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1、郭彦林 ， 等： 钢拱结构设计理 论与我 国钢拱结构技术规程 钢拱 结构设计理论 与我 国钢拱 结构技 术规 程 * 郭彦 林窦 超 ( 清华大学土木 系 ， 北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘 要 ： 钢拱 结构在竖 向荷载作 用下拱脚 产生水平推力 ， 将 外荷载产 生的弯矩转化为 轴向压 力， 具有 较 高的 结构承 载效率 。作 为承 受压 力和 弯矩为主的构件 ， 钢 拱结构的稳定性 能成为研究和设计 中的主要 问题 。钢拱 结构稳 定 问 题的复杂性导致其稳 定承 载力设计理论的研究和应 用严 重滞后 于工程 实践 。 目前 国 内外 均无较 完善 的设计规 范 或相关规程 ，
2、我国正在编制的 J G J 铜拱 结构技术规程 将在 大量研 究成果基础上补充这 方面的 内容。 关 键 词 ： 钢 拱 结 构 ； 稳 定性 ； 设 计 理 论 ； 技 术 规 程 DES I GN THEoRY AND CHI NES E TECHNI CAL S PECI FI CATl oN F oR S TEEL ARCH S TRUCTURE ABSTRACT： A s t e e l ar c h s u e c t e d ma i nl y t o pu r e c o mpr e s s i o n or b ot h c ompr e s s i on an d be n
3、 di ng mome nt i s c o nt r ol l e d b y i t s s t a bi l i t y b e ha v i or i n t he de s i gn The ma i n c ha r a c t e r i s t i c s a r e po i n t e d out i n t hi s pa p e r whe n i t l o s e s s t a b i l i t y i n i t s i n p l a n e a n d o u t o f - p l a n e o f s t e e l a r c h I t i s
4、t h e c o m p l e x i t y o f s t a b i l i t y o f s t e e l a r c h e s t h a t ma k e s t h e s t u dy an d a pp l i c a t i on t o t he m n ot s a t i s f y t h e r e qu i r e me nt s of pr ac t i c a l e n gi ne e r i n g，a nd s o f a r t he r e ar e f e w c od e s r e l a t e d t o t h e s t a
5、 b i l i t y d e s i g n o f a r c h e s wo r l d wi d e Re c e n t l y a p l a n i s ma k i n g t o a t t e mp t t o f o r m C h i n e s e Te c h n i c a l S P c c “ o f o r S t e e l Ar c h S t r u c t u r e( J GJ )b a s e d O l l p l e n t y o f r e s e a r c h e s KEY W ORDS： s t e e l a r c h s
6、 t r u c t u r e；s t a bi l i t y； de s i g n t he o r y； t e c h nc i a i s p e c i f i c a t i o n l 概 述 钢 拱 结 构在 竖 向荷 载作 用 下 ， 支 座 产 生 水 平 推 力 ， 将 外荷 载产 生 的弯矩 转化 为轴 向压 力 ， 从 而使得 其 与梁 系构 件在 受力 性能 上存 在本 质差 别 。相 同条 件 下 ， 拱 截 面上 的弯矩 要 远小 于 同跨度 梁 系结构 ， 提 高了结构的承载效率， 因此钢拱结构也称 为推力结 构 。图 1给 出 了沿 全跨 竖 向均 布
7、荷 载作 用及 半跨 竖 向均 布荷 载作 用下 ， 钢 拱 结 构 与 同跨 度 直 梁 或 曲梁 ( 无水平推力) 弯矩 的比较 ， 其 中 M0为无推力结构 的最大弯矩 ， 可见钢拱结构 的最大弯矩只有同跨度 直 梁或 曲 梁 的 1 3 。 因此 ， 钢 拱 结 构 能 够 提 供 充 足 的内部空间， 以其较高的结构承载效率 ， 在土木工程 中得 到 了广 泛 的应用 。 、 一 2、 7 0 ： ， 位 置 、 _ ) 1 0 ， -0 1 5 b a 两铰拱 、 曲梁与直梁示意 b 全跨竖 向均布荷载作用下 ； c 1 一f l o 1 o ； 2 l o 3 0 ； 3 f l
8、 = 图 1 两铰拱弯矩分布 钢拱 结 构 具 有 重 量 轻 、 强 度 高 等 良好 的力 学 性 能， 非常适合于桥梁 、 体育场馆等大跨度和超大跨度 结构( 图 2 ) ， 其主要结构形式有实腹式钢拱 、 格构式 钢拱和索 一拱结构 3大类 。实腹式钢拱包括普通截 0 乏 - 0、 位置 c 一半跨竖向均布荷载作用下 0 5 0 ( 1 *国家 自然科学 基金资助项 目( 5 0 4 7 8 0 1 3 ) ； 拱形钢结构技 术规 程 资助项 目。 第一作者 ： 郭彦林 ， 男， 1 9 5 8年 1 O月 出生 ， 教授 ， 博士生导师 。 Ema i l ： gy l ma i l
9、 t s i n gh u a e d u c n 收稿 日期 ： 2 0 0 81 2一l 9 S t e e 1 C0 n s t r u c t i o n 2 0 0 9( 5 )，Vo 1 2 4 No 1 2 0 59 C B O 呈l U U n m n T a ， Y g E D 标 准 与规 范 面钢拱 以及 腹板开 洞 拱 ， 一 般 应用 于 中小 跨 度 结构 ， 其 中腹 板开 洞拱继 承 了拱和开 洞构 件 的特点 ， 除 了承 载效率高外 ， 通常在结构通透性要求较高的情况下应 用 。格 构式 截面拱 则 是 钢拱 结 构 与 桁 架结 构 的衍 生 体 ， 以其
10、 曲线 形式 实 现 弯矩 向轴 力 的转 化 ， 并 通 过 格 构的方式将弯矩转化为弦杆的轴力 ， 具有更大的结构 承载效 率 ， 适 用 于大跨 度及 超 大 跨度 空 间结 构 。索 一 拱结 构通过 合理 的布 索 ， 减小 拱在 承受 荷载 时对支 座 产生 的水平 推力 ， 可 以有效控 制 纯拱结 构在 非对称 荷 载下 的变 形 ， 极 大 改 善 了其 整 体 刚度 和极 限 承 载 能 力 。 同时 ， 更重要 的是 通 过合 理 布 置 拉索 ， 可改 善 纯 拱结 构对 缺陷 的敏感 性 。 一 一 啊 一 一 d a 普通实腹 截面拱 ； b 一腹板开洞拱 c 格构
11、式截面钢拱 ； d 索拱结构 图 2钢 拱 的形 式 钢拱结 构 的设计涉 及 到强度 计算 、 刚度 控制 以及 稳定 性计算 几 大方 面 ， 其 中后者 是钢拱 结构 设计 中 的 重 点和难 点 。一般情 况下 ， 作为 大跨 度结 构 中的主要 受 力构件 ， 拱 的最大 变 形 往 往 限制 在 一 定 范 围 内 ， 非 线 性不 是很 突出 。因此 ， 进行钢 拱结 构刚 度控制 计算 时 ， 变形 计算 可 以仅 考虑 线性部 分 。 当承 受较 大荷 载 或拱 的跨度较 大 时 ， 变 形 的二 阶效 应 显 著 ， 需 采 用有 限挠度 理论进 行 分 析 。通 常按 照
12、 二 阶 分 析得 到 的 弯 矩会 与一 阶理论计 算结 果有 差别 ， 而轴 力影 响不大 。 作为 承受压 力和 弯矩 为主 的构件 ， 钢拱 结构 的稳 定性能成为研究 和设计中的主要问题 。与直杆构件 相 比， 其稳 定性 能影 响 因素众多 ， 如拱 铰数 量 ( 支 承条 件 ) 、 轴线 形式 、 截 面形式 、 矢跨 比、 长 细 比以及荷 载作 用 形式 等 ， 又 因拱结 构 具 有 多种 失 稳 形 式 ， 如 弹性 分 支失稳 、 二次分岔失稳、 极值 点失稳等。特别是钢拱 的平面 外失稳 ， 较平 面 内失稳 更加 复杂 ， 涉及 到弯 曲 、 扭转 、 翘 曲行
13、为相 互影 响与 耦 合 ， 该 方 面 的研 究 目前 还不是 很多 ， 这些 都给钢 拱稳 定 问题 的研 究带 来极 大 的难度 。因此 ， 钢 拱结构 稳定 问题 的复杂 性 导致其 承 载 力设计 理论 的研 究严 重滞 后于工 程 实践 。 目前 ， 仅 有 少 数 国家 ( 如 德 国 D I N 1 8 8 0 0 与 美 国 S S R C ) 在本 国钢结 构设计 规范 中体 现 出拱 的稳 定性 计算方 法 ， 且 非 常不 完善 ； 我 国钢结 构设计 规范 或相关 规程 中 尚没 有 反 映拱 的稳 定性 计算 方 法口 ， 目前 正 在编 制 的 ( J G J )
14、 钢 拱结 构技 术规程 有 望补充 这方 面 的内容 。 2钢 拱结 构的设 计理 论 2 1钢拱 的 受力性 能与 失稳机 理 钢拱结 构失 稳 时 的破 坏 机理 主要 包括 两 个 方 面 的 内容 ： 一 是钢拱 在 失稳过 程 中荷载 一位移 历程 的发 展 即平 衡路 径 的跟踪 ； 二是 内力 如何 随着荷 载 一 位 移 历程 在拱轴 线 内 的变 化 。 内力 变化 与 变 形 的发 展 二 者相 互影 响 ， 构 成 了钢 拱 失 稳破 坏 机 理 的 主要 内容 。 对 钢拱 内力分 布规律 进行 充分 的研究 与掌 握 ， 是 进一 步研 究其 失稳 破坏机 理 的基
15、础 。 图 3 给 出工形截面 ( 4 0 0 minx 3 0 0 mm1 4 m m 1 0 mm， 跨度 为 2 0 m) 两铰 圆弧拱承受全跨 均布竖 向荷 载 以及 半跨均 布竖 向荷载作 用 时 ， 在 不 同矢 跨 比下线 弹性 内力 沿轴 线分 布变化 情况 ， 其 中 N。 一q R 为 纯压 拱 的轴 力 ( q为分 布荷 载 ， R 为 圆弧 拱半 径 ) ； M。为相 同跨度 的简 支梁 的最 大弯矩 。在 全跨荷 载作用 下 ， 当 矢 跨 比较小 时 ( 厂 z 一0 0 5 ， 0 1 0 ) ， 拱 内轴力 分布 比较 均匀 ， 且接近纯压拱轴力， 拱内弯矩主要分布为正弯 矩 ， 负弯矩分 布 区域 及 幅值 均 较 小 ， 拱 边缘 纤 维 最 大 压应 力 的位 置在 拱顶 上翼缘 。随着矢跨 比的增大 ， 拱 的轴 力分 布趋 于不 均匀 ， 沿拱 顶 至 拱 脚逐 渐 增 大 ， 同 时拱 内负 弯矩 幅值 略大 于正 弯矩 。此 时 1 4和 3 4 跨度附近的下翼缘为压应力最大位置。半跨荷载作 用下 ， 随着矢跨 比的增 大 ， 拱 的轴 力 分布 由较 为均 匀 趋 于不 均匀 ， 承受半 跨 荷
