三鉸拱和三鉸剛架的內力計算
圖2—6(a)所示由曲桿組成的結構在豎向荷載作用下將產生水平反力,這種結構稱為 拱形結構。而圖2—6(b)所示的結構,在豎向荷載作用下其水平支座反力等于零,這種結 構稱為曲梁。圖2—6(c)所示為兩個曲桿由三個不共線的鉸與地基兩兩相連的三鉸拱,它 是工程中常用的靜定拱形結構,由于它的支座產生水平推力,基礎應具有相應的抗力,故 有時做成圖2—6(d)所示的拉桿拱,水平推力由拉桿來承擔。
三鉸拱由于存在水平推力,故拱軸截面中的彎矩比相同跨度相同荷載的簡支梁的彎矩要小,使拱成為主要是承受壓力的結構,可采用受壓性能強而受拉性能差的材料建造。與簡支梁相比,拱形結構可以跨越更大的跨度。
三鉸拱的有關術語表示在圖2—6(c)中,工程中常用的矢跨比f/l=0.5~1,常用的拱軸方程有二次拋物線,圓弧線,懸鏈曲線等。
(一)三鉸平拱在豎向荷載作用下的支座反力及內力計算
拱腳鉸在同一水平線上的三鉸拱稱為三鉸平拱。
支座反力
由圖2—7(a)所示三鉸拱的整體平衡條件及頂鉸C處彎矩為零的條件,可得支座反力的計算公式為
VA=VA0 (2—1)
VB=VB0 (2—2)
HA=HB=H=MC0 /f (2—3)
式中VA0、VB0、MC0分別為與三鉸拱相同跨度、相同荷載簡支梁(簡稱為三鉸拱的代 梁,圖2—7b)支座A、B處的支座反力及截面C的彎矩。
式(2—3)表明,在給定的豎向荷載作用下,三鉸拱的水平推力只與三個鉸的位置有關,而與拱軸線的形狀無關。當荷載與拱跨不變時,推力H與矢高f成反比,f愈大即拱愈高時H愈小,f愈小即拱愈平時H愈大。若f=0,則H為無窮大,這時三鉸已共線,體系為瞬變體系。
取圖2—7c所示的隔離體,并由隔離體的平衡條件,可得任意截面D的彎矩、剪力、軸力計算公式為
MD=MD0—HyD (2—4)
VD=VD0cosφD-HsinφD (2—5)
ND=VD0sinφD+HcosφD (2—6)
式中MD、VD、ND的正方向如圖2—7c所示,MD0、VD0為代梁D截面的彎矩、剪力,yD、φD的含意如圖2—7a所示。在圖示坐標系中,φD在左半拱內為正,在右半拱內為負。
三鉸拱的內力計算,除上述數解法外,還可用圖解法進行,可通過繪制三鉸拱的力多 邊形及壓力線(索多邊形)來確定其內力。