三鉸拱

三鉸拱(three-hinged arch)是拱結構的一種，是靜定結構。三鉸拱的基本特點是在豎向荷載作用下，除產生豎向反力外，還產生水平推力。推力對拱的內力產生重要的影響，由於存在水平推力，故三鉸拱各截面上的彎矩值，小於與三鉸拱相同跨度、相同荷載作用下的簡支梁各對應截面上的彎矩值，因此，拱與相應簡支梁比較，它的優點是用料比梁節省而自重較輕，故能跨越較大的空間。此外，由於拱主要是承受軸向壓力，故建造時可以充分利用抗拉性能弱而抗壓性能強的材料，如磚、石、混凝土等。但是，拱的缺點是構造比較複雜，施工費用較大。同時，由於推力的存在，拱需要有較為堅固的基礎或支承結構(如牆、柱、墩、台等)。

基本介紹

• 中文名：三鉸拱
• 外文名：three-hinged arch
• 性質：靜定結構
• 類型：拱結構的一種
• 生活舉例：趙州橋
• 學科：力學

簡介

拱作為一種常見的結構形式，無論是古代還是現代，都有著廣泛的運用。在中國，以拱作為結構形式的橋樑——拱橋數量眾多，歷史悠久。趙州橋(如圖1a所示)是一座空腹式拱橋，距今約1 500年。歷經10次水災，8次戰亂，多次地震，可見拱結構的生命力之頑強。除了橋樑，土木的其他專業也有大量的拱結構。例如，水利工程中有拱壩(如圖1b所示)，建築工程中有拱形屋架(如圖1c所示)等。

圖1

拱結構在豎向荷載作用下會產生水平推力。通常情況下，它的桿軸線是曲線。在豎向荷載作用下產生水平推力是拱結構區別於其他結構的重要特徵，如圖2a所示就是典型的三鉸拱結構。而圖2b所示結構在豎向荷載作用下並不能產生水平推力，因此並不是拱結構，而是曲梁。桿軸線是否為曲線並不是拱結構必須具備的特徵，如圖2c所示為三鉸剛架，在豎向荷載作用下，也會產生水平推力，因此三鉸剛架的本質也是一種廣義的拱結構。拱的常用形式有三鉸拱(如圖2a所示)、兩鉸拱(如圖2d所示)和無鉸拱(如圖2e所示)。對拱做幾何組成分析可知。三鉸拱為靜定結構，兩鉸拱和無鉸拱均為超靜定結構。

圖2

特點

豎向荷載作用下產生水平推力的特徵，使拱具有梁結構以及其他結構所不具有的受力特點：

圖3

(1)在拱結構中，由於水平推力的存在，其各截面的彎矩要比相應簡支梁或曲梁小得多，因此它的截面就可做得小一些，能節省材料、減小自重，跨越能力強。

(2)在拱結構中，主要內力是軸向壓力，因此可以利用抗拉性能比較差而抗壓性能比較強的材料構築建築物。

(3)由於拱結構會對下部支撐結構產生水平推力，因此它需要更堅固的基礎或下部結構。同時，它的外形比較複雜，導致施工比較困難，模板費用也比較大。

圖4

前兩點為拱結構的優點，而最後一點可以算是拱結構的缺點。因此，在工程結構中，經常使用拉桿將拱的水平推力轉化為拉桿的拉力(如圖3所示)。

拱的各個部位的名稱如圖4a所示：拱軸線為拱截面形心的連線；拱頂：拱結構的最高點；拱趾：拱兩端與支座連線處；起拱線：拱趾之間的連線。拱的參數如圖4b所示：L——跨度，為拱趾之間的水平距離；f——矢高，為兩拱趾間的連線到拱頂的豎向距離；f/L——矢跨比，拱的主要性能與它有關，工程中這個值控制在1/10～1。