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中國典型的石拱橋及其介紹

趙州橋坐落在河北省南部,流經趙縣。建於隋代(公元581-618年)大業年間(公元605-618年),由著名匠師李春設計和建造,距今已有1400年的歷史,是當今世界上現存最早、保存最完善的古代敞肩石拱橋。趙州橋1961年被國務院列為第壹批全國重點文物保護單位。1991年,美國土木工程師學會將安濟橋選定為第12個“國際歷史土木工程的裏程碑”,並在橋北端東側建造了“國際歷史土木工程古跡”銅牌紀念碑。趙州橋, 又名安濟橋,位於河北趙縣洨河上,它是世界上現存最早、保存最好的巨大石拱橋。被譽為“華北四寶之壹”。建於隋大業(公元605-618)年間。橋長64.40米,跨徑37.02米,券高7.23米,是當今世界上跨徑最大、建造最早的單孔敞肩型石拱橋。因橋兩端肩部各有二個小孔,不是實的,故稱敞肩型,這是世界造橋史的壹個創造(沒有小拱的稱為滿肩或實肩型)。橋上有很多的東西,類型眾多,豐富多彩。

趙州橋建成已距今1400年,經歷了10次水災,8次戰亂和多次地震,特別是1966年邢臺發生的7.6級地震,邢臺距這裏有40多公裏,這裏也有四點幾級地震,趙州橋都沒有被破壞,著名橋梁專家茅以升說,先不管橋的內部結構,僅就它能夠存在1300多年就說明了壹切。1963年的水災大水淹到橋拱的龍嘴處,據當地的老人說,站在橋上都能感覺橋身很大的晃動。據記載,趙州橋自建成至今***修繕9次。

在主拱券的上邊兩端又各加設了二個小拱,壹是可節省材料,二是減少橋身自重(減少自重15%),而且能增加橋下河水的泄流量。

1979年5月,由中國科學院自然史組等四個單位組成聯合調查組,對趙州橋的橋基進行了調查,自重為2800噸的趙州橋,而它的根基只是有五層石條砌成高1.55米的橋臺,直接建在自然砂石上。

這麽淺的橋基簡直令人難以置信,梁思成先生1933年考察時還認為這只是防水流沖刷而用的金剛墻,而不是承納橋券全部荷載的基礎。他在報告中寫道:

“為要實測券基,我們在北面券腳下發掘,但在現在河床下約70-80厘米,即發現承在券下平置的石壁。石***五層,***高1.58米,每層較上—層稍出臺,下面並無堅實的基礎,分明只是防水流沖刷而用的金剛墻,而非承納橋券全部荷載的基礎。因再下30-40厘米便即見水,所以除非大規模的發掘,實無法進達我們據學理推測的大座橋基的位置。”

為了保護趙州橋,上世紀末在趙州橋東100米處新建的橋梁,其結構還是沿襲趙州橋,只是主拱上的小拱數量增加到壹邊5個,橋上有車輪印,膝蓋印。

編輯本段設計創新

(1)采用圓弧拱形式,改變了我國大石橋多為半圓形拱的傳統。我國古代石橋拱形大多為半圓形,這種形式比較優美、完整,但也存在兩方面的缺陷:壹是交通不便,半圓形橋拱用於跨度比較小的橋梁比較合適,而大跨度的橋梁選用半圓形拱,就會使拱頂很高,造成橋高坡陡、車馬行人過橋非常不便。二是施工不利,半圓形拱石砌石用的腳手架就會很高,增加施工的危險性。為此,李春和工匠們壹起創造性地采用了圓弧拱形式,使石拱高度大大降低。趙州橋的主孔凈跨度為37.O2米,而拱高只有7.25米,拱高和跨度之比為1:5左右,這樣就實現了低橋面和大跨度的雙重目的,橋面過渡平穩,車輛行人非常方便,而且還具有用料省、施工方便等優點。當然圓弧形拱對兩端橋基的推力相應增大,需要對橋基的施工提出更高的要求。

(2)采用敝肩。這是李春對拱肩進行的重大改進,把以往橋梁建築中采用的實肩拱改為敝肩拱,即在大拱兩端各設兩個小拱,靠近大拱腳的小拱凈跨為3.8米,另壹拱的凈跨為2.8米。這種大拱加小拱的敝肩拱具有優異的技術性能,首先可以增加泄洪能力,減輕洪水季節由於水量增加而產生的洪水對橋的沖擊力。古代佼河每逢汛期,水勢較大,對橋的泄洪能力是個考驗,四個小拱就可以分擔部分洪流,據計算四個小拱可增加過水面積16%左右,大大降低洪水對大橋的影響,提高大橋的安全性。其次敝肩拱比實肩拱可節省大量土石材料,減輕橋身的自重,據計算四個小拱可以節省石料26立方米,減輕自身重量700噸,從而減少橋身對橋臺和橋基的垂直壓力和水平推力,增加橋梁的穩固。第三增加了造型的優美,四個小拱均衡對稱,大拱與小拱構成壹幅完整的圖畫,顯得更加輕巧秀麗,體現建築和藝術的完整統壹。第四符合結構力學理論,敝肩拱式結構在承載時使橋梁處於有利的狀況,可減少主拱圈的變形,提高了橋梁的承載力和穩定性。

(3)單孔。我國古代的傳統建築方法,壹般比較長的橋梁往往采用多孔形式,這樣每孔的跨度小、坡度平緩,便於修建。但是多孔橋也有缺點,如橋墩多,既不利於舟船航行,也妨礙洪水宣泄;橋墩長期受水流沖擊、侵蝕,天長日久容易塌毀。因此,李春在設計大橋的時候,采取了單孔長跨的形式,河心不立橋墩,使石拱跨徑長達37米之多。這是我國橋梁史上的空前創舉。

編輯本段建造技術創造性

(1)橋址選擇比較合理,使橋基穩固牢靠。

李春根據自己多年豐富的實踐經驗,經過嚴格周密勘查、比較,選擇了佼河兩岸較為平直的地方建橋,這裏的地層是由河水沖積而成,地層表面是久經水流沖涮的粗砂層,以下是細石、粗石、細砂和粘土層。根據現代測算,這裏的地層每平方厘米能夠承受4.5到6.6公斤的壓力,而趙州橋對地面的壓力為每平方厘米5——6公斤,能夠滿足大橋的要求。選定橋址後在上面建造地基和橋臺,自建橋到現在,橋基僅下沈了5厘米,說明這裏的地層非常適合於建橋。

(2)趙州橋的砌置方法新穎、施工修理方便。

李春就地取材,選用附近州縣生產的質地堅硬的青灰色砂石作為建橋石料,在石拱砌置方法上,均采用了縱向(順橋方向)砌置方法,就是整個大橋是由28道各自獨立的拱券沿寬度方向並列組合而成,拱厚皆為1.O3米,每券各自獨立、單獨操作,相當靈活,每券砌完全合攏後就成壹道獨立拼券,砌完壹道供券,移動承擔重量的“鷹架”,再砌另壹道相鄰拱。這種砌法有很多優點,它既可以節省制作“鷹架”所用的木材,便於移動;同時又利於橋的維修,壹道拱券的石塊損壞了,只要嵌入新石,進行局部修整就行了,而不必對整個橋進行調整。

(3)在保持大橋穩定性方面采取了許多嚴密措施。

為了加強各道拱券間的橫向聯系,使28道拱組成壹個有機整體,連接緊密牢固,李春采取了壹系列技術措施。l)每壹拱券采用了下寬上窄、略有“收分”的方法,使每個拱券向裏傾斜,相互擠靠,增強其橫向聯系,以防止拱石向外傾倒;在橋的寬度上也采用了少量“收分”的辦法,就是從橋的兩端到橋頂逐漸收縮寬度,從最寬9.6米收縮到9米,以加強大橋的穩定性。2)在主券上均勻沿橋寬方向設置了5個鐵拉桿,穿過28道拱券,每個拉桿的兩端有半圓形桿頭露在石外,以夾住28道拱券,增強其橫向聯系。在4個小拱上也各有壹根鐵拉桿起同樣作用。3)在靠外側的幾道拱石上和兩端小拱上蓋有護拱石壹層,以保護拱石;在護拱石的兩側設有勾石6塊,勾住主拱石使其連接牢固。4)為了使相鄰拱石緊緊貼合在壹起,在兩側外券相鄰拱石之間都穿有起連接作用的“腰鐵”,各道券之間的相鄰石塊也都在拱背穿有“腰鐵”,把拱石連鎖起來。而且每塊拱石的側面都鑿有細密斜紋,以增大摩擦力,加強各券橫向聯系。這些措施的采取使整個大橋連成壹個緊密整體,增強了整個大橋的穩定性和可靠性。

(4)趙州橋的橋臺獨具特色。

橋臺是整座大橋的基礎,必須能承受大橋主拱圈(橋身主體)軸而向力分解而成的巨大水平推力和垂直壓力。趙州橋的橋臺具有下述特點:l)低拱腳:拱腳在河床下僅半米左右;2)淺橋基:橋基底面在拱腳下1.7米左右;3)短橋臺:由上至下,用逐漸略有加厚的石條砌成5米長、6.7米寬、9.6米高的橋臺。這是壹個既經濟又簡單實用的橋臺。為了保障橋臺的可靠性,李春采取了許多相應的固基措施。為了減少橋臺的垂直位移(即由大橋主體的垂直壓力造成的下沈),李春采取了在橋臺邊打入許多木樁的措施,以此來加強橋臺的基礎;這種方法在今天的廠房、橋梁的建造上也經常采用。為了減少橋臺的水平移動(即由大橋主體的水平推力造成的橋臺後移),李春采用了延伸橋臺後座的辦法,以抵消水平推力的作用。為了保護橋臺和橋基,李春還在沿河壹側設置了壹道金剛墻,壹方面可以防止水流的沖蝕作用,另壹方面金剛墻和橋基、橋臺連成壹體,增加了橋臺的穩定性。由以上措施保證了大橋具有堅固的橋臺,提高了大橋的堅實程度。

編輯本段趙州橋三絕

(1)“券”小於半圓。我國習慣上把弧形的橋洞、門洞之類的建築叫做“券”。壹般石橋的券,大都是半圓形。但趙州橋跨度很大,從這壹頭到那壹頭有37.04米。如果把券修成半圓形,那橋洞就要高18.52米。這樣車馬行人過橋,就好比越過壹座小山,非常費勁。趙州橋的券是小於半圓的壹段弧,這既減低了橋的高度,減少了修橋的石料與人工,又使橋體非常美觀,很像天上的長虹。

(2)“撞”空而不實。券的兩肩叫“撞”。壹般石橋的撞都用石料砌實,但趙州橋的撞沒有砌實,而是在券的兩肩各砌壹兩個弧形的小券。這樣橋體增加了四個小券,大約節省了壹百八十立方米石料,使橋的重量減輕了大約500噸。而且,當洨河漲水時,壹部分水可以從小券往下流,既可以使水流暢通,又減少了洪水對橋的沖擊,保證了橋的安全。

(3)洞砌並列式。它用二十八道小券並列成9.6米寬的大券。可是用並列式砌,各道窄券的石塊間沒有相互聯系,不如縱列式堅固。為了彌補這個缺點,建造趙州橋時,在各道窄券的石塊之間加了鐵釘,使它們連成了整體。用並列式修造的窄券,即使壞了壹個,也不會牽動全局,修補起來容易,而且在修橋時也不影響橋上交通。

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