历史上的拱桥.pdf

!#罗福午，$%&年&月生，浙江上虞人，清华大学土木工程系，教授，&(，北京收稿日期：!&)!)&#图!阿尔坎塔拉桥工程史话历 史 上 的 拱 桥罗福午!#$%&%()*#+(,(+!-%.!#$%&%图 威柯勒桥图%赵县石拱桥图(伦敦老桥拱，作为一种结构，在荷载作用下主要承受轴向压力，用拱券或拱肋作为主要承重结构的桥梁称为拱桥。显然，受压性能极好的石拱桥是历史上最先发展的桥梁之一。在古代，拱桥起源于模仿石灰岩溶洞中天然形成的“天生桥”。据说美索不达米亚*+,-./.01231，中亚底格里斯河和幼发拉底河流域间的古王国，现今伊拉克所在地4人，曾在古罗马人建造石拱桥以前的!&多年，就造过这种桥梁。古罗马人认为桥是由于神的感召力量才存在的，因而他们将建造石拱桥的任务委托给由大祭士马克西姆斯*+15326-4 为首的一个教士阶层来建造。古罗马时代石拱桥的拱券呈半圆形，拱石要经过仔细地切割和凿磨，并单凭石块自身的重力将拱券挤紧，拱石的缝隙间不填砂浆。由于尚不能修建深水基础，当时石拱桥墩的宽度与拱的跨度比大多为 7%8 7!。这种桥多半在施工时有临时支架，直到加上拱顶石使全拱形成一个结构后，才将临时支架撤除。这时所建的跨河石拱桥，只有较窄的车道，并且桥下不能通航，往往因为桥身*含拱券和桥墩4阻水面积过大，而被洪水所冲毁。今天，英国西约克郡的威柯勒桥*9:;.=3?,A 9,-0 B.=CD-E3=,4 就是一座早在&年前建造成的，类似古罗马人砌筑的石拱桥*图4。西班牙境内还有一座建成于公元$年的#孔石拱桥，名为阿尔坎塔拉*F;1G01G14 桥，它的桥墩建造在岩石上，中间两孔跨度各为!2，桥面高出谷底 H!2*图!4。我国隋朝开皇十五年至大业元年间*公元 H$H8#&H 年4，由匠人李春在现河北省赵县建成一座跨越河的石拱桥*图%4，至今著名于世。该桥初称赵州石桥，后称安济桥，为一空腹式单孔圆弧石拱桥，全部用石灰岩石块建造，全长 H&I%2，净跨%JI&!2，矢高JI!%2，矢跨比*矢高与跨径之比4小于7H，桥面宽$2，行车道纵坡#IHK。拱由!个石券*窄拱4 并列组成，每个拱券石厚约 I&%2，长约 I&2，宽在拱顶处为&I!H2，部分拱石在趋近拱趾处逐渐放宽，使整个拱券在拱趾处有较大宽度。在拱券上压有一层厚&I#8&I%2的护拱石，并列券每隔一段距离设有铁拉条和钩石，有利于各列券石共同受载，不致解体。在大拱券之上，每侧设有两个小拱，可以减轻桥的自重，并增加泄洪面积，也使桥面平缓，便于通行。该桥虽在%&余年中经受多次洪水及地震，至今安然无恙，公认为世界现存最早、跨度最大、造型最新的石拱桥。除赵州石桥外，我国著名的石拱桥还有北京的卢沟桥*建成于$!年，长!#H 2，宽 2，由 孔石拱组成4，苏州的宝带桥*相传在唐代建造，全长%J 2，由 H%个连续石拱组成4等。在中世纪*H8&世纪4 时期，中亚和埃及的森林较少，因而在那里多采用石拱桥或石板、石梁桥；到了 8!世纪，石拱桥被引入欧洲，并按当时习俗在桥上或设置教堂、神龛，或设置商店、住房、碉堡。英国在 J#8!&$年的%年间由科尔教堂的神父兼工程师彼得*L,0,=.M N.,NE6=;E4主持建造伦敦老桥*O=3?,，见图(，此图是一幅全盛时的画面4。该桥跨越宽$&M0*!J(24 的泰晤士河，由$个哥特式尖拱组成，拱间有坚实的巨型桥墩，每个桥墩都坐落在既宽阔又两端尖圆的基座上，用以抵御汹涌澎湃的潮汐。桥面建筑技术F=;E30,;06=,Q,;EG.:第%卷*!&!年4第%期R.I%S.I%工程史话 万方数据!年第#期!$%上设置了许多住房和商店，颇为壮观。由于桥墩和桥座的阻水面积很大，在潮汐涨落时，桥下河水的流速很快，河床受到冲刷，桥身很早就明显下沉，但因为它是伦敦的交通要道，经数度加固维修，还是使用了&多年，直到$!&年才拆除。法国$#($#)年在卡奥尔建成瓦朗特尔*+,-./01.2桥，它是一座跨度为$&)3 的&孔石拱桥，桥上设有高耸的箭楼#座，至今屹立无损，见图)。木拱桥起源于中国，最早在 水经注 中就记有春秋时晋国公平年间*公元前)&(前)#!年2 曾在汾水上建造木梁、木柱桥。当要建造的桥的跨度大于木材长度时，就使用悬臂梁及拱式木桥。建于清嘉庆七年*$!年2 的浙江云和梅木拱桥的跨度为#453，至今保持原貌，见图&。$($6 世纪欧洲发生工业革命，人们开始利用铸铁或锻铁材料建造拱桥。$%6 年，英 国 在 科 尔 布 鲁 克*788-9188:;,-.2由 亚 伯 拉 罕 达 拜*,19?2 主持建成了跨越塞文河*.A.1/BCA.12的第一座铸铁拱桥*图%2。它的跨度约#4)3，仅耗费了#%0铸铁，而且只用了#个月就安装完成。应当说明的是，那时的铸铁桥是没有螺栓或铆钉的，杆件的连接方法只是木工所采用的方法，例如用刻槽、榫接之类的原理将铸件拼接起来。这座桥曾使用了$%年，现已作为文物保存而未受损伤，还可以在上面徒步行走或骑自行车。当$%6)年一场洪水冲毁塞文河上的大多数桥梁时，这座桥却安然无恙，充分说明铁制品的强度和耐久性，也意味着铁桥在欧洲和世界各地的诞生。在法国，埃菲尔铁塔的缔造者 D埃菲尔*DEF0,A.GCHH.-2 在铁桥方面也有建树。他为了减轻风力对桥身的压力，用开敞式桁架*8I./01EFF2 结构做拱桥，并且将半圆拱券改成抛物线拱券，用锻铁代替铸铁，使拱端的固接支承变成铰接支承，以适应桥跨加大后的温度效应。他将这种结构用于加拉别德高架铁路桥*D,1,9C0+C,;EJ02 上，成为当时跨越峡谷的最高桥。$)年，英国一位杰出的工程师布鲁纳*KF,39,1;LC/M;83N1E/.-2在 普 利 茅 斯 附 近 的 塔 马 河*O,3,1 BCA.12 上建造了跨度为 5)H0*$#6 32 的透镜状双跨锻铁组合桥 索尔塔希桥*,-0,F=N1C;M.，见图 2 或称 皇 家 艾 尔 伯 特 桥*B8?,-9.10N1C;M.2。它是锻铁筒拱和锻铁悬索两种结构形式的结合，桥身高于河面$H0*#4)32，其桥墩埋置在坚实的岩石层上。该桥巧妙之处是在桥面荷载作用下，拱的支承处有水平推力，而悬索的支承处则有水平拉力，二者互相抵消，从而大大简化了桥上塔架的作法。!世纪!(#年代出现了铆钉连接，)(&年代又相继发明了转炉和平炉冶炼工艺，进而轧制型钢被广泛应用，钢拱桥得到较大发展。其中著名的历史上的拱桥 万方数据第!卷#$建筑技术有澳大利亚悉尼的公路桥 悉尼港桥，它于#%!年建成，是一座跨度为&!(的钢桁架桥。还有美国#%)年在尼亚加拉瀑布上建成的刘易斯顿*昆斯顿拱桥，跨度为!+,$(。此外，#%&)年在加纳建成的阿多米拱桥-跨度为+&(.和#%)/年在捷克建成的兹达科夫拱桥-跨度!(.，均为用高强度螺栓连接焊接构件的钢拱结构桥。#%年前后，钢筋混凝土逐渐受到桥梁界的重视，被用在拱桥中。世纪&0/年代由于成功地采用悬臂拼装和悬臂伯浇筑的施工方法，大跨度钢筋混凝土拱桥得到进一步发展。如#%)+年澳大利亚悉尼港建成的格拉德斯维尔桥-用箱形拱肋，跨度!+,$(.，#%$年南斯拉夫建成的克拉克!桥-用单箱三室截面，公路管道两用，跨度!%(.，都是世界的知名拱桥-表#.。我国重庆万县长江大桥，是!#$国道-成都*上海.上跨越长江的一座大型劲性骨架混凝土箱形截面的拱桥，净跨+(，单孔跨江，无深水基础，在同类桥型中跨度居世界第一，见图%。表#为迄今为止世界前#位大跨度钢筋混凝土拱桥一览表，从中可见我国拱桥已处于世界领先水平。备注劲性骨架混凝土箱拱桁架组合拱中承式劲性骨架肋拱中承式钢管混凝土桁架拱序号#!+&)/$%#桥名重庆万县长江大桥克拉克!桥-121!.贵州江界河桥广西邕宁邕江桥格拉德斯维尔桥里约帕拉那桥-234 567686.伯罗克朗桥-9:4;776?36.广西三岸桥兰策桥-268A6.跨度 B(+!%!#!+,$%/)#矢跨比-!B.#B&,#B),&#B),#B&,#B/,$#B&,&#B+,#B&,#B&,#B/,&桥宽 B(!,#,+#!,+#$,%&,)#!,&#),),&!,$#,建成时间#%/#%$#%&#%)#%)+#%)&#%$!#%)!在建#%国 家中国南斯拉夫中国中国澳大利亚巴西南非葡萄牙中国!法国表!世界大跨度钢筋混凝土拱桥览表前!#位$图)超孔隙水压力随荷载级别的变化曲线图$超孔隙水压力随深度的变化曲线图/第&级荷载下不同时段的超孔隙水压力变化曲线-上接第#%页.土，超孔隙水压力消散本身就较慢，再加上 CDE 桩的隔水作用以及两种桩对桩间土的加密，三种因素综合后导致超孔隙水压力消散得较为缓慢。图$为第&级荷载作用下超孔隙水压力随深度的变化曲线，图中#、!、+、&、)、/为荷级。由图$中可以看出，超孔隙水压力最大点发生在!,&(处。从前面的应力分析可知，这是因为碎石桩的桩身应力最大处也在!,&(处，此处碎石桩的鼓胀相对较大，此处土的附加应力也较大，相应的超孔隙水压力也就大。%结论-#.运用组合型桩处理软土地基，可使 EC 桩所承担的荷载向较深的范围传递-本例中 EC 桩可将荷载传递到/倍桩径范围处.，且从总体而言，复合地基的内力分布更加均匀，有利于桩土共同承担荷载，这也符合复合地基的基本条件 加筋体与桩间土共同承载。-.随着荷载的不断增加，复合地基的桩土应力比也增大，桩端虽仍发生应力集中，但集中的程度有所减弱，呈现“整体效应”下的应力集中。-!.组合型复合地基的超孔隙水压力表现为随荷载的增大而增大，但其消散较单一碎石桩复合地基慢，这决定了该类复合地基的固结变形时间稍长。参考文献#陈强,组合型复合地基的特性及其 DFG 模拟研究,学位论文,南京：南京大学地科系，#%$王步云，赵秀芹,砂石桩与低强度混凝土桩组合型复合地基在软土地基中的应用-一.,岩土工程技术，#%/-#.!王步云，赵秀芹,砂石桩与低强度混凝土桩组合型复合地基在软土地基中的应用-二.,岩土工程技术，#%/-.+王步云，赵秀芹,挤密碎石桩与 CDE 桩组合处理软土地基的理论与实践,中国工程勘察，#%&-#.&党昱敬,CDE 桩和沉管挤密碎石桩组合型复合地基的承载力,工业建筑，#%/-!.本文曾得到太原煤炭设计研究院王步云、江苏省交通科学研究院胡应德等人的指点，谨致谢意。万方数据历史上的拱桥历史上的拱桥作者：罗福午作者单位：清华大学土木工程系,100084,北京刊名：建筑技术英文刊名：ARCHITECTURE TECHNOLOGY年，卷(期)：2002，33(3)被引用次数：5次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.陈强 复合地基的特性及其有限元模拟学位论文 19982.王步云.赵秀芹 砂石桩与低强度混凝土桩组合型复合地基在软土地基中的应用(一)1997(01)3.王步云.赵秀芹 砂石桩与低强度混凝土桩组合型复合地基在软土地基中的应用(二)1997(02)4.王步云.赵秀芹 挤密碎石桩与CFG桩组合处理软土地基的理论与实践 1995(01)5.党昱敬 CFG桩和沉管挤密碎石桩组合型复合地基的承载力 1997(03)引证文献(5条)引证文献(5条)1.毕继红.王剑 葵型拱桥落架过程仿真分析期刊论文-华中科技大学学报（城市科学版）2008(3)2.ZHANG Zhe.WAN Qi-bai.SHI Lei Development of cooperative system bridges期刊论文-重庆大学学报（英文版）2008(3)3.邓莉 在役钢筋混凝土拱桥承载潜力研究学位论文硕士 20064.袁长春 拱桥大吨位缆索吊机的设计与施工学位论文硕士 20055.邓志华 大跨度钢筋混凝土箱形板拱的力学性能分析学位论文硕士 2005 本文链接：http:/