拱
拱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。
基本概念
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[8]。
固定拱以及鉸接拱
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
拱主要可以分為三拱:圓拱、尖拱以及拋物線拱。拱也可以用在拱頂及拱廊上[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中[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
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。分塊拱會放在拱模上,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,蘇格蘭達爾馬里的A85公路在第一次移除拱模時就倒了。拱的內側曲線及下方曲線稱為拱腹線(intrados)。
舊的拱因為拱頂石的老化,有時需要再補強,這稱為bald arch。
其他種類的拱
盲拱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。
參考文獻
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