<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Mater.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Materials</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Mater.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-8016</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">894260</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fmats.2022.894260</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Materials</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Nonlinear Instability Behavior and Buckling of Shallow Arches Under Gradient Thermo-Mechanical Loads</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Rao et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Instability and Buckling of Arches</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Rao</surname>
<given-names>Rui</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1562726/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Ye</surname>
<given-names>Zijie</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Lv</surname>
<given-names>Jiangen</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>Yonghui</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1307099/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Airong</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1428001/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Research Center for Wind Engineering and Engineering Vibration</institution>, <institution>Guangzhou University</institution>, <addr-line>Guangzhou</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>College of Urban and Rural Construction</institution>, <institution>Zhongkai University of Agriculture and Engineering</institution>, <addr-line>Guangzhou</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/857096/overview">Yunchao Tang</ext-link>, Guangxi University, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1079905/overview">Pavlo Maruschak</ext-link>, Ternopil Ivan Pului National Technical University, Ukraine</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1751634/overview">Reza Kolahchi</ext-link>, Zhejiang University, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1779132/overview">Zhuangpeng Yi</ext-link>, Changsha University of Science and Technology, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Airong Liu, <email>liuar@gzhu.edu.cn</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Structural Materials, a section of the journal Frontiers in Materials</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>02</day>
<month>06</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>9</volume>
<elocation-id>894260</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>11</day>
<month>03</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>09</day>
<month>05</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Rao, Ye, Lv, Huang and Liu.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Rao, Ye, Lv, Huang and Liu</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>This paper investigates the nonlinear behavior and buckling of shallow arches under gradient thermal and mechanical loading. The gradient temperature varies continuously along the thickness of the cross section of the arch but uniformly distributes over the entire length of the arch. The principle of virtual work and mid-plane plane formulations are employed to derive analytical solutions for the structural responses, internal force and critical buckling loads of the arch. Subsequently, the phenomenon of the buckling mode switching are also identified and discussed. It is found that the fixed arch under gradient thermo-mechanical loading can buckle in a symmetric instability mode or an anti-symmetric instability mode, namely limit point buckling or bifurcation buckling, which depend on its geometric parameter and the gradient temperature. The effects of the gradient temperature change on the radial displacement, axial displacement, axial compressive force and bending moment as well as critical buckling loads of the arch are investigated through parametric studies comprehensively.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>nonlinear</kwd>
<kwd>limit point buckling</kwd>
<kwd>bifurcation buckling</kwd>
<kwd>lowest buckling</kwd>
<kwd>gradient temperature</kwd>
<kwd>shallow arches</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>Introduction</title>
<p>Arches have been used extensively in civil and ocean engineering load-bearing structures. The stability of arch structures has attracted considerable attention from both research and engineering communities, and numerous studies on the nonlinear instability behavior of arches can be found in the open literature (<xref ref-type="bibr" rid="B29">Pi and Bradford, 2004a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Pi and Bradford, 2004b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Pi et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Liu et al., 2018a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B14">Liu et al., 2018b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B9">He et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Liu et al., 2020</xref>). In practical engineering, a steel arch may be subjected to thermo-mechanical load that leads to instability of the arch. It is well known that the material property of the steel is dependent on the temperature (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Standard Australia, 1998</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Heidarpour et al., 2010a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B20">Maruschak et al., 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Moghaddasie and Stanciulescu, 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B40">Yasniy et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B11">Heidarpour et al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B34">Wang et al., 2020</xref>). When the applied temperature is uniformly distributed over the whole arch, the variations of the material property of steels caused by the temperature is uniform, and the steel arch is still isotropic structure. So the classical analysis method can be used to determine the structural behavior of the arch. A considerable amount of literature has been published on the linear or nonlinear behavior of arches subjected to uniform thermal load. Bradford et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Bradford, 2006a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B5">Bradford, 2006b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B7">Bradford, 2010</xref>) studied nonlinear instability behavior of a pinned arch under uniform thermal loading only. They found that the axial force in the arch produced by temperature is uniform along the arch axis. Pi et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Pi and Bradford, 2010a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B26">Pi and Bradford, 2010b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Pi and Bradford, 2014</xref>) conducted a series of studies regarding the nonlinear in-plane thermo-elastic behavior of the crown-pinned, pin-ended and fixed steel arch. <xref ref-type="bibr" rid="B12">Heidarpour et al. (2010b)</xref> proposed a generic model to investigate the nonlinear elastic behavior of steel-concrete arches subjected to sustained loading at elevated temperatures. <xref ref-type="bibr" rid="B17">Lu et al. (2019)</xref> derived the exact solutions for the out-of-plane buckling load of the steel arch in a thermal environment incorporating shear deformations. The dynamic buckling of an arch subjected to transient thermal loading is studied by <xref ref-type="bibr" rid="B13">Keibolahi et al. (2018)</xref>, from which they verified that the dynamic snap through buckling of the arch may occur when under rapid surface heating. <xref ref-type="bibr" rid="B33">Virgin et al. (2014)</xref> considered the influence of temperature and proved that temperature had a great influence on the extreme point of instability of arch. <xref ref-type="bibr" rid="B18">Malekzadeh et al. (2009)</xref> investigated the in-plane free vibrations of FGM arches under thermal environment by adopting two-dimensional elasticity theory and first-order shear deformation theory (FSDT). Yang and Huang (<xref ref-type="bibr" rid="B36">Yang et al., 2019a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B37">Yang et al., 2019b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B38">Yang et al., 2020a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B35">Yang et al., 2020b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B39">Yang et al., 2020c</xref>). presented an analytical solution of nonlinear in-plane buckling for a novel graphene reinforced composite arch/beam under mechanical/thermal loading, and determined the special parameter switching the buckling mode of the arch.</p>
<p>However, when the applied temperature is gradient distributed along one or two direction of the arch, the variations of the material property of steels caused by the temperature is non-uniform, and so the arch becomes anisotropic structure. The existence of anisotropy and involvement of geometric nonlinearity makes the problem of structural stability of the steel arch more complicated. So far, there has been very limit research investigating the nonlinear instability behavior of arches under gradient thermo-mechanical loadings. <xref ref-type="bibr" rid="B8">Cai et al. (2012)</xref> studied the elastic buckling of parabolic arches with rotational constraint under a vertical uniform load and uniform/gradient temperature changes. Pi et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Pi and Bradford, 2010c</xref>) developed a research on the nonlinear thermo-elastic buckling of pinned arches under temperature gradient field, and they also studied the out-of-plane buckling of fixed and rotationally restrained slender beam under linear gradient thermal action (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Pi and Bradford, 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B25">Pi and Bradford, 2010a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Pi and Bradford, 2015</xref>). <xref ref-type="bibr" rid="B4">Bateni and Eslami. (2014)</xref> discussed the effects of temperature gradient on the buckling of FGM arches and concluded that the temperature gradient enhances the buckling resistance of arches under a lateral mechanical load. Similar researches were also observed from Babaei&#x2019;s report for the Thermo-mechanical nonlinear in-plane analysis of fix-ended FMG shallow arches (<xref ref-type="bibr" rid="B3">Babaei et al., 2018a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B2">Babaei et al., 2018b</xref>). <xref ref-type="bibr" rid="B31">Song et al. (2019)</xref> carried out a linear analysis on the instability of steel arch under linear temperature gradient field and uniformly distributed radial load according to the effective centroid method and the principle of virtual work. To the best of authors knowledge, no work has been done on the nonlinear behavior and buckling of steel arches under gradient thermal and uniform radial loading.</p>
<p>Therefore, an analytical study is carried out in this paper to investigate the structural responses and specifically the buckling behavior of arches under gradient thermo-mechanical loadings. The principle of virtual work and mid-plane plane formulations are employed to derive the nonlinear equilibrium paths and critical buckling loads. The temperature-dependent geometric parameters determining the buckling modes of the arch are also obtained. The effects of gradient on the structural response, such as radial and axial displacement, internal force and critical buckling loads are discussed.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>Nonlinear Equilibrium</title>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>, a fixed arch with center angle <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, arc length <italic>S</italic> and radius <italic>R</italic> is subjected to gradient thermal load and uniform radial load, where <italic>v</italic> and <italic>w</italic> are the radial and axial displacements in the mid-plane of the arch, respectively. By introducing the linear gradient temperature field, a temperature field <italic>T</italic>(<italic>z</italic>) varies continuously along the thickness of the cross section of the arch but uniform over the entire length of the arch.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>An arch under gradient temperature and uniform radial load.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-894260-g001.tif"/>
</fig>
<p>Before the structural analysis, the following assumptions are adopted as: 1) deformations of the arch satisfy the Euler-Bernoulli hypothesis; 2) expansions of the cross section are ignored; 3) the states of temperature is treated as time-independent; 4) the coefficient of thermal expansion <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is independent of the temperature.</p>
<p>According to classic shallow arch theory, the nonlinear strain-displacement relation of the arch is given as<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mo>)</mml:mo>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; <italic>v/R</italic> and <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; <italic>w/R</italic>.</p>
<p>Therefore, the nonlinear stress of the arch under gradient temperature <italic>T</italic>(<italic>z</italic>) is<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where the reference temperature is 20&#xb0;C, the linear gradient temperature <italic>T</italic>(<italic>z</italic>) is formulated as<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">with</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where <italic>T</italic>
<sub>1</sub> and <italic>T</italic>
<sub>2</sub> are the temperature at the top and bottom of cross section. <italic>E</italic>(<italic>z</italic>) is the temperature-dependent elasticity modulus of steel according to the Australian Code AS4100 (<xref ref-type="bibr" rid="B10">Heidarpour et al., 2010a</xref>) which is given as<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2000</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>for</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>600</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>690</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>53.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>for</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mn>600</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>1000</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>where <italic>E</italic>
<sub>20</sub> is the elastic modulus of steel at 20&#xb0;C.</p>
<p>According to the principle of virtual work and mid-plane plane formulations, the nonlinear equilibrium equation of the arch is stated as<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>in which, axial compressive force <italic>N</italic> and bending moment <italic>M</italic> are formulated as<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>where <italic>A</italic>
<sub>11</sub>, <italic>B</italic>
<sub>11</sub> and <italic>D</italic>
<sub>11</sub> are the stiffness components defined as<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>dz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>By substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref> leads to a new expression of <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref> as<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">with</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Integrating <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref> by parts obtains the equilibrium equation as<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>and also obtains the boundary conditions of the fixed arch as <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mi>&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>By substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Eqs 9</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref>, the equilibrium equation of arches is rewritten as<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">with</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <italic>&#x3bc;</italic> is defined as<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>By solving <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref> and considering the fixed-end boundary conditions, obtains<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">with</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>By substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eq. 14</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Eq. 10</xref>, the axial displacement <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is solved as<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m23">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x398;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x398;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x398;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x398;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eqs 14</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eqss 6</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref>, the exact expression of the axial compressive force <italic>N</italic> and bending moment <italic>M</italic> of the arch are determined as<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x398;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x398;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>tan</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m25">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x398;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x398;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x398;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>tan</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Eqs 10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref> shows that the axial compressive force of the arch is constant through the arch when the gradient temperature is given.</p>
<p>By substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eq. 14</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref> and integrating it over the entire length of the arch, the nonlinear equilibrium equation is obtained as<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>tan</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m31">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is a geometrical parameter defined as<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x398;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>By combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eqs 14</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">18</xref>, the solutions of the nonlinear equilibrium conditions of the fixed arch under gradient thermo-mechanical loadings.</p>
</sec>
<sec id="s3">
<title>Buckling Analysis</title>
<p>Typical symmetric limit point buckling may occur when the arch is subjected to a gradient thermal and uniform radial load. When this happens, the arch reaches a limit point load and buckle in a limit point instability mode. The limit point loads are located at the local extrema of the nonlinear equilibrium path defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref>, and the equation of equilibrium between limit point loads and axial force parameter <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m33">
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> can be determined by using partial derivative method as<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Solving <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">23</xref> simultaneously, the critical axial force parameter <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m36">
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and the limit point buckling load <italic>Q</italic> can be obtained, respectively.</p>
<p>Beyond symmetric limit point buckling, the anti-symmetric bifurcation buckling may also occur to the arch under gradient thermal and uniform radial load. The differential equation for bifurcation equilibrium of the arch is determined by the author previous research as (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Heidarpour et al., 2010b</xref>)<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the bifurcation buckling displacement. Then, a characteristic equation can be determined by solving <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref> incorporating the fixed-ended boundary conditions of the arch as<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>When <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Eq. 26</xref>, leads to a critical axial force <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> parameter for bifurcation buckling as<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x398;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.4303</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref> leads to the axial compressive force <italic>N</italic>
<sub>
<italic>b</italic>
</sub> of the arch as<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.4303</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>and substituting <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref> leads to the nonlinear equilibrium equation for bifurcation buckling as<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.416664</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>0.333331</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.4303</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>which is a mono basic quadratic equation, and the existence of real solutions for <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">Eq. 29</xref> requires that<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.333331</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>0.416664</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.4303</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>from which a critical parameter <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> defined as the minimum geometric parameter triggering bifurcation buckling of the arch is solved as<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>302.8644722</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>750026</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>When <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Eq. 26</xref>, leads to a critical axial force parameter <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for lowest buckling of the arch as<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x398;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref> and solving the lowest buckling load as<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>When the axial force parameter <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m55">
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> approaches to critical axial force parameter <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and leads to a real solutions for the lowest buckling load given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Eq. 33</xref>, the condition need to be satisfied as<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Similarly, a critical parameter <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> triggering lowest buckling of the arch can be solved from <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eq. 34</xref> as<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>When the arch having <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under a given gradient temperature, there is no buckling for the arch instead of nonlinear bending.</p>
</sec>
<sec id="s4">
<title>Parametric Study</title>
<sec id="s4-1">
<title>Comparisons</title>
<p>The finite element (FE) results are presented in this section to validate the proposed method. For conveniently and accurately, the FE analyses are performed by ANSYS 14.0 (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Pi and Bradford, 2015</xref>) with using SHELL181 elements. In the ANSYS modeling, the dimension of cross section is <italic>b</italic>&#xd7; <italic>h</italic> &#x3d; 0.03&#xa0;m &#xd7; 0.025&#xa0;m, and the cross section is subdivided into multiple layers in the thickness direction for simulating the material variation where the material properties of each layers are determined by <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref>. According to the convergence study, the difference between the results with 10 layers and 1,000 layers is less than 0.3%, which means that 10 layers adopted in the finite element model is sufficiently accurate to model a beam with continuous gradient varying material properties. Thus, 10 layers are adopted in the following FE analyses.</p>
<p>The result verification of the radial displacement at arch crown (<italic>v</italic>
<sub>c</sub>/<italic>f</italic>, <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) and the axial displacement at quarter point (<italic>w</italic>
<sub>q</sub>/<italic>f</italic>, <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:mi>&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) are shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref>, where the applied radial load is <italic>qR</italic> &#x3d; 0.25<italic>N</italic>
<sub>b20</sub>. Note that <italic>N</italic>
<sub>b20</sub> is the value of <italic>N</italic>
<sub>b</sub> at 20&#xb0;C given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Eq. 28</xref>, and <italic>f</italic> is the rise of the arch. Moreover, the verification of the load-displacement curve of the arch is presented in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref>. From the comparisons, the proposed analytical result agrees well with the FE results.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Results validation of <bold>(A)</bold> structural displacements, <bold>(B)</bold> load-displacement curve.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-894260-g002.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>Nonlinear Structural Responses and Buckling Loads</title>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> displays the variations of the structural responses (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3A,B</xref>) and internal actions (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3C,D</xref>) due to the gradient temperature change <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> without applied external load (<italic>qR</italic> &#x3d; 0) along the arch axis, and the gradient temperature change <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> shows a significant effect on the nonlinear structural behavior of the arch. It is observed from <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref> that the value of the radial displacement is negative, which means that the deformation of the arch under the gradient temperature change <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is in the upward direction. It is also observed that the radial displacements are symmetric about the crown of the arch (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>), while the axial displacements are anti-symmetric about the crown of the arch (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>). Moreover, the temperature-induced axial force <italic>N</italic> and bending moment <italic>M</italic> are presented in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3C,D</xref>. It shows that the structural internal forces increase as the gradient temperature change <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increase, and the effects of the gradient temperature change <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on the structural internal actions of arches are indeed significant.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Structural responses of <bold>(A)</bold> dimensionless radial displacement, <bold>(B)</bold> dimensionless axial displacement, and internal actions of <bold>(C)</bold> axial force, <bold>(D)</bold> bending moment.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-894260-g003.tif"/>
</fig>
<p>The combining effects of the gradient temperature change and uniform radial load on the dimensionless radial displacement and bending moment are shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figures 4A,B</xref>, respectively with <italic>qR</italic> &#x3d; 0.25<italic>N</italic>
<sub>b20</sub>. From the observation, the directions of the force-induced radial displacement and bending moment are opposite to that of temperature-induced, and the increasing temperature-induced structural responses are counteracting the responses produced by the applied uniform radial load as the gradient temperature change increasing.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Variations of <bold>(A)</bold> radial displacements and <bold>(B)</bold> bending moment along the arch axis.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-894260-g004.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> illustrates the influence of gradient temperature on the limit point buckling load (P<sub>L</sub>) and bifurcation buckling load (P<sub>B</sub>) of the arch. As can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> that the effects are related significantly to the geometrical parameter <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m68">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> of the arch. For the arch with <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the buckling loads of the arch first increases slightly until <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>250</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and then decreases. However, the buckling loads of the arch with <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> decreases monotonically with an increase of gradient temperature. This is consistent with the observation in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>, where buckling loads of arches with different geometric parameter <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m72">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> under different gradient temperature change <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are tabulated.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Influences of gradient temperature on buckling loads of the arch with <bold>(A)</bold> <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(B)</bold> <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-894260-g005.tif"/>
</fig>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Buckling loads of arches with different geometric parameter (<italic>S/h</italic> &#x3d; 30, <italic>T</italic>
<sub>1</sub> &#x3d; 20&#xa0;&#xb0;C).</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th colspan="2" align="left">
<inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m76">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>300</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>300</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>300</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>500</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">6</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi>
<mml:mtext>L</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">0.8196</td>
<td align="char" char=".">0.8337</td>
<td align="char" char=".">0.8430</td>
<td align="char" char=".">0.8085</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"/>
<td align="left">
<inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">0.8167</td>
<td align="char" char=".">0.8256</td>
<td align="char" char=".">0.8197</td>
<td align="char" char=".">0.7652</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">8</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi>
<mml:mtext>L</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">0.9982</td>
<td align="char" char=".">1.0053</td>
<td align="char" char=".">0.9966</td>
<td align="char" char=".">0.9365</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"/>
<td align="left">
<inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">0.9090</td>
<td align="char" char=".">0.9060</td>
<td align="char" char=".">0.8785</td>
<td align="char" char=".">0.8043</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">10</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi>
<mml:mtext>L</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">1.1205</td>
<td align="char" char=".">1.1224</td>
<td align="char" char=".">1.1008</td>
<td align="char" char=".">1.0228</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"/>
<td align="left">
<inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">0.9435</td>
<td align="char" char=".">0.9370</td>
<td align="char" char=".">0.9023</td>
<td align="char" char=".">0.8207</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">15</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi>
<mml:mtext>L</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">1.2939</td>
<td align="char" char=".">1.2884</td>
<td align="char" char=".">1.2486</td>
<td align="char" char=".">1.1451</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"/>
<td align="left">
<inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">0.9745</td>
<td align="char" char=".">0.9650</td>
<td align="char" char=".">0.9243</td>
<td align="char" char=".">0.8361</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">20</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi>
<mml:mtext>L</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">1.3824</td>
<td align="char" char=".">1.3733</td>
<td align="char" char=".">1.3243</td>
<td align="char" char=".">1.2080</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"/>
<td align="left">
<inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">0.9847</td>
<td align="char" char=".">0.9743</td>
<td align="char" char=".">0.9317</td>
<td align="char" char=".">0.8413</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>Nonlinear Equilibrium Paths and Buckling Mode Switching</title>
<p>In addition to the investigation on the nonlinear structural responses and buckling loads, the nonlinear equilibrium paths and the buckling mode of the arch under gradient thermal and uniform radial load are explored in this section. <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> depicts the nonlinear equilibrium paths of the arch with <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under gradient temperature <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6A,B</xref>, and <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>600</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6C,D</xref>, respectively.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Nonlinear equilibrium paths of the arch under <bold>(A)</bold> and <bold>(B)</bold> <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>(C)</bold> and <bold>(D)</bold> <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>600</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-894260-g006.tif"/>
</fig>
<p>Noted from <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6A,B</xref>, when the gradient temperature change is equal to zero, the limit point buckling occur to the arch because the bifurcation point is located behind the limit point. However, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6C,D</xref>, when the temperature applied to the arch is higher than a certain value (i.e. <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>600</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), the bifurcation point of the arch is located before the limit point, so the bifurcation buckling of the arch occurs. Therefore, a specific gradient temperature change <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> switching the buckling mode of the arch is found, and its value can be determined by setting the limit point load obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref> to be equal to the bifurcation buckling load obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">Eq. 29</xref> at <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.4303</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, from which a critical parameter <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that is switching the buckling mode can also be solved when a gradient temperature is given.</p>
<p>As previously discussed, there are critical parameters <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that switch the buckling mode of the arch. For an arch with <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the arch buckles in a bifurcation buckling mode; For an arch with <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the limit point buckling mode or the bifurcation buckling mode may occur to the arch; For an arch with <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the arch buckles in a limit point buckling mode; For an arch with <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the arch becomes a curved beam and does not display typical buckling behavior. Noted from <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eqs 31</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">35</xref>, the critical parameters are quite related to the gradient temperature change <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the slenderness <italic>S/h</italic>. Thus, the variations of critical parameters <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the gradient temperature change <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7A</xref>, and with the slenderness <italic>S/h</italic> is shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7B</xref>. It can be seen that the value of critical parameters <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> decreases with an increase of the gradient temperature change <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or slenderness <italic>S/h</italic>.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Variations of critical parameters <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(A)</bold> with the gradient temperature change <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <bold>(B)</bold> with the slenderness <italic>S/h</italic>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-894260-g007.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s5">
<title>Conclusion</title>
<p>The nonlinear elastic behavior and buckling of shallow arch under gradient thermal and uniform radial loading has been studied in this paper. Exact solutions for the structural responses, internal force and critical buckling loads of the arch have been derived by adopting the principle of virtual work and mid-plane plane formulations. The effects of gradient temperature on the radial displacement, axial displacement, internal force and critical buckling loads have been discussed comprehensively. From the numerical discussion, the effects of the gradient temperature are quite significantly on the structural behavior of the arch. The arch deflects in its concave direction and buckles when a critical temperature gradient and external load are reached. It is also found that the arch under gradient thermal and uniform radial loadings can buckle in a limit point instability mode or a bifurcation mode. The critical gradient temperature change <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be determined by setting the limit point load obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref> to be equal to the bifurcation buckling load obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">Eq. 29</xref> at <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.4303</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, from which a critical parameter <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that is switching the buckling mode can also be solved when a gradient temperature is given. The value of three critical parameters <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> decreases with an increase of the gradient temperature change <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or slenderness <italic>S/h</italic>.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s6">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary Material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author Contributions</title>
<p>RR: Conceptualization, writing&#x2014;review and editing, funding acquisition, Software, methodology ZY: Data curation, writing&#x2014;original draft preparation JL: Software, methodology YH: Validation, supervision AL: Conceptualization, Funding acquisition, validation.</p>
</sec>
<sec id="s8">
<title>Funding</title>
<p>This work was financially supported by the 111 Project (Grant No. D21021), Municipal Science and Technology Planning Project of Guangzhou (Grant No. 20212200004).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s9">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s10">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ack>
<p>This research is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51925802, 11972123 and 51878188), Technology Planning Project of Guangzhou City (No. 201807010021), China-Australia Joint Research Centre for Resilient Material and Structures (No. 2020A050519002). The authors are grateful for these supports.</p>
</ack>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>ANASYS</surname>
<given-names>C. F. X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <source>Introduction of CFX Ver. 14.0</source>. <publisher-loc>Pennsylvania, US</publisher-loc>: <publisher-name>ANASYS Inc</publisher-name>, <fpage>36</fpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Babaei</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kiani</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eslami</surname>
<given-names>M. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018b</year>). <article-title>Geometrically Nonlinear Analysis of Functionally Graded Shallow Curved Tubes in Thermal Environment</article-title>. <source>Thin-Walled Struct.</source> <volume>132</volume>, <fpage>48</fpage>&#x2013;<lpage>57</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tws.2018.08.008</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Babaei</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kiani</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eslami</surname>
<given-names>M. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018a</year>). <article-title>Thermomechanical Nonlinear In-Plane Analysis of Fix-Ended FGM Shallow Arches on Nonlinear Elastic Foundation Using Two-step Perturbation Technique</article-title>. <source>Int. J. Mech. Mat. Des.</source> <volume>15</volume>, <fpage>225</fpage>&#x2013;<lpage>244</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10999-018-9420-y</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bateni</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eslami</surname>
<given-names>M. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). &#x201c;<article-title>Effect of Temperature Gradient on the Mechanical Buckling Resistance of FGM Shallow Arches</article-title>,&#x201d; in <conf-name>ASME 2014 12th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis</conf-name> (<publisher-loc>New York, United States</publisher-loc>: <publisher-name>American Society of Mechanical Engineers (ASME)</publisher-name>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/esda2014-20363</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Elastic Analysis of Straight Members at Elevated Temperatures</article-title>. <source>Adv. Struct. Eng.</source> <volume>9</volume>, <fpage>611</fpage>&#x2013;<lpage>618</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1260/136943306778827484</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>In-plane Nonlinear Behaviour of Circular Pinned Arches with Elastic Restraints under Thermal Loading</article-title>. <source>Int. J. Str. Stab. Dyn.</source> <volume>06</volume>, <fpage>163</fpage>&#x2013;<lpage>177</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s0219455406001897</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Long-span Shallow Steel Arches Subjected to Fire Loading</article-title>. <source>Adv. Struct. Eng.</source> <volume>13</volume>, <fpage>501</fpage>&#x2013;<lpage>511</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1260/1369-4332.13.3.501</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Feng</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>In-plane Elastic Buckling of Shallow Parabolic Arches under an External Load and Temperature Changes</article-title>. <source>J. Struct. Eng.</source> <volume>138</volume>, <fpage>1300</fpage>&#x2013;<lpage>1309</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(asce)st.1943-541x.0000570</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yuan</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wei</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>In-plane Failure Mechanism and Stability Bearing Capacity Design of Planar Plate-Tube-Connected Circular Steel Arches</article-title>. <source>Mech. Based Des. Struc.</source>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>16</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/15397734.2020.1713157</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Heidarpour</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Abdullah</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Non-linear Inelastic Analysis of Steel Arches at Elevated Temperatures</article-title>. <source>J. Constr. Steel Res.</source> <volume>66</volume>, <fpage>512</fpage>&#x2013;<lpage>519</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcsr.2009.10.003</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Heidarpour</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cevro</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Song</surname>
<given-names>Q. Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>X. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Behaviour of Stub Columns Utilising Mild-Steel Plates and VHS Tubes under Fire</article-title>. <source>J. Constr. Steel Res.</source> <volume>95</volume>, <fpage>220</fpage>&#x2013;<lpage>229</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcsr.2013.12.007</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Heidarpour</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pham</surname>
<given-names>T. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Nonlinear Thermoelastic Analysis of Composite Steel-Concrete Arches Including Partial Interaction and Elevated Temperature Loading</article-title>. <source>Eng. Struct.</source> <volume>32</volume>, <fpage>3248</fpage>&#x2013;<lpage>3257</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.engstruct.2010.06.014</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Keibolahi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kiani</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eslami</surname>
<given-names>M. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Dynamic Snap-Through of Shallow Arches under Thermal Shock</article-title>. <source>Aerosp. Sci. Technol.</source> <volume>77</volume>, <fpage>545</fpage>&#x2013;<lpage>554</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ast.2018.04.003</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pi</surname>
<given-names>Y. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Nonlinear Dynamic Buckling of Fixed Shallow Arches under an Arbitrary Step Radial Point Load</article-title>. <source>J. Eng. Mech.</source> <volume>144</volume>, <fpage>04018012</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(asce)em.1943-7889.0001425</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pi</surname>
<given-names>Y.-L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Experimental and Analytical Investigation on the In-Plane Dynamic Instability of Arches Owing to Parametric Resonance</article-title>. <source>J. Vib. Control</source> <volume>24</volume>, <fpage>4419</fpage>&#x2013;<lpage>4432</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1077546317726210</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lan</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Elasticity Solutions for In-Plane Free Vibration of FG-GPLRC Circular Arches with Various End Conditions</article-title>. <source>Appl. Sci.</source> <volume>10</volume>, <fpage>4695</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/app10144695</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pi</surname>
<given-names>Y.-L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Lateral-torsional Buckling of Arches under an Arbitrary Radial Point Load in a Thermal Environment Incorporating Shear Deformations</article-title>. <source>Eng. Struct.</source> <volume>179</volume>, <fpage>189</fpage>&#x2013;<lpage>203</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.engstruct.2018.10.071</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Malekzadeh</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Atashi</surname>
<given-names>M. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Karami</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>In-plane Free Vibration of Functionally Graded Circular Arches with Temperature-dependent Properties under Thermal Environment</article-title>. <source>J. Sound Vib.</source> <volume>326</volume>, <fpage>837</fpage>&#x2013;<lpage>851</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jsv.2009.05.016</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Malekzadeh</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Two-dimensional In-Plane Free Vibrations of Functionally Graded Circular Arches with Temperature-dependent Properties</article-title>. <source>Compos. Struct.</source> <volume>91</volume>, <fpage>38</fpage>&#x2013;<lpage>47</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruct.2009.04.034</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Maruschak</surname>
<given-names>P. O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Konovalenko</surname>
<given-names>I. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bishchak</surname>
<given-names>R. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Effect of Thermal Fatigue Cracks on Brittle-Ductile Deformation and Failure of Cbcm Roller Surface Layers</article-title>. <source>Metallurgist</source> <volume>56</volume> (<issue>1-2</issue>), <fpage>30</fpage>&#x2013;<lpage>36</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11015-012-9532-9</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Moghaddasie</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stanciulescu</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Equilibria and Stability Boundaries of Shallow Arches under Static Loading in a Thermal Environment</article-title>. <source>Int. J. Non-Linear Mech.</source> <volume>51</volume>, <fpage>132</fpage>&#x2013;<lpage>144</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijnonlinmec.2013.01.001</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pi</surname>
<given-names>Y. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Andrew Bradford</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Qu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Long-term Non-linear Behaviour and Buckling of Shallow Concrete-Filled Steel Tubular Arches</article-title>. <source>Int. J. Non-Linear Mech.</source> <volume>46</volume>, <fpage>1155</fpage>&#x2013;<lpage>1166</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijnonlinmec.2011.05.003</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pi</surname>
<given-names>Y. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Effects of Nonlinearity and Temperature Field on In-Plane Behaviour and Buckling of Crown-Pinned Steel Arches</article-title>. <source>Eng. Struct.</source> <volume>74</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>12</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.engstruct.2014.05.006</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pi</surname>
<given-names>Y. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Effects of Prebuckling Deformations on the Elastic Flexural-Torsional Buckling of Laterally Fixed Arches</article-title>. <source>Int. J. Mech. Sci.</source> <volume>46</volume>, <fpage>321</fpage>&#x2013;<lpage>342</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2004.02.012</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pi</surname>
<given-names>Y. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>In-plane Thermoelastic Behaviour and Buckling of Pin-Ended and Fixed Circular Arches</article-title>. <source>Eng. Struct.</source> <volume>32</volume>, <fpage>250</fpage>&#x2013;<lpage>260</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.engstruct.2009.09.012</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pi</surname>
<given-names>Y. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Nonlinear In-Plane Elastic Buckling of Shallow Circular Arches under Uniform Radial and Thermal Loading</article-title>. <source>Int. J. Mech. Sci.</source> <volume>52</volume>, <fpage>75</fpage>&#x2013;<lpage>88</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2009.10.011</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pi</surname>
<given-names>Y. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Nonlinear Thermoelastic Buckling of Pin-Ended Shallow Arches under Temperature Gradient</article-title>. <source>J. Eng. Mech.</source> <volume>136</volume>, <fpage>960</fpage>&#x2013;<lpage>968</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(asce)em.1943-7889.0000134</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pi</surname>
<given-names>Y. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Thermoelastic Lateral-Torsional Buckling of Fixed Slender Beams under Linear Temperature Gradient</article-title>. <source>Int. J. Mech. Sci.</source> <volume>50</volume>, <fpage>1183</fpage>&#x2013;<lpage>1193</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2008.04.004</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pi</surname>
<given-names>Y. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Experimental and Analytical Modal Analysis of Steel Arch Bridge</article-title>. <source>J. Struct. Eng.</source> <volume>130</volume>, <fpage>1022</fpage>&#x2013;<lpage>1031</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(ASCE)0733-9445(2004)130:7(1022)</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pi</surname>
<given-names>Y. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Out-of-plane Buckling of Beams Having In-Plane Elastic Restraints under Gradient Thermal Action</article-title>. <source>J. Eng. Mech.</source> <volume>142</volume>, <fpage>04015080</fpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Song</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>In-plane Instability of Fixed Arches under Linear Temperature Gradient Field and Uniformly Distributed Radial Load</article-title>. <source>Math. Probl. Eng.</source>
<volume>2019</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>12</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2019/5938030</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="book">
<collab>Standard Australia</collab> (<year>1998</year>). <source>AS4100-1998 Steel Structures</source>. <publisher-loc>Ablis</publisher-loc>. </citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Virgin</surname>
<given-names>L. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wiebe</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Spottswood</surname>
<given-names>S. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eason</surname>
<given-names>T. G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Sensitivity in the Structural Behavior of Shallow Arches</article-title>. <source>Int. J. Non-Linear Mech.</source> <volume>58</volume>, <fpage>212</fpage>&#x2013;<lpage>221</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijnonlinmec.2013.10.003</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ji</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Effect of High-Temperature Pavement Paving on Fatigue Durability of Bearing-Supported Steel Decks</article-title>. <source>Appl. Sci.</source> <volume>10</volume>, <fpage>7196</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/app10207196</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Feng</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lv</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2020b</year>). <article-title>Geometrically Nonlinear Buckling of Graphene Platelets Reinforced Dielectric Composite (GPLRDC) Arches with Rotational End Restraints</article-title>. <source>Aerosp. Sci. Technol.</source> <volume>107</volume>, <fpage>106326</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ast.2020.106326</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019a</year>). <article-title>Nonlinear In-Plane Buckling of Fixed Shallow Functionally Graded Graphene Reinforced Composite Arches Subjected to Mechanical and Thermal Loading</article-title>. <source>Appl. Math. Model.</source> <volume>70</volume>, <fpage>315</fpage>&#x2013;<lpage>327</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apm.2019.01.024</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019b</year>). <article-title>Dynamic Buckling of Functionally Graded Graphene Nanoplatelets Reinforced Composite Shallow Arches under a Step Central Point Load</article-title>. <source>J. Sound. Vib.</source> <volume>465</volume>, <fpage>115019</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jsv.2019.115019</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tam</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kitipornchai</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lv</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020a</year>). <article-title>Nonlinear Dynamic Response of FG Graphene Platelets Reinforced Composite Beam with Edge Cracks in Thermal Environment</article-title>. <source>Int. J. Str. Stab. Dyn.</source> <volume>20</volume>, <fpage>2043005</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s0219455420430051</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lv</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020c</year>). <article-title>In-plane and Out-Of-Plane Free Vibrations of Functionally Graded Composite Arches with Graphene Reinforcements</article-title>. <source>Mech. Adv. Mat. Struc.</source>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>11</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/15376494.2020.1716420</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yasniy</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Maruschak</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yasniy</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lapusta</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>On Thermally Induced Multiple Cracking of a Surface: An Experimental Study</article-title>. <source>Int. J. Fract.</source> <volume>181</volume>, <fpage>293</fpage>&#x2013;<lpage>300</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10704-013-9826-3</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>