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拱

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磚砌拱
  1. 拱頂石
  2. 拱石（英語：Voussoir）
  3. 拱背線
  4. 拱腳（英語：Impost (architecture）
  5. 拱腹線
  6. 拱高
  7. 凈跨距
  8. 拱臺（英語：Abutment）
萬里長城上的拱門

拱為常見建築結構之一，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、圓弧拱、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。

拱最早是出現在公元前二千年的美索不達米亞的磚建築[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

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（英語：abutments）[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熱脹冷縮，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熱脹冷縮。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熱脹冷縮。這種拱沒有因為熱脹冷縮產生的應力，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，拱的熱熱脹冷縮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築中[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，這也是哥特式建築的特點[14][15]。

拋物線拱（英語：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

加泰羅尼亞埃布羅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（英語：centring）。分塊拱（英語：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（英語：Dalmally）的A85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）。

舊的拱因為拱頂石的老化，有時需要再補強，這稱為bald arch（英語：bald arch）。

其他種類的拱

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（英語：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。天然拱是指因侵蝕作用形成的拱，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凱旋門即為一例。

相關條目

參考文獻

  1. ^ Ancient Mesopotamia:Architecture. The Oriental Institute of the University of Chicago. [16 May 2012]. （原始內容存檔於2012-05-16）. 
  2. ^ Chilton, John; Isler, Heinz. The Engineer's Contribution to Contemporary Architecture. Thomas Telford. 2000: 32. ISBN 9780727728784 （英語）. 
  3. ^ Arches and Domes. oer2go.org. [2019-07-29]. （原始內容存檔於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 （英語）. 
  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. （原始內容存檔於2020-09-28） （英語）. 
  6. ^ Vaidyanathan, R. Structural Analysis, Volume 2. USA: Laxmi Publications. 2004: 127 [2013-06-25]. ISBN 81-7008-584-5. （原始內容存檔於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 –透過Google Books. 
  10. ^ Luebkeman, Chris H. Support and Connection Types. MIT.edu Architectonics: The Science of Architecture. MIT.edu. [3 February 2013]. （原始內容存檔於28 October 2012）. 
  11. ^ 11.0 11.1 Ambrose, James. Building Structures有限度免費查閱，超限則需付費訂閱. 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 –透過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]. （原始內容存檔於13 March 2013）. 
  16. ^ Reid, Esmond. Understanding Buildings: A Multidisciplinary Approach. Cambridge, MA: MIT Press. 1984: 12. ISBN 978-0-262-68054-7. （原始內容存檔於2 June 2016）. 
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