4.静定拱讲解

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《结构力学》第四章静定拱

《结构力学》第四章静定拱

受力特点概述
静定拱在荷载作用下,拱身主要承受 压力作用,这使得拱具有较好的受压 性能。
拱身受压力作用
由于拱的曲线形状和荷载作用位置的 不同,拱身内力分布通常不均匀,需 要进行详细的内力分析。
内力分布不均匀
静定拱在荷载作用下,其变形主要以 压缩变形为主,弯曲变形相对较小。
变形以压缩为主
影响因素分析
面内失稳
1
拱在面内发生屈曲,导致承载力急剧下降。
面外失稳
2
拱在面外方向发生侧倾或扭转,失去原有形状。
局部失稳
3
拱的局部区域发生失稳,如拱脚的局部压曲等。
提高稳定性的措施
合理选择拱的轴线形式 使拱在受力时能够均匀分布荷载,避 免应力集中。
加强拱的横向联系
通过设置横撑、横系梁等构件,增强 拱的横向稳定性。

静定拱的受力特点
受力分析基本假设
拱身是理想弹性体 在分析中,假设拱身材料符合胡克定律, 即应力与应变成正比关系。 荷载作用在拱的节点上 为简化计算,通常将荷载(如均布荷载、 集中力等)作用在拱的节点上进行分析。 忽略拱身自重影响 在分析中,通常忽略拱身自重对受力的影 响,或将其简化为等效荷载进行处理。
增加拱的刚度
采用高强度材料、增加截面尺寸等措 施,提高拱的整体刚度。
考虑施工方法和顺序
合理的施工方法和顺序可以有效减少 拱在施工过程中的变形和应力,有利 于提高稳定性。

静定拱的工程应用
桥梁工程中的应用
拱桥
静定拱是拱桥的主要结构形式,能够承受较大的竖向荷载和水平推 力,具有良好的经济性和美观性。
习题一
某静定拱的跨度为L,矢高为f,承受均布 荷载q作用,试求其拱脚处的水平推力H和 竖向反力V。

第四章-静定拱

第四章-静定拱
§4-1 基本概念 2.常见形式
铰 静 拱 三 拱—— 定 拱两 拱 铰 静 结 无 拱 超 定 构 铰
三铰拱
两铰拱
无铰拱
第四章 静定拱式结构(Arch) 静定拱式结构(Arch)
§4-1 基本概念 3. 几何特性:
拱 顶 拱轴线 (拱轴 )拱高 起拱线来自拱趾 、 ) ( 跨度
内力不仅与三铰拱位置有关, 内力不仅与三铰拱位置有关,且与拱轴线形 状有关。

谢 !
第四章 静定拱式结构(Arch) 静定拱式结构(Arch)
§4-4 三铰拱的合理拱轴线
3.方法: 方法: 先作出压力线, ⑴ 先作出压力线,然后以压力线代 替拱轴。 替拱轴。 ° M 利用弯矩方程: ⑵ 利用弯矩方程: = M − Hy ° M∗ 令 M = M − Hy = 0 ⇒ y = H 即为合理拱轴线的纵坐标。 y即为合理拱轴线的纵坐标。
第四章 静定拱式结构(Arch) 静定拱式结构(Arch)
§4-4 三铰拱的合理拱轴线(Optimal centre line of arch) 三铰拱的合理拱轴线( arch)
1.定义: 定义: 在已知荷载作用下, 在已知荷载作用下,能选择三铰拱的 轴线, 轴线,使得拱的所有横截面上的弯矩 为零。该拱的轴线就称为三铰拱的合 为零。该拱的轴线就称为三铰拱的合 理拱轴线。 理拱轴线。 条件: 2.条件: 拱轴线与压力线重合时, 拱轴线与压力线重合时,满足横截面 上的弯矩M Q=0 而仅有轴力N 上的弯矩M=0、Q=0,而仅有轴力N。
l 9
dy 2 tgϕ = = (6 − x) dx 9
截面1 截面1:x1 = 1.56m
y1 = 1.75m tgϕ1 = 1 ϕ1 = 450

第4章 静定拱

第4章  静定拱
第四章 静定拱
§4—1概述 拱——曲线杆件, 竖向荷载作用下有水平反力。 常用形式: 三铰拱、两铰拱、无铰拱
重要特点: 竖向荷载产生水平推力(与梁相比)
优点: M减小,N为主 ——便于使用抗压材料:砖、石、混凝土
缺点: 水平反力要求 ——地基、支承结构、(墙、柱、墩等)
更坚固。 ——可称拱式结构或推力结构
y(x) x1=1.5,y1=1.75 tanφ=y’ sinφ,cosφ
3.M1=M10-FHy1 S1=S10*c-FH*s N1=S10*s+FH*c
4.表4-1,作图。
3.特点: (1)竖向荷载作用下,
有水平推力H (2)推力使拱M减小,
M = M0 - Hy (3)拱截面内轴力较大,
(梁N=0) 4.斜拱与一般荷载作用 ①斜拱
【例4—2】 均布荷载满跨 【解】
M 0 ql x qx2 qx (l x) 2 22
H
M
0 c
1
ql 2
f f8
y M 0 qx (l x) 8 f 4 f x(l x)
H2
ql 2 l 2
具有不同髙跨比的一组抛物线——合理拱轴线
[例4—3]q = qc+ γy 解:坐标系如图,
M=M0-H(f-y)=0
f y M0 H
求导二次:
y"
1 H
d2M 0 dx2
1 H
(q)
y q H
q=qc+γy
y " x y qc HH
微分方程解 边界条件
——二阶常系数线性非齐次方程 ——确定合理拱轴线方程
[例4-4] 静水压力 解:非竖向荷载,设M=0状态,
用微元平衡求合理拱轴线 微段:N 平衡:

4静定拱(李廉锟_结构力学)

4静定拱(李廉锟_结构力学)
第四章 静定拱
§4-1 概述 §4-2 三铰拱的计算 §4-3 三铰拱的合理拱轴线
拱 (arch)
§4-1 概述
杆轴线为曲线 在竖向荷载作 用下不产生水
平反力。
1.拱的定义
结构力学
这是拱结构吗?
曲梁
拱--杆轴线为曲
线,在竖向荷载 作用下会产生水

平推力的结构。
退出
拱 (arch) 2.拱的受力特点 §4-1 概述
7.5kN
1 0
A
2
2
y2
x
x2=3m 6m
6
7 8
B
3m
f=4m 图所示拱的轴线为抛物线方程
H 7.5kN
y
4f l2
xl x
计算反力并绘
制内力图。
6m
VB 9kN (1)计算支座反力
VA 11kN
VA

P1
Qo
Q Q cos H sin
Mo
V
A
N Q sin H cos


三、受力特点
(1)在竖向荷载作用下有水平反力 H;
(2)由拱截面弯矩计算式可见,比相应简支梁小得多;
(3)拱内有较大的轴向压退力出 N.
q=2kN .m
P=8kN
结构力学
y
34
5
例 1、三铰拱及其所受荷载如
2.内力一般有弯矩、剪力和轴力,由于推力 的存在弯矩比同跨度梁小很多,拱主要承
点 受压力。 3.拱截面上应力分布均匀,更能发挥材料的 作用。可利用抗拉差抗压强的材料,如: 砖、石、混凝土。
退出
拱的特点:
结构力学
1.支座承受水平推力,需要更坚固的地基和

结构力学-静定拱

结构力学-静定拱

H=M’C/f 2 内力计算:
截面K的弯矩: M=[Vax-P1(x-a1)]-Hy
即 M=M’-Hy
A
P1
P2
B
KC
剪力:
Q=VA cos --P1 cos--H sin V’A
V’B
=Q’ cos --H sin
轴力:
HA
P1 K
A
P2
B
HB
N=(VA--P1) sin+
Hcos
第四章 静定拱
§4--1 概述
拱:杆轴线为曲线并且有竖向荷载作用下会产生 水平反力的结构。
拱的常用形式有三种:
1、三铰拱
HA
A
P
HB B
VA
VB
2 两铰拱
3 无铰拱
拱的各部分名称如右图:拱 趾
起拱线
A
拱轴线

拱高f

B
跨度l
§4--2 三铰拱的数解法
1 支座反力计算
如右图: 由MB=0
a1
b1
VA
VB
=Q’sin +Hsin
综上所述,三铰平拱的内力计算公
式可写为:
M=M’--Hy
Q=Q’ cos --H sin
N=Q’ sin --H cos
§4--3 三铰拱的合理拱轴线
当拱上所有截面的弯矩都为零而只有轴力时,这
时的拱轴线为合理拱轴线。其方程为: y=M’/H
q
例4-2
y
a2
b2
P1
P2
MA=0
HA
A
HB B
HA=HB=H
l1
MC=0
VA
l2 VB
VAl1-P1(l1-a1)-Hf=0 l

结构力学第4章静定拱(f)

结构力学第4章静定拱(f)

FH
FH
由边界条件
x 0, y 0 : x 0, y 0 :
A qc
B0
合理拱轴线的方程为
y qc (cosh x 1)
FH
§4-3 三铰拱的合理拱轴线
例4-3 试求三铰拱在垂直于拱轴线的均布荷载作用下的合理 拱轴线。
解:由图a,荷载为非竖向荷载。
思路:假定拱处于无弯矩状态,根据平衡 条件推求合理拱轴线方程。
Fi ai l
Fx 0 FAH FBH FH
相应简支梁
取左半拱为隔离体
MC 0
FH
FAV l1 F1(l1 a1) f
可 得
FAV FBV
FA0V FB0V
FH
M
0 C
f
三铰拱的反力只与 荷载及三个铰的位置有 关,与拱轴线形状无关;
推力FH 与拱高 f 成反比。
§4-2 三铰拱的计算
§4-2 三铰拱的计算
2、内力的计算
压力为正
任一截面的轴力等于该截面一 侧所有外力在该截面法线方向 上的投影代数和。
FN FAV sin FH cos F1 sin (FAV F1) sin FH cos FS0 sin FH cos
相应简支梁
§4-2 三铰拱的计算
2、内力的计算
区别拱与梁的主要标志:推力的存在与否。
§4-1 概述
拉杆拱: 拱两支座间的拉杆代替支座承受水平推力
拉杆做成折线形可获得较大空间
高跨比:f/l
平拱: 两拱趾在同一水平线上 斜拱: 两拱趾不在同一水平线上
§4-2 三铰拱的计算
1、支座反力的计算
由拱的整体平衡
M B 0 FAV
Fibi l
M A 0 FBV

第四章静定拱

第四章静定拱

小结: 1) 压力线一定通过铰C。
2) 压力线与拱轴形状无关,只与三个铰A、B、 C及荷载的相对位置和荷载的大小有关。 3) 合力大小由力多边形确定,合力作用线由压 力线确定。 4) 若荷载是竖向集中力,则压力线为折线;若 为均布荷载,压力线为曲线。
四. 三铰拱的合理拱轴线
在给定荷载作用下,三铰拱任一截面弯矩为零 的轴线就称为合理拱轴线。 若用压力线作为三铰拱轴线,则任一截面弯矩 都为零,故压力线为合理拱轴线。
下面列举工程实例给以说明:
三铰拱的构造特征:杆轴线通常为曲线,三个刚 片(包括地基基础)用不在同一直线上的三个铰两两 相连而组成。
三铰拱的受力特征:在竖向荷载作用下,拱脚处 产生很大的水平推力;因此拱轴任一截面的轴力FN 比 较大,弯矩比较小。 当基础薄弱时,常用拉杆来承受其水平推力,成 为带拉杆的三铰拱。
12.5kN 求MK
yk 44 16
2
4(1 6 4 ) 3 m .


M K 0,
M K 1 2 .5 4 1 0 3 2 0 k N m ( 下 拉 ).
求MJ
yJ 3m
M J 7 .5 4 1 0 3 3 0 3 0 0 .
三铰拱任一截面的弯矩为:
M M
0
FH y
令: 得到:
M 0
y M
0
FH
合理拱轴线方程的表达式。
例: 求三铰拱在均布荷载作用下的合理拱轴。 q C
FH A FVA l /2 q A
ql / 2
M qx( l x ) / 2
0
f B FH l /2 FVB
x 代 梁
解:
y

4静定拱

4静定拱

FF
qq
CC
BB
F
V0BF
0 VB
FH FfH f
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11:03
§4-3 三铰拱的合理拱轴线
结构力学
三铰拱的合理拱轴线
三铰拱在竖向荷载作用下任一截面的弯矩为:
MK

M
0 K
FH y
拱合理拱轴线:若拱的所有截面上的弯矩都为零,
这样的拱轴线为合理拱轴线。
由 M M 0 FH y 0 得合理拱轴线方程
C
A B
B
A
B
有拉杆的三铰拱
两铰拱
(c)
梁式结构在竖向荷载作用下是不会产生推力的。
C
B
A
B
曲梁
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§4-1 概 述
结构力学
三铰拱各部分名称
拱顶
拱轴线
f 矢高
拱趾
拱趾
l 跨度
拱顶:拱的最高点。 拱趾: 支座处。 跨度:两支座之间的水平距离, 用l表示。 矢高:拱顶到两拱趾间联线的竖向距离,用f表示。
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§4-3 三铰拱的合理拱轴线
结构力学
例4-2 设三铰拱上作用沿水平向均布的竖向荷载q
试求拱的合理轴线。
q
M0
解:由式(4-5) y FH
Y
C
在均布荷载q作用下, 代梁的弯矩方程为
f
A l 2
X B l
2
M 0 ql x qx2 q x(l x)
q
2 22
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黑龙江大学 建筑工程学院
§4-1 概述
与简支梁相比,拱的优点是:
☻ 弯矩、剪力较小,轴力较大(压力); ☻应力沿截面高度分布较均匀; ☻节省材料,减轻自重,能跨越大跨度; ☻宜采用耐压不耐拉的材料 ,如砖石混凝土等; ☻有较大的可利用空间。 其缺点是:
☻拱对基础或下部结构施加水平推力,要求有更坚 固的地基或支撑结构,增加了下部结构的材料用量。 ☻拱具有曲线形状,施工不方便。
y tan 2 6 x
9
故 tanD 0.1667 ,因而 sin D 0,.1644
cosD 0.9864
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§4-2 三铰拱的数值解
(2) 求支座反力,结果为: FVA 10,5 kN FVB 115 kN
FP2 B
b2 FBV0
黑龙江大学 建筑工程学院
§4-2 三铰拱的数值解
考虑整体平衡 由∑MA=0
F1
由∑X=0,得
FAH FBH FH
A
FAH
∑MB=0,得:
l1
FAV
FAV
1 l
F1b1 F2b2
C
F2
fB FBHFra bibliotekl2l
FBV
FBV
1 l
F1b1 F2b2
考虑C 铰左侧部分平衡
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§4-2 三铰拱的数值解
(2)内力计算
y
F
F
F
C
K截面形心的坐标为x、 y,截面切线的倾斜角 为 θ 。 且 左 半 拱 的 为 正 FHA 值,右半拱的θ为负值。
考虑截面左侧部份平衡,由 FH
K f
A
x
B
x
l/ 2 FVA F2
F1 K
l/ 2
MK FN K y
F SK
FHB FVB
第4章 静定拱
❖概述 ❖三铰拱的计算 ❖三铰拱的合理拱轴线
黑龙江大学 建筑工程学院
第4章 静定拱
基本要求
❖理解拱的受力特点及拱结构的优点和缺点。
❖掌握三铰拱的反力计算和内力计算及内力图的形 状特征、内力计算方法。
❖了解三铰拱的受力特征。
❖掌握三铰拱合理拱轴线的概念,及几种常见荷载 下的三铰拱的合理拱轴线。
2020-08-13
黑龙江大学 建筑工程学院
§4-1 概述
拱式结构的杆特轴点线:为曲线,在竖向荷载作用下会 产生水平反力(称为推力)。
拱式结构又称为推力结构。
黑龙江大学 建筑工程学院
§4-1 概述
拱的分类
三铰拱
两铰拱
(为了消除拱对支座的水平推力,可采用带拉杆的拱)
无铰拱
斜拱
梁式结构在竖向荷载作用下
a2 a3
可见:
F
f B
l/ 2 F3
FHB
FVB
B
FV0B
三铰拱的竖向支座反力就等于代梁的反力;
水平推力就等于代梁C 截面的弯矩除以矢高;
拱的矢高对水平推力影响很大(矢高愈小即拱的形状 愈扁平推力愈大)。
黑龙江大学 建筑工程学院
§4-2 三铰拱的数值解
2.内力计算
(1)截面的内力假定: 轴力以压力为正, 剪力以有使截面产生顺时针转动的趋势者为正, 弯矩以拱内侧纤维受拉者为正。
B
A
曲梁
B
是不会产生推力的。
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§4-1 概述
三铰拱各部分名称
拱顶
拱轴线
f 矢高
拱趾
拱趾
l 跨度
拱顶:拱的最高点。 拱趾:支座处。 跨度:两支座之间的水平距离, 用l表示。 矢高:拱顶到两拱趾间联线的竖向距离,用f表示。
高跨比f/l是拱的一个重要的几何参数。工程实际中, 高跨比在l~1/10之间,变化的范围很大。
由∑MC=0,得
FAH FBH FH
1 f
FAV l1 F1 l1 a1
黑龙江大学 建筑工程学院
§4-2 三铰拱的数值解
与代梁相比较有:
FVA
FV0A
FVB
FV0B
y
F
F
C
K
A
x
FHA
x
FH
M
0 C
f
l/ 2
FVFA1 F2
A
FV0A
a1
K C
(此公式只适用于三铰平拱)
q=20 kN/m
Y F = 100 kN
解:(1) 代入数据后拱
C
轴线方程为:
y 1 x(12 x) 9
FH= 82.5 kN
D y=3.983 m A
X
FVA =105 kN 3m
f=4m B
FH= 82.5 kN F = 115 kN
VB
当x =5.25m 时,y =3.938m
5.25m 12m
F3
与代梁相比较
A
FV0A
a1
K C
B
FV0B
FNK FS0K sin FH cos
a2 a3
黑龙江大学 建筑工程学院
§4-2 三铰拱的数值解
三铰拱任意截面K上的内力MK、FSK和FNK的计算 公式:
MK
M
0 K
FH y
FSK FS0K cos FH sin
FNK FS0K sin FH cos
y
4f l2
x(l x)
q=14 kN/m FP=50 kN
C
A
B
10 m
l=12 m
f=4 m
具体见课 本P59.
黑龙江大学 建筑工程学院
§4-2 三铰拱的数值解
例4-2 试求图示三铰拱截面D的内力。 设拱轴线为抛
物线,当坐标原点选在左支座时,它的轴线方程式

y
4f l2
x,l 已x知D截面的坐标为: xD=5.25m 。
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§4-2 三铰拱的计算
一、三铰拱的反力和内力计算
1.支座反力计算 (与三铰刚架反 力的求法类似)。
代梁:同跨度、同
F1
A
FAH
l1
FAV
C
F2
f
B FBH
l2
l
FBV
荷载的简支梁,其反力、等代梁
内力记为
A FP1
FA0V、FB0、V M、 0 FS0
FAV0
a1
C
a2 b1
注意:该组公式仅用于两底铰在同一水平线上, 且
承受竖向荷载;在拱的左半跨取正右半跨取负。
拱的弯矩要比同跨度同荷载的简支梁的弯矩小很 多(水平反力产生负弯矩,可以抵消一部分正弯矩), 当跨度比较大时采用拱比用梁要更为经济合理。
黑龙江大学 建筑工程学院
例4-1 试作图示三铰拱的内力图。拱轴为抛物线,
方程为
由∑MK=0可得
FVA
M K FVA x F1x b1 F2x b2 FH y
与代梁相比较
F1 F2 K
A
MK
M
0 K
FH y
FV0A
a1
C
拱的弯矩等于相应截面代梁的
a2 a3
弯矩再减去推力引起的弯矩。
F3
B
FV0B
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§4-2 三铰拱的数值解
y
F
F
F
C
K f
由 0
A x
FHA
x
B
FHB
l/ 2
l/ 2
FVA F1 F2 cos FH sin FSK 0
与代梁相比较
FVA
F2 MK
F1 K
FNK
ξ
y
FVB
FSK FS0K cos FH sin
FH
F SK
由 0
η FVA
FNK FVA F1 F2 sin FH cos 0 F1 F2
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