【鋼結構·技術】拱的力量
作者:管理員    發布於:2019-02-16 16:50:41    文字:【】【】【

拱是常見的結構形式,其形態呈弧形,以軸壓為主,因此,它比梁式的結構跨越能力更強。在橫平豎直的建築世界中,拱的出現為建築的形態增加了更多生機。今天,就為大家介紹一下拱結構。

拱的起源

砌築拱

拱的起源非常古老,可追溯到古埃及和美索不達米亞文明。但完成拱的技術,並真正開始使用的是羅馬人。

羅馬時代的主要建築材料是從各地獲取的石材和磚,然後將這些材料一塊塊地砌築起來。這種方法即“砌築法”。在砌築結構中,相鄰的石塊和磚相互之間可傳遞很大的壓力,而在拉力作用下,磚石之間很容易分離(采用砂漿進行連接時,也沒有什麽改觀)。因此,在粘合劑強度未得到突破的古代,砌築拱成為歐洲建築的重要結構形式。

羅馬時代的渡槽

而以中國為代表的東方,發展出以木結構為主的建造方式,連接采用榫卯。砌築拱並沒有得到太大發展。

趙州橋

砌築拱的原理

要理解拱的原理,最好從相反的結構(懸索結構)開始研究。在兩個支座之間連一根懸索,假設在中間作用兩個集中力,則懸索的形態如下所示。此時,懸索中僅有拉力,在支座處產生向上的反力。將懸索鏡像,則在上述集中力作用下,結構中將產生與拉力大小相同的壓力。這就是“壓力線”,表明了拱中壓力的傳遞路徑。

若沿懸索的長度施加均布荷載,則懸索的形狀就會變成懸鏈線形狀。因此,拱在均布荷載作用下,壓力線是反向懸鏈線形狀。

隻要壓力線在拱截麵的範圍內,拱就不會發生破壞。但是一旦壓力線超出了拱的截麵範圍,壓力線超出位置的相反側位置(圖中標記為X),就會產生拉力,該處石塊就會產生分離的趨勢。若有超出壓力線的位置達到4處,拱就會發生破壞。如下圖所示。

拱腳推力的處理方法

在推力作用下,拱腳會有張開的趨勢。為解決這個問題,一般會有以下幾種處理方式。

一是采用較大的基礎或扶壁,直接將推力傳遞給地基。二是布置連續拱,推力在橫向相互抵消,豎向力可僅由柱子支撐。

近代拱結構

鐵拱的時代

由石塊和磚砌築而成的拱抗拉能力很弱,在所有荷載條件下,壓力線需要充分位於拱內部,因此,不適合應用於較大或特殊荷載條件下的結構。

與此相對,鋼鐵和鋼筋混凝土的現代拱結構,即使壓力線位於拱外,在拱截麵內產生拉力,仍然能夠承受。因此,在砌築拱條件下不可能建造的大跨度拱也成為可能,並且可以承受像列車那樣的移動荷載。

Garabit高架橋

法國南部的Garabit高架橋是近代初期拱結構橋梁的典型代表。該拱橋是單線鐵路橋,由埃菲爾設計,總重3587噸,完成於1884年。拱的跨度為165m,在當時以跨度最大而聞名。拱的中心線為拋物線,由桁架構成。拱由抗拉性能良好的鍛鐵建造,柱子則由抗壓性能較強的廉價鑄鐵建造。

Garabit高架橋

拱的寬度,在拱腳部分為20m,頂部為6m,主要考慮到抵抗垂直於拱麵的風荷載。在中間部分,拱和梁並沒有製作成一個整體,而是保持各自的形狀貫通過去,這大概就是該鐵道橋造型較明快的一個原因。

 隨著時代的發展,在19世紀後半葉,出現了以貝西默法、西門子等為代表的煉鐵技術革命,鋼鐵應運而生。

機械館

1889年,為紀念法國大革命100周年而舉行的巴黎萬國博覽會上,機械館以三鉸拱的形式震驚世人。拱截麵為桁架格構形式,共計20榀鋼拱形成寬115m、長420m,內部毫無阻擋的龐大室內空間。

機械館柱腳

拱腳在基礎收小至一個點,可見當時對三鉸拱的受力特點已是非常了解。拱的材料采用了當時最新的材料——軟鋼。機械館在1910年被拆除。

布雷斯勞世紀館

混凝土拱的時代

混凝土拱結構比鐵拱的發展稍晚。人們應用鋼筋混凝土技術,最初實現的是布雷斯勞世紀館(jahrhunderthalle),規模超過了羅馬時代的梵蒂岡萬神廟,於1912年建造。整個結構雖然缺少優雅的感覺,但充分體現了鋼筋混凝土拱的跨越能力,對之後的拱結構發展起到很大作用。


奈爾維被稱為混凝土詩人,1935-1942年,奈爾維設計了8座飛機庫,都采用鋼筋混凝土網狀落地桶拱,簡單的幾何圖案重複編織,具有非常好的結構承載性能。

奈爾維設計的機庫

1947~1949年奈爾維負責建造意大利都靈展覽館B廳(Torino Esposizioni)。跨度 97米的拱形屋頂采用鋼絲網水泥預製的V字形斷麵構件,實現輕鬆跨越。拱兩端每三根構件合為一根斜柱,展現了力與美的結合。

都靈展廳

羅伯特·馬亞爾對三鉸拱橋梁情有獨鍾,薩爾基納山穀橋主跨90m,全長133m,橋寬3.5m,混凝土箱形截麵三鉸拱結構。拱的截麵形狀契合了拱結構的彎矩包絡圖(對稱和非對稱荷載)。它鑲嵌在阿爾卑斯山的山穀間,白色的橋身在藍天和青山的背景映襯下顯得格外清新。

▲薩爾基納山穀橋

現代拱結構

布羅德蓋特交易大樓

(Broadgate Exchange House)

拱結構對現代建築的造型產生了各種各樣的影響,拱的元素使得建築的造型更加多元化。

布羅德蓋特交易大樓正立麵

布羅德蓋特是倫敦金融城的一個占地32英畝的大型辦公區域,1986年,當時的英國總理撒切爾解除了對倫敦股票市場的管製,之後倫敦金融城迅速成長為全球金融中心。因此,90年代的布羅德蓋特區域需要建設大量的辦公樓。

▲建造中的布羅德蓋特交易大樓

布羅德蓋特交易大樓受力草圖

Arup與RosehaughStanhope Developments和英國鐵路(BR)合作,設計了最初的總體規劃和幾座建築,而Skidmore,Owings&Merrill(SOM)設計了其餘的建築。本文介紹交易大樓位於進出利物浦站(一個主要通勤樞紐)的軌道上方。

交易大樓的難點在於如何跨越底部的列車軌道,SOM給出的解決方案是——鋼拱。暴露在結構外麵的拋物線拱跨越鐵軌,既展現了動感的外觀,又有著高效的材料利用效率。

交易大樓共10層,由四個7層高的鋼拱支撐,拱腳落在鐵軌兩旁的混凝土柱子上。柱子之間的淨距達到78m。底部則是一層樓高的桁架,支撐起首層廣場。

玻璃幕牆的外麵,鋼拱與柱子直接相連。鋼拱采用以直代曲的方式,直線鋼構件拚接點位於鋼柱和鋼拱的交點。鋼梁直接與鋼柱相連,內部采用桁架梁,與鋼柱連接的節點處為實腹梁。力流的傳遞路徑是:樓板—鋼梁—鋼柱—拱—基礎。輕鬆地創造了內部比較自由的無柱辦公空間。

為了保證拱的穩定性,SOM采取了兩個措施。首先,在拱的上部區域,為了讓樓板對拱形成“橫隔板”一樣的約束,在拱平麵內布置鋼梁,且通過斜撐,將鋼梁與樓板組成一個整體。

▲鋼梁與樓板之間的斜撐

另一個措施,立麵上輻射狀斜撐從二層中點撐向拱的兩個三分點,這兩個支撐有效增強了拱在不均勻荷載下的剛度和穩定性。

▲有無斜撐時,不均勻荷載下的變形圖

拱柱腳推力很大,為了解決推力,在底部通過拉杆連接兩個拱腳。拱腳一端是固定鉸支座,一端是滑動橡膠支座。

▲拱腳和拉杆節點

要把承重鋼結構完美地暴露出來,防火是繞不開的問題。如果柱子支撐等豎向構件的防火要求是三小時,那麽拱需要采用厚型防火塗料,則亞遊看到的建築效果將大打折扣。

因此,SOM采用了一種經過特殊處理得雙層防火玻璃,通過這種玻璃將外露的結構與火源或熱源隔離開,說服當地消防部門在外露的鋼結構上采用膨脹型防火塗裝。所以,亞遊看到鋼拱和柱子是位於幕牆玻璃外側的。

布羅德蓋特交易大樓側立麵

多摩藝術大學圖書館(Tama Art University Library)

多摩藝術大學圖書館2007年建成,由伊東豐雄擔綱建築師,佐佐木睦朗負責結構設計。建築麵積不大,地下一層,地上兩層。

圖書館的設計理念是希望為學生創造出一種更隨意、親密的環境,打破校園傳統、保守的氣氛。浮動的網格是其設計理念的核心,伊東希望創造出不斷變化的空間感受。

圖書館一層和二層平麵組織方式基本相同,網格體係以曲線縱橫相交,貌似隨意的網格和功能是緊密配合的。根據不同功能,需要劃分不同的空間範圍。十字拱比“梁板柱”更能滿足這一需求,它對空間的分隔較隔牆更活潑,較直接開敞更有領域感。

在結構方麵十字柱可以很好的解決拱的推力問題,在受力上亦很合理。拱的厚度才200mm,內嵌12mm厚鋼板。鋼板在混凝土的包裹下,穩定問題得到解決。在柱腳範圍,混凝土厚度加厚到400。

清水混凝土外露在室內,整個建築中可以感受到結構帶來的力與美,但又不顯得結構突兀。

其他拱形建築

Ludwig Erhard Haus(柏林證券交易中心及商會)

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