拱結構

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什麼是拱結構

  拱結構是指桿軸為曲線且在豎向荷載作用下能產生水平推力的結構。

拱結構的特點和優缺點[1]

  拱結構比桁架結構具有更大的力學特點,因為桁架結構從整體來看畢竟還相當一個受彎構件(弦桿承受彎矩,腹桿承受剪力),而拱結構的受力狀態發生了與梁結構根本不同的受力改變。梁結構是受彎為主,拱結構已根本不是受彎了。懸梁和拱受力分析如圖1所示和圖2所示。

  Image:图1悬索受力状态(拉力).jpg

  Image:图2拱受力分析(压力).jpg

  所以懸梁用鋼去做,正好利用和發揮鋼材受拉的有利性能。拱用抗壓性能較好的材料(如磚石、鋼筋混凝土),正好利用和發揮材料的抗壓有利性能。拱結構是使構件擺脫彎曲變形的一種突破性發展,因此,拱結構比桁架結構的力學性能優點更加顯著,而且,它為抗壓性能好的材料提供了一種理想的結構形式。不過,拱結構的支座(拱腳)會產生水平推力,如圖2所示,跨度大時這個推力也大,要對付這個推力將是一樁麻煩又耗費材料的事。由於拱結構的這個缺點,故在實際工程應用上,桁架還是比拱用得更普遍。

拱結構形式

  按力學結構分有三鉸拱、兩鉸拱、無鉸拱。如下圖所示。

  Image:拱的不同类型.jpg

  按建築外形分有半圓拱、拋物線拱。拱軸形式的選擇,必鬚根據建築的要求與結構的合理性相結合來考慮。從結構的角度來說,合理的拱軸,是應該使拱在載荷作用下處於無彎矩狀態。由於結構承受的載荷是多種多樣的,實際很難找出一條絕對合理的拱軸來適應各種載荷,故只能根據主要載荷來確定合理的拱軸。使拱身能儘量減少彎矩,主要承受軸力,就是拱的合理軸線。

  隨著建築功能的多方面發展,單一的結構形式、傳統的結構造型,已不能滿足要求,因而產生了幾種結構形式的組合,希望大家亦能有所瞭解。

參考文獻

  1. 範曉明主編.建築及其工程概論.武漢理工大學出版社,2006年9月.
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