀優(yōu)雅動(dòng)人拱結(jié)構(gòu)優(yōu)雅的曲線美和凝重沉穩(wěn)的氣質(zhì),充分顯示了建筑藝術(shù)的魅力。和諧的比例精心設(shè)計(jì)的拱結(jié)構(gòu)能營造出優(yōu)美的空間比例,符合人體工程學(xué)要求。精美裝飾拱結(jié)構(gòu)可以承載豐富的雕刻裝飾,增加建筑的藝術(shù)表現(xiàn)力。力學(xué)性能優(yōu)良承載力強(qiáng)拱結(jié)構(gòu)的獨(dú)特力學(xué)特性使其能夠承受較大的建筑荷載,具有極佳的承載能力。合理的受力分布確保了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。抗震性強(qiáng)拱結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能,能夠很好地抵抗地震等外部作用力,保證建筑物的整體安全?？箾_擊能力強(qiáng)拱結(jié)構(gòu)的獨(dú)特形態(tài)賦予了它極高的抗沖擊能力,使其能夠承受意外事故或惡劣環(huán)境的沖擊,保護(hù)建筑物免受損害。延展性好拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活,可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整,滿足各種復(fù)雜的