结构力学——三铰拱课件

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1、学习内容学习内容 三铰拱的组成特点及其优缺点；三铰拱的组成特点及其优缺点；三铰拱的反力和内力计算及内力图的绘制；三铰拱的反力和内力计算及内力图的绘制；三铰拱的合理拱轴线。三铰拱的合理拱轴线。学习目的和要求学习目的和要求 目的目的：实际工程中拱的形式越来越多，了解拱的受力特：实际工程中拱的形式越来越多，了解拱的受力特性，对指导设计和结构选型是非常必要的。性，对指导设计和结构选型是非常必要的。要求要求：熟练掌握三铰拱的反力和内力计算。熟练掌握三铰拱的反力和内力计算。了解三铰拱的内力图绘制的步骤。了解三铰拱的内力图绘制的步骤。掌握三铰拱合理拱轴的形状及其特征。掌握三铰拱合理拱轴的形状及其特征。第三部

2、分第三部分 三铰拱三铰拱在工程实践中，由于载荷的多样性，不可能有真正的无弯矩在工程实践中，由于载荷的多样性，不可能有真正的无弯矩拱，但是可以想象，接近合理拱轴的设计，应当是可行的方拱，但是可以想象，接近合理拱轴的设计，应当是可行的方案。赵州桥是我国隋代工匠李春建造的一个著名的范例。案。赵州桥是我国隋代工匠李春建造的一个著名的范例。第一节第一节 三铰拱的组成和类型三铰拱的组成和类型1 1、工程上使用的拱结构实例、工程上使用的拱结构实例三铰拱是一种静定的拱式结构，在大跨度结构上用料三铰拱是一种静定的拱式结构，在大跨度结构上用料比梁省，因而在桥梁和屋盖中广泛应用。比梁省，因而在桥梁和屋盖中广泛应用。

3、第一节第一节 三铰拱的组成和类型三铰拱的组成和类型2.2.三铰拱的构成三铰拱的构成拱顶拱顶拱轴拱轴拱趾拱趾拱趾拱趾起拱线起拱线矢高矢高f跨度跨度L矢高：起拱线至拱顶的矢高：起拱线至拱顶的竖直距离。竖直距离。第一节第一节 三铰拱的组成和类型三铰拱的组成和类型带拉杆的拱：在带拉杆的拱：在屋架中，为消除屋架中，为消除水平推力对墙或水平推力对墙或柱的影响，在两柱的影响，在两支座间增加一拉支座间增加一拉杆，由拉杆来承杆，由拉杆来承担水平推力，桥担水平推力，桥梁中应用也非常梁中应用也非常广泛。广泛。2.2.三铰拱的构成三铰拱的构成第一节第一节 三铰拱的组成和类型三铰拱的组成和类型铁路拱桥：在桥梁中为了降低

4、桥面高铁路拱桥：在桥梁中为了降低桥面高度，可将桥面吊在拱上。度，可将桥面吊在拱上。2.2.三铰拱的构成三铰拱的构成第一节第一节 三铰拱的组成和类型三铰拱的组成和类型3.3.三铰拱的分类三铰拱的分类第一节第一节 三铰拱的组成和类型三铰拱的组成和类型FP拱拱FP曲梁曲梁拱的拱的基本特点基本特点是在是在竖向荷载作用下会竖向荷载作用下会产生水平推力，从产生水平推力，从而大大减小拱内弯而大大减小拱内弯矩。矩。水平推力的存水平推力的存在与否在与否是区别拱与是区别拱与梁的梁的主要标志主要标志。4.4.三铰拱的受力特点三铰拱的受力特点第二节第二节 竖向荷载作用下三铰拱的受力分析竖向荷载作用下三铰拱的受力分析当

5、两支座在同一水平线上时，称为等高拱或当两支座在同一水平线上时，称为等高拱或平拱平拱，否，否则称为则称为斜拱斜拱。分析竖向荷载作用下三铰拱的内力和反。分析竖向荷载作用下三铰拱的内力和反力时，与同跨度、同荷载的简支梁相对比，以便于计力时，与同跨度、同荷载的简支梁相对比，以便于计算和对比分析拱的受力性质。算和对比分析拱的受力性质。FP1FP2FP1ABCFP2lfBAC fl1l2P1xyP2a1b1a2b2lFAyFByFAxFBxBACP1P20yAF0ByF 0Bm02211 AyiiAyFlbPlbPbPF 0Am0yBiiByFlaPF0)(1111lFalPfFAyAxHBxCAAxFF

6、fMfalPlFF01111y)(0 2211ybPbPlFA 0cm1 1 竖向荷载作用下拱反力计算竖向荷载作用下拱反力计算 0 X第二节第二节 竖向荷载作用下三铰拱的受力分析竖向荷载作用下三铰拱的受力分析1 1 竖向荷载作用下拱反力计算竖向荷载作用下拱反力计算FBy=FBy0 FAy=FAy0 FH=MC0/f FAx=FBx=FH 拱的竖向反力与其相应简支梁的竖向反力拱的竖向反力与其相应简支梁的竖向反力相等；相等；当荷载及跨度给定时，当荷载及跨度给定时，水平反力水平反力只与三个只与三个铰的位置有关而与拱轴线形状无关铰的位置有关而与拱轴线形状无关;而内而内力则与拱轴形状有关。力则与拱轴形状

7、有关。荷载与跨度一定时，荷载与跨度一定时，水平推力与矢高成反水平推力与矢高成反比比，且总是正的，故称内推力。扁拱的水，且总是正的，故称内推力。扁拱的水平推力大于陡拱。平推力大于陡拱。该组结论仅适合于平拱，且承受竖向荷载。该组结论仅适合于平拱，且承受竖向荷载。2 2 竖向荷载作用下拱内力计算竖向荷载作用下拱内力计算截面的外法线（即该处切线）与水平方向的倾角截面的外法线（即该处切线）与水平方向的倾角k规定左规定左半拱为正，右半拱为负。拱截面弯矩通常以内侧受拉为正，半拱为正，右半拱为负。拱截面弯矩通常以内侧受拉为正，轴力以受压为正。轴力以受压为正。二、内力的计算二、内力的计算FHBAC fl1l2P

8、1xykkyP2a1b1a2b2lFAyFByFHxkkBACP1P20yAF0ByFk P FSkFNkMkFHFAy1100100axPxFMPFFkkAykAykSkHkkHkkAykHkkAykkyFMyFaxPxFyFaxPxFMM0110110则kHkkSkHkAykHkkAykSFFFPFFPFFsincossincossincoscos0101kHkkSkHkAykHkkAykNFFFPFFPFFcossincossincossinsin0101 0Fy 0Fx第二节第二节 竖向荷载作用下三铰拱的受力分析竖向荷载作用下三铰拱的受力分析 三铰拱的内力不但与荷载及三个铰的位置有关，

9、而三铰拱的内力不但与荷载及三个铰的位置有关，而且与拱轴线的形状有关；且与拱轴线的形状有关；由于推力的存在，拱的弯矩比相应简支梁的弯矩要由于推力的存在，拱的弯矩比相应简支梁的弯矩要小小;三铰拱在竖向荷载作用下内力受压为主三铰拱在竖向荷载作用下内力受压为主;公式是以左半跨推导的，对右半跨取角度为负即可；公式是以左半跨推导的，对右半跨取角度为负即可；第二节第二节 竖向荷载作用下三铰拱的受力分析竖向荷载作用下三铰拱的受力分析 内力图均不再为直线；内力图均不再为直线；集中力作用处，剪力图将发生突变；在计算剪力集中力作用处，剪力图将发生突变；在计算剪力和轴力时，必须区分左截面和右截面。和轴力时，必须区分左

10、截面和右截面。集中力偶作用处，弯矩图将发生突变；集中力偶作用处，弯矩图将发生突变；上述公式仅适合于平拱，且承受竖向荷载情况；上述公式仅适合于平拱，且承受竖向荷载情况；拱的内力仍然有拱的内力仍然有FQ=dM/ds第二节第二节 竖向荷载作用下三铰拱的受力分析竖向荷载作用下三铰拱的受力分析1 1 竖向荷载作用下拱反力计算竖向荷载作用下拱反力计算2 2 竖向荷载作用下指定截面内力计算竖向荷载作用下指定截面内力计算 3 3 拱的内力图拱的内力图第二节第二节 竖向荷载作用下三铰拱的受力分析竖向荷载作用下三铰拱的受力分析FP=8kNq=2kNm xlxlfy 24CABl=16mf=4mkNH12FFFBx

11、AxkN 14 AyFkN 10 ByF1 1、支座反力计算、支座反力计算例题：例题：三铰拱及其所受荷载如图所示拱的轴线为抛物线方三铰拱及其所受荷载如图所示拱的轴线为抛物线方程程 计算反力并绘制内力图计算反力并绘制内力图 解解 FAyFAxFBxFBy第二节第二节 竖向荷载作用下三铰拱的受力分析竖向荷载作用下三铰拱的受力分析 解解 2 2、求截面、求截面 3 3 内力内力)(42xlxlfy )(ddlxlfxy21433 y21tan3 mkN 4H033yFMMkN 0sincosH03S3FFFSKNFFF416.13cossinH03S3NFP=8kNCABl=16mf=4mq=2kN

12、mFP2=8kNq=2kNm3 10142FS(kN)6m4第二节第二节 竖向荷载作用下三铰拱的受力分析竖向荷载作用下三铰拱的受力分析曲拱计算步骤：曲拱计算步骤：利用平衡方程求出拱的约束反力；利用平衡方程求出拱的约束反力；绘制代梁的弯矩图和剪力图；绘制代梁的弯矩图和剪力图；利用拱的曲线方程计算拟求截面的位置（利用拱的曲线方程计算拟求截面的位置（x,y,）；）；代入拱内力计算公式计算该截面内力。代入拱内力计算公式计算该截面内力。所求截面转角，实质是求相关函数（所求截面转角，实质是求相关函数（sin 和和 cos 值），可值），可利用三角边的关系求出；利用三角边的关系求出；顶铰左右部分截面转角分正

13、负；顶铰左右部分截面转角分正负；集中力作用点剪力图和轴力图有突变，应给予注意。集中力作用点剪力图和轴力图有突变，应给予注意。几点说明：几点说明：第三节第三节 竖向荷载作用下三铰拱的内力特点竖向荷载作用下三铰拱的内力特点40484036综合弯矩图是两种弯矩图叠加的结果（注意是竖标的叠加，综合弯矩图是两种弯矩图叠加的结果（注意是竖标的叠加，或称代数叠加），即两个曲线所夹部分，可见弯矩很小。三或称代数叠加），即两个曲线所夹部分，可见弯矩很小。三铰拱弯矩下降的原因完全是由于推力造成的。铰拱弯矩下降的原因完全是由于推力造成的。yFMMKKH 00KMyFH绘弯矩图绘弯矩图第三节第三节 竖向荷载作用下三铰

14、拱的内力特点竖向荷载作用下三铰拱的内力特点 拱结构的优点拱结构的优点：选用耐压性能好而抗拉性能差的砖石、混凝：选用耐压性能好而抗拉性能差的砖石、混凝土材料，节省用料，重量轻，可用于大跨、大空间结构。土材料，节省用料，重量轻，可用于大跨、大空间结构。拱结构的缺点拱结构的缺点：由于推力的存在，所以对基础的要求较严；：由于推力的存在，所以对基础的要求较严；拱轴的曲线形状不便于施工（有时为减轻拱对基础的压力，拱轴的曲线形状不便于施工（有时为减轻拱对基础的压力，常使用拉杆、桁杆布置）常使用拉杆、桁杆布置）第四节第四节 三铰拱的合理轴线三铰拱的合理轴线只限于三铰平拱受只限于三铰平拱受竖向荷载作用竖向荷载作

15、用yFMMH 0fMMFMyC000 H在荷载、跨度、矢高给定时，在荷载、跨度、矢高给定时，FH是一个常数是一个常数.合理拱轴线合理拱轴线与相应的简支梁的弯矩图形状相似，对应竖标成比例。在与相应的简支梁的弯矩图形状相似，对应竖标成比例。在荷载、跨度给定时，合理拱轴线随荷载、跨度给定时，合理拱轴线随 f 的不同而有多条的不同而有多条,不不是唯一的。是唯一的。0 第四节第四节 三铰拱的合理轴线三铰拱的合理轴线lfqqx例题：例题：给定对称三铰拱铰的位置（给定对称三铰拱铰的位置（l,f）和荷载形式）和荷载形式(均布荷均布荷载载),),求其合理拱轴线形状。求其合理拱轴线形状。2081qlMC 2H81

16、qlfF )(xlqxqxqlxM 21212120)(4200 xlxlffMMyCM图第四节第四节 三铰拱的合理轴线三铰拱的合理轴线一种合理轴线只对应一种荷载，荷载布置改变，合理拱轴一种合理轴线只对应一种荷载，荷载布置改变，合理拱轴亦改变。亦改变。荷载确定、拱脚位置确定，则顶铰位置决定水平反力，因此，荷载确定、拱脚位置确定，则顶铰位置决定水平反力，因此，有无限多个相似图形可作合理拱轴有无限多个相似图形可作合理拱轴三铰位置确定，合理拱轴唯一确定三铰位置确定，合理拱轴唯一确定设计时只能根据主要荷载选择近似合理拱轴设计时只能根据主要荷载选择近似合理拱轴第四节第四节 三铰拱的合理轴线三铰拱的合理轴线a.a.三铰拱在均匀水压力作用下，合理轴线为一圆弧三铰拱在均匀水压力作用下，合理轴线为一圆弧constN qFR第四节第四节 三铰拱的合理轴线三铰拱的合理轴线b.b.在填土重量作用下，三铰拱的合理轴线是一悬链线在填土重量作用下，三铰拱的合理轴线是一悬链线)1ch(xFqyHc 作业：作业：三铰拱及其所受荷载如图所示，拱的轴线为抛物线：三铰拱及其所受荷载如图所示，拱的轴线为抛物线：y=4fx(l-x)/l2，求支座反力，并绘制内力图。，求支座反力，并绘制内力图。10kN3kN/m6m3m3m4m)(42xlxlf)(xyD ACB