赵州桥是世界造桥史上的杰作,其结构特点主要体现在:1. 采用单孔石拱桥设计,跨度大,减轻了洪水对桥的压力;2. 拱形结构坚固稳定,能承受较大荷载;3. 桥面平缓,便于交通;4. 桥身轻盈美观,与周围环境和谐。这些特点使其成为古代桥梁建筑的典范。
赵州桥,也称安济桥,是隋朝大业年间(公元605-618年)由杰出工匠李春设计建造的。这座桥以其64.40米的长度和37.02米的跨径,成为世界上现存最古老、跨径最大的单孔敞肩型石拱桥。其独特的结构设计,即桥两端肩部各有两个小孔,使其在世界造桥史上占有一席之地。
历经1400年的风雨,赵州桥承受了10次水灾、8次战乱和多次地震的考验,包括1966年邢台7.6级地震,距离赵州桥仅40多公里,但桥体依然屹立不倒。桥梁专家茅以升认为,赵州桥能够存在1300多年本身就是对其结构和质量的最好证明。据历史记载,赵州桥自建成以来共经历了8次修缮。
在古代,缺乏现代计算工具和理论的情况下,赵州桥能够屹立千年,不仅在工程学上,也在美学上成为古桥中的佼佼者。这不仅归功于历史的巧合,更依赖于古代工匠的卓越分析能力和丰富的工程经验。
1. 伏拱敞肩
赵州桥在主拱的两肩上首次设计了两个小拱,称为伏拱,并挖去了部分填肩材料,形成了敞肩结构。这种设计带来了多重好处:减轻了桥身自重,节省了材料,降低了桥身对桥台的垂直和水平压力,使桥身更加轻巧,下部结构更简单;四个小拱在洪水时能增加过水面积,据专家推算,可增加约16.5%;通过敞肩调整荷载分布,使恒载压力线和大拱的轴线接近,提高了拱的构造经济性。
2. 坦拱
赵州桥采用了坦拱设计,桥身跨度大且弧形平缓,便于车马通行,同时考虑了航运需求。尽管拱平会增加对桥台的水平推力,对桥台和地基的要求较高,但李春通过敞肩设计减轻了桥自重,并采用纵向并列砌筑的施工方法,使每道拱券自成一体,一道拱券损坏不影响全桥。
3. 天然地基上的浅基础
赵州桥的桥台直接安放在轻亚粘土与亚粘土组成的第四纪冲积层上,这种天然地基土质均匀稳定,能够承受大桥的荷载。这种设计体现了中国古代匠师的全局设计思想,与当时普遍认为的长后座型式基础和桩基的猜测不同。
赵州桥通过扶拱敞肩调整荷载分布,使恒载压力线和大拱的轴线接近,从而减少主拱材料的拉应力,充分发挥石料的受压特性。通过计算模型和荷载计算,可以验证赵州桥的结构设计在力学上的合理性。
赵州桥的设计和建造展现了古代工匠的高超建筑技巧和对工程整体把握的能力,他们灵活运用力学概念进行结构创新,使得赵州桥成为世界造桥史上的一个奇迹。
---本文内容整理自曹老师
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