桁架分为哪三种(拱形钢结构类型和特点的详细讲解)

拱结构在承担竖向荷载作用时支座产生水平推力,利用其几何曲线将荷载作用转化为轴向压力，显著减小其弯矩和剪力,能够充分利用材料的强度。随着钢结构的发展，拱形钢结构因其自重轻、材料强度高、抗拉性能好、承载效率高、造型美观、施工安装方便等优点，在建筑结构和桥梁工程中得到了广泛的应用。

拱形钢结构类型

从结构类型来看，拱形钢结构主要分为实腹式截面拱和桁架拱两大类，如图中所示。其中实腹式截面拱包括普通截面钢拱腹板开孔钢拱及波形腹板钢拱等多种形式。实腹式截面拱一般用于中小跨度结构中，常用的截面形式有圆管、箱形及工字形截面等。当有设备管线穿过或建筑美观要求时，可选择腹板开孔钢拱。波形腹板钢拱由于腹板面外波折或波浪从而大大增强了腹板的面外刚度和剪切屈曲承载力。当实腹式截面拱采用圆管或箱形截面时，可在拱身内填充混凝土形成钢管混凝土拱，提高其刚度和稳定承载力，改善局部稳定性、耐火与耐久性能。桁架拱结合了拱和桁架的双重优势，以其曲线形式实现弯矩向轴力的转化，并通过格构的方式将截面弯矩转化为弦杆的轴力，具有更高的结构承载效率，常用于超大跨度空间结构中，如钢结构体育馆和桥梁工程中。

拱形钢结构棚盖

拱的受力与其轴线形式、矢跨比和拱脚边界条件等密切相关。拱轴线形式的确定原则是，在满足钢结构工程建筑外观要求的前提下。在主要荷载工况下尽量减小截面的弯矩，以轴压受力为主。常规的拱轴线形式有圆弧形抛物线形、悬链线形和椭圆形等。失跨比对拱内力大小与分布影响很大，一般需要根据工程建筑外观、承载效率、基础条件和通航限制等各方面因素综合确定。关于矢跨比的取值，当钢拱的跨度定时通常存在使其稳定承载力最高的最优矢跨比。

拱形钢结构的轴压特征明显，其稳定性计算成为设计中的关键问题，主要包括局部稳定性和整体稳定性两方面。局部稳定对于实腹式截面拱表现为翼缘或腹板的鼓曲，对于钢管桁架拱表现为腹杆或弦杆的屈曲。整体稳定性包括拱轴线的平面内稳定和平面外稳定。当屋面檩条、屋面板或支撑提供足够的平面外约束限制拱截面的面外位移和扭转时，只需验算拱的平面内稳定性。当面外无支撑或支撑不足时，整个钢拱或支撑间拱段会发生面外的空间弯扭失稳破坏，成为稳定设计的控制因素。拱形钢结构通常在全跨均布竖向荷载作用下具有较好的平面内稳定承载性能。

拱形钢结构

关于拱的截面类型，一般选择双轴对称的工字形开口截面或者圆管、箱形闭合截面。考虑拱形钢结构的平面外稳定时，采用闭合截面将获得较高的自由扭转刚度与平面外弯曲刚度，还可以灌人混凝土形成钢管混凝土拱。拱形钢结构的节点设计应遵循构造简单、整体刚度好、传力明确、安全可靠、节约钢材和施工方便等原则，节点选型可参照其他钢结构节，点形式，例如钢管桁架拱可以参考钢管桁架梁柱的节点构造处理方法。拱脚应采用传力可靠，连接简单的节点形式，其构造措施应保证与计算假定一致，铰接时应保证拱脚位置具有充分的自由转动能力，同时可以有效传递剪力和轴力，而固接时应保证其能可靠传递弯矩，反之则需要根据实际拱脚构造情况在计算中考虑节点的弯矩转角特性。对于非落地拱形钢结构、尚应重视下部结构的设计，确保下部支承结构具有足够的刚度和承载力以抵抗拱脚推力，当拱脚沉降或侧移较大时，应考虑对无校供与两较拱受力性能的影响，现行业《标准拱形钢结构技术规程》涵盖了结构与节点选型、荷载效应分析、强度及稳定性设计、制作安装及工程验收等各方面内容，可作为拱形钢结构设计的参考依据。