石拱橋
石拱橋： (shi gong qiao) stone arch bridge
用天然石料作為主要建筑材料的拱橋,這種拱橋有悠久的歷史,現(xiàn)在在石史料豐富的地區(qū),仍在繼續(xù)修建,但以向輕型方向發(fā)展.世界上最著名的割圓拱橋首推我國趙州橋.
趙州橋
趙州橋
趙州橋又名安濟橋,位于河北省趙縣城郊河上,它是世界上現(xiàn)存最早、保存最好的巨大石拱 橋,距今已有1400多年歷史,被譽為“華北四寶之一”.建于隋大業(yè)(公元605-618)年間,是著名匠師李春建造.橋長64.40米,跨徑37.02米,是當(dāng)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,這是世界造橋史的一個創(chuàng)造（沒有小拱的稱為滿肩或?qū)嵓缧停?
趙州橋建成已距今1400年,經(jīng)歷了10次水災(zāi),8次戰(zhàn)亂和多次地震,特別是1966年邢臺發(fā)生的7.6級地震,邢臺距這里有40多公里,這里也有四點幾級地震,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(nèi)部結(jié)構(gòu),僅就它能夠存在1300多年就說明了一切.1963年的水災(zāi)大水淹到橋拱的龍嘴處,據(jù)當(dāng)?shù)氐睦先苏f,站在橋上都能感覺橋身很大的晃動.據(jù)記載,趙州橋自建成至今共修繕8次.
在主拱券的上邊兩端又各加設(shè)了二個小拱,一是可節(jié)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(xué)院自然史組等四個單位組成聯(lián)合調(diào)查組,對趙州橋的橋基進(jìn)行了調(diào)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.
這么淺的橋基簡直令人難以置信,梁思成先生1933年考察時還認(rèn)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(chǔ).他在報告中寫道：
“為要實測券基,我們在北面券腳下發(fā)掘,但在現(xiàn)在河床下約70-80厘米,即發(fā)現(xiàn)承在券下平置的石壁.石共五層,共高1.58米,每層較上—層稍出臺,下面并無堅實的基礎(chǔ),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(chǔ).因再下30-40厘米便即見水,所以除非大規(guī)模的發(fā)掘,實無法進(jìn)達(dá)我們據(jù)學(xué)理推測的大座橋基的位置.”
1991年9月,趙州橋被美國土木工程師學(xué)會選定取為第十二個“國際土木工程里程碑”,
并在橋北端東側(cè)建造了“國際土木工程歷史古跡”銅牌紀(jì)念碑.
為了保護(hù)趙州橋,上世紀(jì)末在趙州橋東100米處新建的橋梁,其結(jié)構(gòu)還是沿襲趙州橋,只是主拱上的小拱數(shù)量增加到一邊5個.
〖設(shè)計創(chuàng)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(tǒng).
我國古代石橋拱形大多為半圓形,這種形式比較優(yōu)美、完整,但也存在兩方面的缺陷：一是交通不便,半圓形橋拱用于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,李春和工匠們一起創(chuàng)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(xiàn)了低橋面和大跨度的雙重目的,橋面過渡平穩(wěn),車輛行人非常方便,而且還具有用料省、施工方便等優(yōu)點.當(dāng)然圓弧形拱對兩端橋基的推力相應(yīng)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(jìn)行的重大改進(jìn),把以往橋梁建筑中采用的實肩拱改為敝肩拱,即在大拱兩端各設(shè)兩個小拱,靠近大拱腳的小拱凈跨為3．8米,另一拱的凈跨為2．8米.這種大拱加小拱的敝肩拱具有優(yōu)異的技術(shù)性能,首先可以增加泄洪能力,減輕洪水季節(jié)由于水量增加而產(chǎn)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(dān)部分洪流,據(jù)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(jié)省大量土石材料,減輕橋身的自重,據(jù)計算四個小拱可以節(jié)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(wěn)固.第三增加了造型的優(yōu)美,四個小拱均衡對稱,大拱與小拱構(gòu)成一幅完整的圖畫,顯得更加輕巧秀麗,體現(xiàn)建筑和藝術(shù)的完整統(tǒng)一.第四符合結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,敝肩拱式結(jié)構(gòu)在承載時使橋梁處于有利的狀況,可減少主拱圈的變形,提高了橋梁的承載力和穩(wěn)定性.
（3）單孔.
我國古代的傳統(tǒng)建筑方法,一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,便于修建.但是多孔橋也有缺點,如橋墩多,既不利于舟船航行,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(shè)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(dá)37米之多.這是我國橋梁史上的空前創(chuàng)舉.
〖建造技術(shù)創(chuàng)造性〗：
（1）橋址選擇比較合理,使橋基穩(wěn)固牢靠.
李春根據(jù)自己多年豐富的實踐經(jīng)驗,經(jīng)過嚴(yán)格周密勘查、比較,選擇了佼河兩岸較為平直的地方建橋,這里的地層是由河水沖積而成,地層表面是久經(jīng)水流沖涮的粗砂層,以下是細(xì)石、粗石、細(xì)砂和粘土層.根據(jù)現(xiàn)代測算,這里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?qū)Φ孛娴膲毫槊科椒嚼迕?——6公斤,能夠滿足大橋的要求.選定橋址后在上面建造地基和橋臺,自建橋到現(xiàn)在,橋基僅下沉了5厘米,說明這里的地層非常適合于建橋.
（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(chǎn)的質(zhì)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并列組合而成,拱厚皆為1.O3米,每券各自獨立、單獨操作,相當(dāng)靈活,每券砌完全合攏后就成一道獨立拼券,砌完一道供券,移動承擔(dān)重量的“鷹架”,再砌另一道相鄰拱.這種砌法有很多優(yōu)點,它既可以節(jié)省制作“鷹架”所用的木材,便于移動；同時又利于橋的維修,一道拱券的石塊損壞了,只要嵌入新石,進(jìn)行局部修整就行了,而不必對整個橋進(jìn)行調(diào)整.
（3）在保持大橋穩(wěn)定性方面采取了許多嚴(yán)密措施.
為了加強各道拱券間的橫向聯(lián)系,使28道拱組成一個有機整體,連接緊密牢固,李春采取了一系列技術(shù)措施.l）每一拱券采用了下寬上窄、略有“收分”的方法,使每個拱券向里傾斜,相互擠靠,增強其橫向聯(lián)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(wěn)定性.2）在主券上均勻沿橋?qū)挿较蛟O(shè)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(lián)系.在4個小拱上也各有一根鐵拉桿起同樣作用.3）在靠外側(cè)的幾道拱石上和兩端小拱上蓋有護(hù)拱石一層,以保護(hù)拱石；在護(hù)拱石的兩側(cè)設(shè)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一起,在兩側(cè)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(cè)面都鑿有細(xì)密斜紋,以增大摩擦力,加強各券橫向聯(lián)系.這些措施的采取使整個大橋連成一個緊密整體,增強了整個大橋的穩(wěn)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(chǔ),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.這是一個既經(jīng)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(yīng)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沉）,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(chǔ)；這種方法在今天的廠房、橋梁的建造上也經(jīng)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后移）,李春采用了延伸橋臺后座的辦法,以抵消水平推力的作用.為了保護(hù)橋臺和橋基,李春還在沿河一側(cè)設(shè)置了一道金剛墻,一方面可以防止水流的沖蝕作用,另一方面金剛墻和橋基、橋臺連成一體,增加了橋臺的穩(wěn)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.