中国古代经典桥梁

时间:2018-08-19 栏目:科学24小时

陈小鹏

从古至今,中国人修建了数以万计或奇巧或壮丽的桥梁。中国古代桥梁的建筑艺术世界闻名,多座桥梁已成世界桥梁史上的创举。目前对古桥的分类方法较多,本文根据桥梁结构的承载状况和杆件的受力性质,将中国古代桥梁分成5大类——索桥、梁桥、浮桥(浮动桥墩类)、拱桥和木拱廊桥(廊桥类)。

索桥

我国古代索桥中最具代表性的是泸定桥。泸定桥在四川省泸定县县城西,横跨大渡河,通称为大渡河铁索桥。此桥为铁索悬桥,净跨长度100米,宽2.8米,桥面距枯水位14.5米,全桥铁索共13根,9根铁索平行系于大渡河两岸,上平铺木板作为桥面,其余4根分别悬于左右作为桥栏扶手。泸定桥始建于1705年(清康熙四十四年)。1935年5月29日,中国工农红军长征途中曾在此取得飞夺泸定桥的重大胜利,这一胜利让泸定桥驰名中外。

泸定桥的上部结构是铁索(铁链条),铁索承受上部结构的全部荷载。其中底面的铁索上铺设桥面板,侧面铁索上安装栏杆,共同构成上部结构——桥面系统。铁索桥依靠拉力,使桥身不在重力作用下下落,其拉力在竖直方向上的分力与重力抵消,从而达到平衡状态。桥板与铁索间的受力情况如图2所示,G、T1、T2组成一个汇交力系,保持平衡。从图3所示的力三角形看,T1、T2远远大于G,所以建造铁索桥时要确保铁索有足够的强度和刚度。

除了铁索桥外,索桥还有竹索桥、藤索桥等,如四川安澜桥的“索”,就是用竹子劈成细丝拧成的,故称竹索桥。

梁桥

梁桥的代表是我国现存最长的石桥安平桥(图5),它位于福建晋江安海镇,享“天下无桥长此桥”之誉。因安海镇古称安平道,此桥由此得名;又因桥长约2.5千米(5华里),俗称五里桥。

安平橋始建于1138年(南宋绍兴八年),明清两代曾多次重修。桥面宽3~3.8米,桥墩共361个,用花岗岩条石横直交错叠砌而成,共有3种形式:长方形、单边船形、双边船形。其中单边船形一端成尖状,另一端为方形,设于较缓的港道地方;双边船形墩的两端成尖状,便于排水,设在水流较急而较宽的主要港道。

安平桥是梁桥,主体受力构件是梁柱,主要变形是梁的弯曲变形。梁式桥有木梁桥和石梁桥两种,其纵梁均系简支梁。不言而喻,安平桥的结构比较简单,其上部结构多以石板为梁,石板梁既是梁又是桥面。下部结构以石板砌筑墩台,此种石桥通称为“石板梁桥”。

如图6所示,简支梁上力越靠近梁中,弯矩M1和M2越大,梁上下两边承受的正应力越大,当正应力达到极限值时,梁随时都会断掉,这就是强度极限。所以保护石梁桥的最好方法就是尽量减小梁中的最大正应力。

简支梁桥的主要特点是:受力明确、构造简单,易于标准化设计、制作和工地预制,易于架设施工,易于养护、维修和更换构件。从受力分析上看,破坏梁的头号杀手是梁中的最大弯矩,而最大弯矩与梁长成正比关系,所以简支梁桥不适用于较大跨度的桥梁工程。

浮桥

广济桥位于广东省潮安县潮州镇东,横跨韩江,始建于1171年(南宋乾道7年)。全桥长515米,分东西两段18墩,中间一段宽约百米,因水流湍急,未能架桥,只用小船摆渡,当时称济州桥。桥墩用花岗石块砌成,中段用18艘梭船联成浮桥,能开能合,当大船、木排通过时,可以将浮桥中的浮船解开,让船只、木排通过。它是世界上最早的一座开关活动式大石桥。

浮桥的结构形式有两种:一是传统的形式,在船或浮箱上架梁、再铺桥面。二是舟梁合一的形式,或船只首尾相连,成纵列式,或将舟体紧密排列成带式。为保持浮桥轴线位置不致偏移,在上、下游需设缆索锚碇。为与两岸接通,还需在两岸设置过渡梁或跳板。广济桥属后者,是古代浮桥建筑的代表。

浮桥实属梁桥,与梁桥不同的是,梁桥的梁是靠桥墩支撑的,桥墩又是靠地面支撑,是固定不动的;而浮桥的梁是靠浮动桥墩(船体或可浮箱体)支撑的,浮动桥墩又是靠水对它的浮力支撑的。

石拱桥

由于南方与北方的地理环境不同,交通运输工具有所不同,因而石拱桥的结构也因地而异,于是出现了轻型(薄墩薄拱)石拱桥和重型(厚墩厚拱)石拱桥之分。拱的具体构造又有多种做法,其中以半圆形石拱为最多,有薄型拱,也有厚型拱。其次是圆弧形石拱,圆弧拱均系厚型拱。厚型拱中的半圆形石拱,又有多种构造形式,如并列式、分段并列式、纵联分段并列式、框形并列式、纵联式、镶边纵联式、框形纵联式。

石拱桥的著名代表首推河北赵县的赵州桥。赵州桥坐落在河北省南部的洨河上,建于隋代,由著名匠师李春设计和建造,距今已有1400年的历史,是当今世界上现存第二早(第一为小商桥)、保存最完整的古代敞肩石拱桥。

李春就地取材,选用附近州县生产的质地坚硬的青灰色砂石作为建桥石料。在石拱砌置方法上,均采用了纵向(顺桥方向)砌置方法,就是整个大桥由28道各自独立的拱券沿宽度方向并列组合而成。拱厚皆为1.03米,每券各自独立、单独操作,相当灵活。每券砌完全合龙后就成一道独立拼券,砌完一道拱券,移动承担重量的“鹰架”,再砌另一道相邻拱。这种砌法有很多优点,它既可以节省制作“鹰架”所用的木材,便于移动,又可以利于桥的维修,一道拱券的石块损坏了,只要嵌入新石,进行局部修整就行了,不必对整座桥进行调整。

在图12中我们可以看出,石拱桥的力学特点是将桥面的竖向荷载转化为部分水平推力,使拱的弯距大大减小,拱主要承受压力。这便使石拱桥具备了跨越能力大,能充分做到就地取材,耐久性好,养护维修费用少,外形美观等优点。同时又不可避免地造成了自重较大,相应的水平推力大,支架施工多,施工工序多,不便于机械化施工,施工周期长等缺点。

木拱廊桥

自宋代以来,江浙闽等多山多雨水的地方出现了一种有屋檐的桥,可遮阳避雨,供人休憩、交流、聚会,这就是人们熟知的廊桥。中国古廊桥数量众多,结构多种多样,其中浙江泰顺木拱廊桥最具代表性。

木拱廊桥是一种“河上架桥,桥上建廊,以廊护桥,桥廊一体”的古老而独特的桥梁样式。它因形似彩虹,故又称虹桥和虹梁式木构廊屋桥,又因桥上建有桥屋,故也俗称“厝桥”。它由于凭借短的构造材料,达成了大的跨度,被认为是世界桥梁史上的独特构造。

北涧桥,位于浙江省泰顺泗溪镇下桥村,因跨北溪之上,故得此名,始建于1674年(清康熙十三年)。北涧桥结构精巧,造型古朴,不仅美在桥本身的轻灵飘逸或是拥有虹桥的独特结构,更美在周围的环境。两条溪流在桥边汇合,溪水清澈见底,水面上还有一条用石梁搭起来的矴步桥。沿着溪岸,一条小路将人引向桥头和村子,两株有上千年树龄的大樟树立于桥头,虬根牢牢抓住桥基周围的石土,使得北涧桥历经数百年的风霜而无大碍。

木拱廊桥结构中最重要、最关键的部分是木拱,如图14所示为一典型木拱廊桥结构,木拱由第一、第二两个系统通过卯榫相互穿插连接而成,每根木头都发生拉压与弯曲变形。

木拱廊桥,以梁木穿插别压形成拱桥,足支撑在两岸的岩石上,木拱由数十根粗大圆木纵横拼接对拱而成“八字结构”,不用钉铆,完全依靠本身的強度、摩擦力、直径、角度和水平的距离等巧妙搭接,结构简单,却坚固异常。

在漫漫的历史长河中,无数桥梁沟通了往来,便利了生活,同时也留下了宝贵的艺术财富,诉说着昨日的故事和今日的辉煌。限于篇幅,我们只能以古桥科学分类为依据,以泸定桥、安平桥、广济桥、赵州桥、北涧桥为代表,介绍五座古代著名桥梁的历史、构造和受力分析。希望读者能加强对古桥的了解和认识,一起为保护我们引以为傲的经典民族文化尽一份力量。

链接

浙江交通职业技术学院近200位师生参与设计建造了“浙江古桥展览馆”。古桥博物馆将浙江境内北起嘉兴、南至温州苍南的古桥及其周边人文环境、自然景观按照300:1~500:1的比例还原。博物馆内展示了包括西湖断桥、杭州拱宸桥、泰顺廊桥在内的60座浙江最具代表性的古桥。

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