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為常見建築结构之一,型態定義為中央上半成圓弧曲線。拱早期經常運用於跨逕大的橋樑或門首。又可分為箱形拱、圆弧拱、雙曲拱、肋拱、桁架拱、剛架拱等。近年來,各國於諸如拱橋的設計上,除了講究安全實用外,也強調拱軸線優化,連拱計算、拱式建築荷載橫向分佈,使各種形式拱式建築於完善。

磚砌拱
  1. 拱頂石英语Keystone (architecture)
  2. 拱石英语Voussoir
  3. 拱背線
  4. 拱脚英语Impost (architecture
  5. 拱腹線
  6. 拱高
  7. 凈跨距
  8. 拱臺英语Abutment
萬里長城上的拱門
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拱最早是出現在公元前二千年的美索不达米亚的磚建築[1],不過一直到古羅馬時期才開始有系統的將拱應用在許多建築結構中。

基本概念编辑

拱屬於純壓力結構[2][3][4][5],可以在有大跨度的情形下,將受力轉換為各元件的壓應力,而不會有張應力。有時會稱為「拱圈作用」(arch action)[6]。當拱結構的受力帶到地面時.拱結構會對基地施下一往外的力,稱為「拱推力」。當拱的高度下降時,其往外的拱推力也會變大[7]。為了維持拱圈作用,避免拱結構倒塌,需要抑制往外的拱推力,可能是利用內部的拉桿或是外部的支撐,例如拱臺英语abutments[8]

固定拱以及鉸接拱编辑

最常見的幾種真拱為固定拱、兩鉸拱(two-hinged arch)及三鉸拱(three-hinged arch)[9]

固定拱最常用在跨度較小的鋼筋混凝土橋以及隧道。固定拱需承受內部結構因為溫度變化產生的热胀冷缩,因此是靜不定結構[8]

兩鉸拱(two-hinged arch)最常用在大跨度的橋[8]。這種拱在其拱的底座是由鉸支承固定旳,和固定拱的底座不同,鉸支承可以旋轉[10],讓結構可以形變,以配合因為室外溫度變化產生的热胀冷缩。不過仍然會有額外的應力,因此兩鉸拱仍然是靜不定拱,不過情形比固定拱要好很多[8]

三鉸拱(three-hinged arch)不止在底座有鉸支承固定,在其頂點也有有鉸支承固定。因此可以在水平及垂直的方向變形,以配合因為室外溫度變化產生的热胀冷缩。這種拱沒有因為热胀冷缩產生的應力,因此是靜定結構[9]。三鉸拱最常用在中等跨距的拱,例如大型建築的屋頂。三鉸拱的另一個好處是鉸支承底座比固定式底座好施工,可以在中等長度範圍內使用淺的,軸承型基礎。在三鉸拱中,拱的熱热胀冷缩會讓頂點有垂直方向的位移,但二個底座不會有太大的影響,這可以簡化底座的設計[8]

類型编辑

拱主要可以分為三拱:圓拱、尖拱以及拋物線拱。拱也可以用在拱頂拱廊[8]

圓拱也稱為半圓拱,常用在用重砌體建造的古代拱門[11]。古羅馬建築大量的使用圓拱,而且有很大的跨距。會用許多圓拱接續排列,以形成拱廊,例如古羅馬水道[12]

尖拱常出現在哥特式建筑[13]。尖拱相較於圓拱的好處,是尖拱在拱底部產生的橫向推力較小。這可以讓拱的高度提高,也可以有較多安排較密集出入口,這也是哥特式建筑的特點[14][15]

拋物線拱英语parabolic arch的原理是讓質量平均分佈在拱對地面的投影面上,其內部的壓力會使拱出現拋物線的外形。在主要的拱造形中,拋物線拱產生的橫向推力最大,但其跨距也是最大的。拋物線拱常用在需要大跨距的橋樑中[11]

結構编辑

 
加泰罗尼亚埃布罗河畔莫拉橋上的多拱拋物線拱橋

理論上,拱可以將所有結構荷重分解成壓應力而減少消除結構內的拉應力。因此一些可以有效抵抗壓力,但不能抵抗強大拉力、剪應力和扭力的材料,如石材和混凝土,用拱結構可以跨越很長的長度。不過拱承受拉應力的能力不強[16]

拱是因為所有的重量才能可以維持其結構,因此在施工時會出現問題。有一種解決方式是在拱下方架一個框架(以往會是木頭的材質),框架的形狀完全和拱下方的曲線一致,這稱為拱模英语centring分塊拱英语Voussoir會放在拱模上,直到整個拱完成,可以支持自身的重量後,才會移除拱模。興建拱時,有時會需要鷹架,可以合併使用來支撐拱的重量。若拱的設計有問題或是施工不當,在移除拱模時,拱可能會倒塌。像在1940年代,蘇格蘭達爾馬里英语DalmallyA85公路在第一次移除拱模時就倒了[來源請求]。拱的內側曲線及下方曲線稱為拱腹線(intrados)。

舊的拱因為拱頂石英语Keystone (architecture)的老化,有時需要再補強,這稱為bald arch英语bald arch

其他種類的拱编辑

 
猶他州拱門國家公園的精緻拱門,是一座天然形成的拱門

盲拱英语blind arch是指一個拱的內部已被填滿,因此沒有門、窗或通道的功能。

自然界石頭也可能形成拱的形狀。天然拱是指因侵蚀作用形成的拱,不是用人工挖掘或建築而成,像美國猶他州的拱門國家公園中就有許多天然拱。

有一種特殊的拱稱為凱旋門,其建造目的是在慶祝戰爭的勝利,例如法國巴黎的巴黎凯旋门即為一例。

相關條目编辑

參考文獻编辑

  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]. 
  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. ISBN 9781135666873 (英语). 
  6. ^ Vaidyanathan, R. Structural Analysis, Volume 2. USA: Laxmi Publications. 2004: 127. ISBN 81-7008-584-5. 
  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).  已忽略未知参数|url-status= (帮助)
  11. ^ 11.0 11.1 Ambrose, James. Building Structures. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc. 2012: 32. ISBN 978-0-470-54260-6.  已忽略未知参数|url-access= (帮助)
  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圖書. 
  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).  已忽略未知参数|url-status= (帮助)
  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).  已忽略未知参数|url-status= (帮助)