为什么圆顶结构能承载更大的压力

题目

为什么圆顶结构能承载更大的压力

答案

从2维的角度来分析梁和拱的受力：水平梁受竖直方向荷载时,由常识可知梁会向下弯曲,在梁的上半部分相当于水平方向受到压缩,下半部分相当于水平方向受到拉伸.由于一般常用材料特别是混泥土等抗压强度远远大于抗拉强度,如果是素混凝土梁,其破坏肯定开始于梁的下侧受到拉力最大的区域,所以一般混泥土梁都至少会在下侧配上钢筋加强其下侧的抗拉能力,从而增强整个梁的抗压弯能力.但从整个梁的受力特性来看这样的受力方式对材料的运用是很不充分的.首先是梁下侧的材料其抗压能力完全没有发挥,而上侧的受压侧其压力分布也很不均匀,越靠近上侧的区域压强越大,而靠近中心的区域几乎没有受到压力.因此有很多梁的截面会采用T型、箱型等,有的还会在上侧同样配上钢筋.拱的受力特性则不同.拱受到竖直方向荷载时,在拱内会产生沿拱方向的压力.如果受力预先确定,通过适当的设计拱的弧度可以实现：在受力时拱内只出现压力而不出现拉力的情况,相对普通梁而言更充分的发挥了材料的抗压能力.即便对于较“平坦”的受力特性接近梁的拱,这部分压力也有助于抵消一部分拱下侧产生的拉力,有助于提高整体的承载力.所以一般同等跨度和材料的情况下,拱形具有比普通梁更好的受力性能,如古代只有石料的时候就只有赵州桥这样的拱形结构才能达到几十米的跨度.圆顶只不过相当于拱扩展到了3维,受力更复杂但基本道理是相似的.早说是要给小学生讲解啊,害我打了半天字.跟小学生讲那就讲比较直观的理解,那就是一个杆平放着,上边有重物就会往下弯,弯多了就断了.圆顶是拱起来的,同样的重物往下压不容易往下弯,更结实.如果只是纯粹的圆形拱,没有其它连接构件的话,底部是会出现横向力的.横向力与下部结构产生的约束力平衡.