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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    中國古代經典橋梁

                    2018-03-14 22:38:00

                      從古至今,中國人修建了數以萬計或奇巧或壯麗的橋梁。中國古代橋梁的建筑藝術世界聞名,多座橋梁已成世界橋梁史上的創舉。目前對古橋的分類方法較多,本文根據橋梁結構的承載狀況和桿件的受力性質,將中國古代橋梁分成5大類——索橋、梁橋、浮橋(浮動橋墩類)、拱橋和木拱廊橋(廊橋類)。

                      索橋

                      我國古代索橋中最具代表性的是瀘定橋。瀘定橋在四川省瀘定縣縣城西,橫跨大渡河,通稱為大渡河鐵索橋。此橋為鐵索懸橋,凈跨長度100米,寬2.8米,橋面距枯水位14.5米,全橋鐵索共13根,9根鐵索平行系于大渡河兩岸,上平鋪木板作為橋面,其余4根分別懸于左右作為橋欄扶手。瀘定橋始建于1705年(清康熙四十四年)。1935年5月29日,中國工農紅軍長征途中曾在此取得飛奪瀘定橋的重大勝利,這一勝利讓瀘定橋馳名中外。

                      瀘定橋的上部結構是鐵索(鐵鏈條),鐵索承受上部結構的全部荷載。其中底面的鐵索上鋪設橋面板,側面鐵索上安裝欄桿,共同構成上部結構——橋面系統。鐵索橋依靠拉力,使橋身不在重力作用下下落,其拉力在豎直方向上的分力與重力抵消,從而達到平衡狀態。橋板與鐵索間的受力情況如圖2所示,G、T1、T2組成一個匯交力系,保持平衡。從圖3所示的力三角形看,T1、T2遠遠大于G,所以建造鐵索橋時要確保鐵索有足夠的強度和剛度。

                      除了鐵索橋外,索橋還有竹索橋、藤索橋等,如四川安瀾橋的“索”,就是用竹子劈成細絲擰成的,故稱竹索橋

                      梁橋

                      梁橋的代表是我國現存最長的石橋安平橋(圖5),它位于福建晉江安海鎮,享“天下無橋長此橋”之譽。因安海鎮古稱安平道,此橋由此得名;又因橋長約2.5千米(5華里),俗稱五里橋。

                      安平橋始建于1138年(南宋紹興八年),明清兩代曾多次重修。橋面寬3~3.8米,橋墩共361個,用花崗巖條石橫直交錯疊砌而成,共有3種形式:長方形、單邊船形、雙邊船形。其中單邊船形一端成尖狀,另一端為方形,設于較緩的港道地方;雙邊船形墩的兩端成尖狀,便于排水,設在水流較急而較寬的主要港道。

                      安平橋是梁橋,主體受力構件是梁柱,主要變形是梁的彎曲變形。梁式橋有木梁橋和石梁橋兩種,其縱梁均系簡支梁。不言而喻,安平橋的結構比較簡單,其上部結構多以石板為梁,石板梁既是梁又是橋面。下部結構以板砌筑墩臺,此種石橋通稱為“石板梁橋”。

                      如圖6所示,簡支梁上力越靠近梁中,彎矩M1和M2越大,梁上下兩邊承受的正應力越大,當正應力達到極限值時,梁隨時都會斷掉,這就是強度極限。所以保護石梁橋的最好方法就是盡量減小梁中的最大正應力。

                      浮橋

                      廣濟橋位于廣東省潮安縣潮州鎮東,橫跨韓江,始建于1171年(南宋乾道7年)。全橋長515米,分東西兩段18墩,中間一段寬約百米,因水流湍急,未能架橋,只用小船擺渡,當時稱濟州橋。橋墩用花崗石塊砌成,中段用18艘梭船聯成浮橋,能開能合,當大船、木排通過時,可以將浮橋中的浮船解開,讓船只、木排通過。它是世界上最早的一座開關活動式大石橋。

                      浮橋的結構形式有兩種:一是傳統的形式,在船或浮箱上架梁、再鋪橋面。二是舟梁合一的形式,或船只首尾相連,成縱列式,或將舟體緊密排列成帶式。為保持浮橋軸線位置不致偏移,在上、下游需設纜索錨碇。為與兩岸接通,還需在兩岸設置過渡梁或跳板。廣濟橋屬后者,是古代浮橋建筑的代表。

                      浮橋實屬梁橋,與梁橋不同的是,梁橋的梁是靠橋墩支撐的,橋墩又是靠地面支撐,是固定不動的;而浮橋的梁是靠浮動橋墩(船體或可浮箱體)支撐的,浮動橋墩又是靠水對它的浮力支撐的。

                      簡支梁橋的主要特點是:受力明確、構造簡單,易于標準化設計、制作和工地預制,易于架設施工,易于養護、維修和更換構件。從受力分析上看,破壞梁的頭號殺手是梁中的最大彎矩,而最大彎矩與梁長成正比關系,所以簡支梁橋不適用于較大跨度的橋梁工程。

                      石拱橋

                      由于南方與北方的地理環境不同,交通運輸工具有所不同,因而石拱橋的結構也因地而異,于是出現了輕型(薄墩薄拱)石拱橋和重型(厚墩厚拱)石拱橋之分。拱的具體構造又有多種做法,其中以半圓形石拱為最多,有薄型拱,也有厚型拱。其次是圓弧形石拱,圓弧拱均系厚型拱。厚型拱中的半圓形石拱,又有多種構造形式,如并列式、分段并列式、縱聯分段并列式、框形并列式、縱聯式、鑲邊縱聯式、框形縱聯式。

                      石拱橋的著名代表首推河北趙縣的趙州橋。趙州橋坐落在河北省南部的洨河上,建于隋代,由著名匠師李春設計和建造,距今已有1400年的歷史,是當今世界上現存第二早(第一為小商橋)、保存最完整的古代敞肩石拱橋。

                      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1.03米,每券各自獨立、單獨操作,相當靈活。每券砌完全合龍后就成一道獨立拼券,砌完一道拱券,移動承擔重量的“鷹架”,再砌另一道相鄰拱。這種砌法有很多優點,它既可以節省制作“鷹架”所用的木材,便于移動,又可以利于橋的維修,一道拱券的石塊損壞了,只要嵌入新石,進行局部修整就行了,不必對整座橋進行調整。

                      在圖12中我們可以看出,石拱橋的力學特點是將橋面的豎向荷載轉化為部分水平推力,使拱的彎距大大減小,拱主要承受壓力。這便使石拱橋具備了跨越能力大,能充分做到就地取材,耐久性好,養護維修費用少,外形美觀等優點。同時又不可避免地造成了自重較大,相應的水平推力大,支架施工多,施工工序多,不便于機械化施工,施工周期長等缺點。

                      木拱廊橋

                      自宋代以來,江浙閩等多山多雨水的地方出現了一種有屋檐的橋,可遮陽避雨,供人休憩、交流、聚會,這就是人們熟知的廊橋。中國古廊橋數量眾多,結構多種多樣,其中浙江泰順木拱廊橋最具代表性。

                      木拱廊橋是一種“河上架橋,橋上建廊,以廊護橋,橋廊一體”的古老而獨特的橋梁樣式。它因形似彩虹,故又稱虹橋和虹梁式木構廊屋橋,又因橋上建有橋屋,故也俗稱“厝橋”。它由于憑借短的構造材料,達成了大的跨度,被認為是世界橋梁史上的獨特構造。

                      北澗橋,位于浙江省泰順泗溪鎮下橋村,因跨北溪之上,故得此名,始建于1674年(清康熙十三年)。北澗橋結構精巧,造型古樸,不僅美在橋本身的輕靈飄逸或是擁有虹橋的獨特結構,更美在周圍的環境。兩條溪流在橋邊匯合,溪水清澈見底,水面上還有一條用石梁搭起來的矴步橋。沿著溪岸,一條小路將人引向橋頭和村子,兩株有上千年樹齡的大樟樹立于橋頭,虬根牢牢抓住橋基周圍的石土,使得北澗橋歷經數百年的風霜而無大礙。

                      木拱廊橋結構中最重要、最關鍵的部分是木拱,如圖14所示為一典型木拱廊橋結構,木拱由第一、第二兩個系統通過卯榫相互穿插連接而成,每根木頭都發生拉壓與彎曲變形。

                      木拱廊橋,以梁木穿插別壓形成拱橋,足支撐在兩岸的巖石上,木拱由數十根粗大圓木縱橫拼接對拱而成“八字結構”,不用釘鉚,完全依靠本身的強度、摩擦力、直徑、角度和水平的距離等巧妙搭接,結構簡單,卻堅固異常。

                      在漫漫的歷史長河中,無數橋梁溝通了往來,便利了生活,同時也留下了寶貴的藝術財富,訴說著昨日的故事和今日的輝煌。限于篇幅,我們只能以古橋科學分類為依據,以瀘定橋、安平橋、廣濟橋、趙州橋、北澗橋為代表,介紹五座古代著名橋梁的歷史、構造和受力分析。希望讀者能加強對古橋的了解和認識,一起為保護我們引以為傲的經典民族文化盡一份力量。

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