力学概念| 自平衡体系(一)

力学概念| 自平衡体系(一)

自平衡结构是指自身能够维持平衡状态的结构形态。对称是这类结构的显著性特征，因为自平衡结构的各个部分需要保持对称性，这样才能达到平衡状态。

拉杆拱

▲图1 拉杆拱

如图1所示，竖向荷载作用下，拱脚会产生水平推力，如果拱脚处没有较好的平衡此推力的条件，则会增加设计难度。如果在拱脚增加拉杆，形成自平衡结构，就很好的解决这一难题。

• 青岛北站

主站房屋盖为复杂的空间钢结构体系，拱形受力体系跨度为101.2m -148.7m不等，最大悬挑约30米，每榀拱形受力体系通过几何单元的变化来模拟飞鸟展翅的姿态，拱形体系支座之间设预应力拉索，以平衡水平力。屋盖结构直接落地，与下部高架候车层结构为互相独立的结构单元。

▲图2 青岛北站的拱形受力体系和基础拉索

• 南京奥林匹克体育中心

南京奥林匹克体育中心设计利用了拉杆拱原理。其屋盖支承在一对斜拱上，这两个拱对称地向外倾斜，图3所示。这两个拱在支座处产生了约13000kN的水平力。为了避免拱脚处的水平力直接传递到埋在软土中的桩基础上，在地下设置了8根直径为25mm、长度为400m的后张拉索连接每个拱的两端，以平衡巨大的水平力。

▲图3 南京奥体中心拱形受力体系

• 重庆菜园坝长江大桥

重庆菜园坝长江大桥主桥由420m的中跨和102m及88m对称分布的边跨、侧跨组成主桥总长800m,立面布置如图4所示，总体上由一对对称的预应力混凝土连续刚构-系杆中拱组成。

▲图4 重庆菜园坝长江大桥

桥面相当于拉杆拱的作用，平衡一部分拱肋传来的推力。这种结构形式至少部分构成了自平衡体系，从而有效地降低了下部推力。钢箱拱助与预应力混凝土Y形刚构的组合构造是三大核心设计之一。它将拱肋传递来的力，通过该结构细节，分传到混凝土 Y形刚构上。钢混凝土接头强度安全性与构造耐久性设计是接头设计的难点。

▲图5 特殊接头