拱
提示：此条目页的主题不是栱。
拱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
[编辑]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[8]。
固定拱以及铰接拱
[编辑]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
[编辑]拱主要可以分为三拱：圆拱、尖拱以及抛物线拱。拱也可以用在拱顶及拱廊上[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中[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
[编辑]
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。分块拱会放在拱模上，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，苏格兰达尔马里的A85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。
其他种类的拱
[编辑]
盲拱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
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ Ancient Mesopotamia:Architecture. The Oriental Institute of the University of Chicago. [16 May 2012]. （原始内容存档于2012-05-16）.
- ^ Chilton, John; Isler, Heinz. The Engineer's Contribution to Contemporary Architecture. Thomas Telford. 2000: 32. ISBN 9780727728784 （英语）.
- ^ Arches and Domes. oer2go.org. [2019-07-29]. （原始内容存档于2019-07-29）.
- ^ 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）.
- ^ 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）.
- ^ 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）.
- ^ Ambrose, James. Building Structures. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. 2012: 30.
- ^ 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.
- ^ 9.0 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.
- ^ 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）.
- ^ 11.0 11.1 Ambrose, James. Building Structures
. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc. 2012: 32. ISBN 978-0-470-54260-6.
- ^ 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.
- ^ Crossley, Paul. Gothic Architecture. New Haven, CT: Yale University Press. 2000: 58. ISBN 978-0-300-08799-4 –通过Google图书.
- ^ Hadrovic, Ahmet. Structural Systems in Architecture. On Demand Publishing. 2009: 289. ISBN 978-1-4392-5944-3.
- ^ MHHE. Structural Systems in Architecture. MHHE.com. [3 February 2013]. （原始内容存档于13 March 2013）.
- ^ 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）.
