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砖砌拱
  1. 拱顶石
  2. 拱石英语Voussoir
  3. 拱背线
  4. 拱脚英语Impost (architecture
  5. 拱腹线
  6. 拱高
  7. 净跨距
  8. 拱台英语Abutment
万里长城上的拱门

为常见建筑结构之一,型态定义为中央上半成圆弧曲线。拱早期经常运用于跨迳大的桥梁或门首。又可分为箱形拱、圆弧拱、双曲拱、肋拱、桁架拱、刚架拱等。近年来,各国于诸如拱桥的设计上,除了讲究安全实用外,也强调拱轴线优化,连拱计算、拱式建筑荷载横向分布,使各种形式拱式建筑于完善。

拱最早是出现在公元前二千年的美索不达米亚的砖建筑[1],不过一直到古罗马时期才开始有系统的将拱应用在许多建筑结构中。

基本概念

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拱属于纯压力结构[2][3][4][5],可以在有大跨度的情形下,将受力转换为各元件的压应力,而不会有张应力。有时会称为“拱圈作用”(arch action)[6]。当拱结构的受力带到地面时.拱结构会对基地施下一往外的力,称为“拱推力”。当拱的高度下降时,其往外的拱推力也会变大[7]。为了维持拱圈作用,避免拱结构倒塌,需要抑制往外的拱推力,可能是利用内部的拉杆或是外部的支撑,例如拱台英语abutments[8]

固定拱以及铰接拱

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最常见的几种真拱为固定拱、两铰拱(two-hinged arch)及三铰拱(three-hinged arch)[9]

固定拱最常用在跨度较小的钢筋混凝土桥以及隧道。固定拱需承受内部结构因为温度变化产生的热胀冷缩,因此是静不定结构[8]

两铰拱(two-hinged arch)最常用在大跨度的桥[8]。这种拱在其拱的底座是由铰支承固定旳,和固定拱的底座不同,铰支承可以旋转[10],让结构可以形变,以配合因为室外温度变化产生的热胀冷缩。不过仍然会有额外的应力,因此两铰拱仍然是静不定拱,不过情形比固定拱要好很多[8]

三铰拱(three-hinged arch)不止在底座有铰支承固定,在其顶点也有有铰支承固定。因此可以在水平及垂直的方向变形,以配合因为室外温度变化产生的热胀冷缩。这种拱没有因为热胀冷缩产生的应力,因此是静定结构[9]。三铰拱最常用在中等跨距的拱,例如大型建筑的屋顶。三铰拱的另一个好处是铰支承底座比固定式底座好施工,可以在中等长度范围内使用浅的,轴承型基础。在三铰拱中,拱的热热胀冷缩会让顶点有垂直方向的位移,但二个底座不会有太大的影响,这可以简化底座的设计[8]

类型

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拱主要可以分为三拱:圆拱、尖拱以及抛物线拱。拱也可以用在拱顶拱廊[8]

圆拱也称为半圆拱,常用在用重砌体建造的古代拱门[11]。古罗马建筑大量的使用圆拱,而且有很大的跨距。会用许多圆拱接续排列,以形成拱廊,例如古罗马水道[12]

尖拱常出现在哥特式建筑[13]。尖拱相较于圆拱的好处,是尖拱在拱底部产生的横向推力较小。这可以让拱的高度提高,也可以有较多安排较密集出入口,这也是哥特式建筑的特点[14][15]

抛物线拱英语parabolic arch的原理是让质量平均分布在拱对地面的投影面上,其内部的压力会使拱出现抛物线的外形。在主要的拱造形中,抛物线拱产生的横向推力最大,但其跨距也是最大的。抛物线拱常用在需要大跨距的桥梁中[11]

结构

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加泰罗尼亚埃布罗河畔莫拉桥上的多拱抛物线拱桥

理论上,拱可以将所有结构荷重分解成压应力而减少消除结构内的拉应力。因此一些可以有效抵抗压力,但不能抵抗强大拉力、剪应力和扭力的材料,如石材和混凝土,用拱结构可以跨越很长的长度。不过拱承受拉应力的能力不强[16]

拱是因为所有的重量才能可以维持其结构,因此在施工时会出现问题。有一种解决方式是在拱下方架一个框架(以往会是木头的材质),框架的形状完全和拱下方的曲线一致,这称为拱模英语centring分块拱英语Voussoir会放在拱模上,直到整个拱完成,可以支持自身的重量后,才会移除拱模。兴建拱时,有时会需要脚手架,可以合并使用来支撑拱的重量。若拱的设计有问题或是施工不当,在移除拱模时,拱可能会倒塌。像在1940年代,苏格兰达尔马里英语DalmallyA85公路在第一次移除拱模时就倒了[来源请求]。拱的内侧曲线及下方曲线称为拱腹线(intrados)。

旧的拱因为拱顶石的老化,有时需要再补强,这称为bald arch英语bald arch

其他种类的拱

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犹他州拱门国家公园的精致拱门,是一座天然形成的拱门

盲拱英语blind arch是指一个拱的内部已被填满,因此没有门、窗或通道的功能。

自然界石头也可能形成拱的形状。天然拱是指因侵蚀作用形成的拱,不是用人工挖掘或建筑而成,像美国犹他州的拱门国家公园中就有许多天然拱。

有一种特殊的拱称为凯旋门,其建造目的是在庆祝战争的胜利,例如法国巴黎的巴黎凯旋门即为一例。

相关条目

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参考文献

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  1. ^ Ancient Mesopotamia:Architecture. The Oriental Institute of the University of Chicago. [16 May 2012]. (原始内容存档于2012-05-16). 
  2. ^ Chilton, John; Isler, Heinz. The Engineer's Contribution to Contemporary Architecture. Thomas Telford. 2000: 32. ISBN 9780727728784 (英语). 
  3. ^ Arches and Domes. oer2go.org. [2019-07-29]. (原始内容存档于2019-07-29). 
  4. ^ Adriaenssens, Sigrid; Block, Philippe; Veenendaal, Diederik; Williams, Chris. Shell Structures for Architecture: Form Finding and Optimization. Routledge. 2014-03-21: 8. ISBN 9781317909385 (英语). 
  5. ^ Sandaker, Bjørn N.; Eggen, Arne P.; Cruvellier, Mark R. The Structural Basis of Architecture. Routledge. 2013-01-11: 326 [2020-09-15]. ISBN 9781135666873. (原始内容存档于2020-09-28) (英语). 
  6. ^ Vaidyanathan, R. Structural Analysis, Volume 2. USA: Laxmi Publications. 2004: 127 [2013-06-25]. ISBN 81-7008-584-5. (原始内容存档于2016-05-28). 
  7. ^ Ambrose, James. Building Structures. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. 2012: 30. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Ambrose, James. Building Structures. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. 2012: 31. ISBN 978-0-470-54260-6. 
  9. ^ 9.0 9.1 Reynolds, Charles E. Reynolds's Reinforced Concrete Designer's Handbook. New York: Psychology Press. 2008: 41. ISBN 978-0-419-25820-9 –通过Google Books. 
  10. ^ Luebkeman, Chris H. Support and Connection Types. MIT.edu Architectonics: The Science of Architecture. MIT.edu. [3 February 2013]. (原始内容存档于28 October 2012). 
  11. ^ 11.0 11.1 Ambrose, James. Building Structures有限度免费查阅,超限则需付费订阅. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc. 2012: 32. ISBN 978-0-470-54260-6. 
  12. ^ Oleson, John. The Oxford Handbook of Engineering and Technology in the Classical World. US: Oxford University Press. 2008: 299. ISBN 978-0-19-518731-1. 
  13. ^ Crossley, Paul. Gothic Architecture. New Haven, CT: Yale University Press. 2000: 58. ISBN 978-0-300-08799-4 –通过Google图书. 
  14. ^ Hadrovic, Ahmet. Structural Systems in Architecture. On Demand Publishing. 2009: 289. ISBN 978-1-4392-5944-3. 
  15. ^ MHHE. Structural Systems in Architecture. MHHE.com. [3 February 2013]. (原始内容存档于13 March 2013). 
  16. ^ Reid, Esmond. Understanding Buildings: A Multidisciplinary Approach. Cambridge, MA: MIT Press. 1984: 12. ISBN 978-0-262-68054-7. (原始内容存档于2 June 2016).