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车辐式索拱结构浅析

(2015-02-25 10:30:06)
标签:

车辐拱

分类: 土木工程
      对于索形拱结构或索结构,寻找索形非常简单,因此它不是设计的关键,关键在于通过合适的方法约束索形构件,防止它的形状在(与索形不对应的)荷载作用下发生改变。对于索形拱结构,可以通过在拱下施加车辐式拉索来约束拱体,本文尝试通过一个非常简单的例子阐明其机理。(本文中“索形”译自英文单词“funicular”)

(一)桁架拱

      在恒载工况下,两个大小相等的集中荷载Fd作用在结构跨度的三等分点上,试构造一个带有水平拉杆的拱,且拉杆的拉力为P。根据“拉杆拉力为P”的条件,构造力多边形,进而绘制相应的索形,如图1 a)所示。由力多边形可见,在恒载工况下,腹杆12、23的内力为零。
      在右半跨活载工况下,一个集中力Fl作用在距离右侧支座1/3跨度的位置,如图1 b),由力多边形可见,腹杆12受拉,腹杆23受压。在索形图上,受拉、受压构件分别用虚线、实线表示,下同。为了约束拱体,腹杆需要采用既能受拉又能受压的杆件,下弦可采用柔性的拉索,通常称此类结构为桁架。

图1 桁架拱

(二)车辐拱

      将上述桁架拱下弦中点上移,腹杆12、23采用拉索,其余条件不变,可以得到一种新的结构。在恒载工况下,如图2 a),下弦索及腹索12、23均受拉;在半跨活载工况下,下弦索受拉,而腹索的受力性质与索盘位置有关,可以用参数h/H表达。如图2 b),当h/H<0.5时,腹索全部受拉;当h/H=0.5时,构件内力减小,腹索12受拉,腹索23受力为零;当h/H>0.5时,构件内力进一步减小,腹索12受拉,腹索23受压。在荷载组合(恒载+右半跨活载)作用下,当h/H≤0.5时,腹索全部受拉;当h/H>0.5时,腹索12受拉,腹索23可能受拉,也可能受压,取决于恒载与活载的大小比例。如果腹索受压,它将退出工作,拱体的形状将发生改变。综上可以得到结论:随着h/H的增大,结构承载效率增加,但稳定性能变差。《拱形钢结构技术规程(JGJ T249-2011)》根据郭彦林等的研究,建议索盘取矢高的一半位置(即h/H=0.5),认为此时结构稳定性及承载效率最优。为了防止拉索退出工作进而导致拱体形状发生改变,可以在索中施加预拉应力,这可以通过张拉下弦索实现。国内的文献称此种结构为车辐拱。

http://s13/mw690/001E8kswzy6Qfu0Y9Lmbc&690
图2 车辐拱

(三)在车辐拱中增加连接地面与索盘的拉索

      在车辐拱中增设一根连接地面和索盘的拉索,如图3 所示,新增索与地面为滑动铰支座,由此形成的新结构是一次超静定结构。在恒载工况下,结构将下挠,索cd将退出工作,结构转变为静定结构,受力模式与图2a)相同。在活载工况下,当h/H<0.5时,全部索将参与工作并受拉,结构仍然为一次超静定结构;当h/H>0.5时,索23由于受压经退出工作,结构转变为静定结构。总之,车辐拱新增连接地面与索盘的拉索后,不论h/H取值如何,结构都是稳定的。如果同时在索中施加预应力,拱体抵抗变形的能力将进一步增强。以美丽著称的法国斯特拉斯堡 (Strasbourg)火车站的扩建部分即采用此种结构形式,这将在随后介绍。

http://s2/mw690/001E8kswzy6Qfu3XQEpf1&690
图3 在车辐拱中增加连接地面与索盘的拉索

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