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高考申論題 105年 [建築工程] 建築結構系統

第 一 題

📖 題組:
拱(Arch)通常被運用在大跨距的結構中,一般拱的種類有固定拱,二鉸拱與三鉸拱,假設只考慮垂直載重,如圖 1。
(一)試比較三種拱的:⑴水平推力。⑵斷面尺寸。⑶施工難度。⑷垂直載重能力。(20 分)
(二)試繪製一拱的中央鉸接點大樣圖。(8 分)(拱為鋼構或木構皆可)
圖 1
題組圖片
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (一)

試比較三種拱的:⑴水平推力。⑵斷面尺寸。⑶施工難度。⑷垂直載重能力。(20 分)

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本題測驗「邊界條件」與「內部鉸」對拱結構力學行為的影響。解題核心應從『結構超靜定度(束縛度)』切入:束縛度越高(固定拱),彎矩分配越均勻、承載力越高,但對基礎沉陷越敏感(施工難度高);反之,靜定結構(三鉸拱)可自由變形吸收溫差與沉陷,施工最易,但局部彎矩較大使得斷面需求高。建議以表格進行綜合比較,並逐項輔以力學與實務原理解釋。

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【破題】 固定拱、二鉸拱與三鉸拱的主要差異在於「支承邊界條件」與「結構超靜定度」(分別為 3 度超靜定、1 度超靜定與靜定)。此差異直接決定了系統的內力分布、變形能力與基礎要求。以下針對四個維度進行比較分析: 【論述】

小題 (二)

試繪製一拱的中央鉸接點大樣圖。(8 分)(拱為鋼構或木構皆可)

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看到「中央鉸接點大樣圖」,首要聯想「鉸接(Hinge)」的力學本質:傳遞剪力與軸力(通常為拱的壓力),但釋放彎矩(M=0)。在構造上,圖面必須清楚交代「單一旋轉軸心(如鋼插銷 Pin)」以及「預留微小轉動間隙(Gap)」。作答時選擇自己最熟悉的材質(鋼構最佳表達),並務必加上力學行為與構件名稱的文字標註。

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【破題】鉸接(Hinge)構造的核心力學行為在於「傳遞軸向力與剪力,但允許微小轉動以釋放彎矩」。繪製大樣圖時,必須具體呈現旋轉軸心(Pin)及容許變形的間隙。 【繪圖要點與標註指示】 由於試卷需以手繪圖面呈現,以鋼結構(H型鋼或圓管鋼)中央鉸接點為例,圖面上必須畫出以下構造細節,並「拉線標註」中文字幕:

📝 三種拱結構之比較
💡 以超靜定度為核心,分析拱的力學行為、斷面需求與施工特性。
比較維度 固定拱 (Fixed Arch) VS 三鉸拱 (3-Hinged Arch)
靜定狀態 3度超靜定 — 靜定結構
水平推力 最小 — 最大
斷面尺寸 最小 — 最大
基礎沉陷容忍 極低,易生應力 — 高,可自動適應
整體勁度 最高,變形小 — 最低,變形大
💬固定拱追求結構效率與輕巧,三鉸拱追求施工便利與環境適應性。
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超靜定結構分析 拱的水平推力計算 二次應力與溫度應力

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