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趙洲橋的結構,形狀,材料

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。 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,距今已有1400多年歷史,被譽為“華北四寶之壹”。建於隋大業(公元605-618)年間,是著名匠師李春建造。橋長50.82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。”

1991年9月,趙州橋被美國土木工程師學會選定取為第十二個“國際土木工程裏程碑”,並在橋北端東側建造了“國際土木工程歷史古跡”銅牌紀念碑。

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。

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。

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。

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1852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。

橋的類型與形式

按主要材料分

木、石、磚、竹、藤、鐵、鹽、冰橋

木橋是最早的橋梁形式,我國秦漢以前的橋幾乎都是木橋。如最早出現的獨木橋、木柱梁橋。約商周時便出現浮橋,戰國前後又出現排柱式木梁橋和伸臂式木梁橋。但因木材本身的特性,如質松易腐以及受材料強度和長度支配等,不僅不易在河面較寬的河流上架設橋梁,而且也難以造出牢固耐久的橋梁來,因此,南北朝始遂為木石混合或石構橋梁所取代。

石橋和磚橋。壹般是指橋面結構也是用石或磚料來做的橋,但純磚構造的橋極少見,壹般是磚木或磚石混合構建,而石橋則較多見。到春秋戰國之際便出現了石墩木梁跨空式橋,西漢進壹步發展為石柱式石梁橋,東漢則又出現了單跨石拱橋,隋代創造出世界上第壹座敞肩式單孔弧形石拱橋,唐代李昭得造出了船形墩多孔石梁橋。宋代是大型石橋蓬勃發展的時期,創造出像泉州洛陽橋和平安橋那樣的長達數裏橫跨江海交匯處的石梁橋,以及像北京蘆溝橋和蘇州寶帶橋那樣的大型石拱橋。

竹橋和藤橋。主要見於南方,尤其是西南地區。壹般只用於河面較狹的河流上,或作為臨時性架渡之用。早期的主要是壹種索橋,南北朝時稱竹質的溜索橋為“笮橋”。後來出現了竹索橋、竹浮橋和竹板橋等。鐵橋,在古代包括鐵索橋和鐵柱橋兩種。前者屬於索橋類,較多見,約在唐代便出現;後者屬於梁橋類,實為木鐵混合橋,極少見,在江西見壹例。

鹽橋和冰橋。主要見於特殊的自然環境中。前者主要見於青海鹽湖地區,後者主要見於北方寒冷地區。

按結構及外觀分

梁橋、浮橋、索橋和拱橋這四種基本類型。

梁橋。又稱平橋、跨空梁橋,是以橋墩做水平距離承托,然後架梁並平鋪橋面的橋。這是應用最為普遍的壹種橋,在歷史上也較其它橋形出現為早。它有木、石或木石混合等形式。先秦時梁橋都是用木柱做橋墩,但這種木柱木梁結構,很早就顯出其弱點,不能適應形勢的發展。因此,起而代之的是石柱木梁橋,如秦漢時建成的多跨長橋:渭橋、灞橋等。約在漢代時樁基技術發明,於是出現了石橋墩,標誌著木石組合的橋梁能夠越跨較寬大的河道能經受住洶湧洪浪的沖擊。但由於石墩上的木梁不耐風雨侵蝕,於是便在橋上建起了橋屋,保護橋身,此橋型(廊橋)後多見於南方,但最早都見於黃河流域。中小型的石梁或石板橋,構造方便,材料耐久,維修省力,是民間最為喜用的壹種橋形,尤其是南宋後,在福建泉州地區十分盛行,創造了許多長大的石梁橋。梁橋若中間無橋墩者,稱單跨梁橋;若水中有壹橋墩,使橋身形成兩孔者,便稱雙跨梁橋;若兩墩以上者,便稱多跨梁橋。

浮橋。又稱舟橋、浮航、浮桁,因其架設便易,常用於軍事目的,故也稱“戰橋”--壹種用於數十百艘木船(也有用木筏或竹筏連橫於水上的)連鎖起來並列於水面,船上鋪木板供人馬往來通行的橋。若按嚴格意義上的橋:是以跨空和有柱墩為標誌的話,那它還不是十足意義上的橋。浮橋主要建於河面過寬及河水過深或漲落起伏大,非壹般木石柱梁橋所能濟事的地方。浮橋兩岸多設柱樁或鐵牛、鐵山、石囷、石獅等以系纜。隋大業元年在洛陽洛水上建成的天津橋,是第壹次用鐵鏈連接船只的浮橋。浮橋目前在我國南方如江西、浙江、廣西等地方仍常見用。

浮橋的優點:壹是施工快速,清鹹豐二年(公元1852年),太平軍圍攻武昌,只用壹夜時間就建成兩座橫跨長江的浮橋。二是造價低廉,明代鄒守益在《修鳳林浮橋記》中,曾對石橋與浮橋做過比較:“若用石梁橋,要費千金,而用浮橋,則費五百金便可,可根據需要而定。”三是開合隨意,拆除和架設都很方便。缺點是載重量小,隨波上下動蕩不定,且抵禦洪水能力弱,常需及時拆撤,並要人照看,管理繁瑣,舟船、橋板與系船的纜繩要經常修葺和更換,維護費用昂貴。因此,很多浮橋的最後歸宿,都向木梁橋、石梁橋或石拱橋發展。

索橋。也稱吊橋、繩橋、懸索橋等,是用竹索或藤索、鐵索等為骨幹相拼懸吊起的大橋。多建於水流急不易做橋墩的陡岸險谷,主要見於西南地區。其做法是在兩岸建屋,屋內各設系繩的立柱和絞繩的轉柱,然後以粗繩索若幹根平鋪系緊,再在繩索上橫鋪木板,有的在兩側還加壹至兩根繩索作為扶欄。始見於秦漢,如秦李冰曾在四川益州(今成都)城西南建成的壹座笮橋,又名"夷裏橋",便是座竹索橋。現存著名的有建於明清時的瀘定鐵索橋、灌縣竹索橋等。過索橋感覺非常驚險,正如古人形容過索橋的那樣:“人懸半空,度彼決壑,頃刻不戒,隕無底谷。”唐代和尚智猛稱:“窺不見底,影戰影栗。”其實真正渡之還是安全的,正如《徐霞客遊紀》對貴州盤江橋評價的那樣:“望之飄然,踐之則屹然不動。”

拱橋。在我國橋梁史上出現較晚,但拱橋結構壹經采用,便迅猛發展,成為古橋中最富有生命力的壹種橋型,即使在今天,它也仍有繼續發展的廣闊前景。拱橋有石拱、磚拱和木拱之分,其中磚拱橋極少見,只在廟宇或園林裏偶見使用。壹般常見的是石拱橋,它又有單拱、雙拱、多拱之分,拱的多少視河的寬度來定。壹般正中的拱要特別高大,兩邊的拱要略小。依拱的形狀,又有五邊、半圓、尖拱、坦拱等之分。橋面壹般鋪石板,橋邊做石欄桿。拱橋的形象最早見於東漢畫像磚上,是由伸臂木石梁橋在發展過程中又受墓拱、水管等形狀影響而產生的。文獻記載見於南北朝時的《水經註》中,現存最早的實物和最具代表性的是隋代李春設計建造的趙州橋。石拱橋的發券,明以後,尤其在清代,則盛行用整券,即“桶狀發券”。

其他造型

飛閣和棧道、渠道橋和纖道橋,以及曲橋、魚沼飛梁和風水橋。

“飛閣”,又稱閣道、復道,即天橋。古代宮殿樓閣間的跨通道。《三輔黃圖》:“乃於宮(指漢未央宮)西跨城池作飛閣通建章宮,構輦道以上下。”秦漢皇宮樓殿間聯以閣道通行,因上下有道,故稱復道。秦始皇築閣道由阿房宮通驪山,人行橋上,車行橋下,堪稱中國最早的立交橋。“棧道”,又稱棧閣、橋閣,單臂式木梁橋。在山區陡峭的地方,架木鋪成的道路。

“渠道橋”,既是引水渠道又作行人用的橋梁。也即在橋上砌水渠以引水。如建於金代的山西洪洞縣惠遠橋。故今山西民間尚有“水上橋、橋上水”的俚語。“纖道橋”,壹種為便於拉纖而建造的、與河流平行的帶狀長橋。多見於浙江境內的運河地區。有的長達壹二公裏乃至五六公裏,如紹興阮社有壹座“百孔官塘”纖道橋,建於清同治年間,橋長380余米,115個跨,橋面用三塊條石拼成,底平接水面。

“曲橋”,園林中特有的橋式,故也稱園林橋。橋與徑、廊均為園林中遊人賞景的通道。“景莫妙於曲”,故園林中橋多做成折角者,如九曲橋,以形成壹條來回擺動,左顧右盼的折線,達到延長風景線,擴大景觀畫面的效果。曲橋壹般由石板、欄板構成,石板略高出水面,欄桿低矮,造成與水面似分非分、空間似隔非隔,尤有含蓄無盡之意。