拱桥的受力特点

石拱桥
石拱桥： (shi gong qiao) stone arch bridge
用天然石料作为主要建筑材料的拱桥,这种拱桥有悠久的历史,现在在石史料丰富的地区,仍在继续修建,但以向轻型方向发展.世界上最著名的割圆拱桥首推我国赵州桥.
赵州桥
赵州桥
赵州桥又名安济桥,位于河北省赵县城郊河上,它是世界上现存最早、保存最好的巨大石拱 桥,距今已有1400多年历史,被誉为“华北四宝之一”.建于隋大业(公元605-618)年间,是著名匠师李春建造.桥长64.40米,跨径37.02米,是当今世界上跨径最大、建造最早的单孔敞肩型石拱桥.因桥两端肩部各有二个小孔,不是实的,故称敞肩型,这是世界造桥史的一个创造（没有小拱的称为满肩或实肩型）.
赵州桥建成已距今1400年,经历了10次水灾,8次战乱和多次地震,特别是1966年邢台发生的7.6级地震,邢台距这里有40多公里,这里也有四点几级地震,赵州桥都没有被破坏,著名桥梁专家茅以升说,先不管桥的内部结构,仅就它能够存在1300多年就说明了一切.1963年的水灾大水淹到桥拱的龙嘴处,据当地的老人说,站在桥上都能感觉桥身很大的晃动.据记载,赵州桥自建成至今共修缮8次.
在主拱券的上边两端又各加设了二个小拱,一是可节省材料,二是减少桥身自重（减少自重15%）,而且能增加桥下河水的泄流量.
1979年5月,由中国科学院自然史组等四个单位组成联合调查组,对赵州桥的桥基进行了调查,自重为2800吨的赵州桥,而它的根基只是有五层石条砌成高1.55米的桥台,直接建在自然砂石上.
这么浅的桥基简直令人难以置信,梁思成先生1933年考察时还认为这只是防水流冲刷而用的金刚墙,而不是承纳桥券全部荷载的基础.他在报告中写道：
“为要实测券基,我们在北面券脚下发掘,但在现在河床下约70-80厘米,即发现承在券下平置的石壁.石共五层,共高1.58米,每层较上—层稍出台,下面并无坚实的基础,分明只是防水流冲刷而用的金刚墙,而非承纳桥券全部荷载的基础.因再下30-40厘米便即见水,所以除非大规模的发掘,实无法进达我们据学理推测的大座桥基的位置.”
1991年9月,赵州桥被美国土木工程师学会选定取为第十二个“国际土木工程里程碑”,
并在桥北端东侧建造了“国际土木工程历史古迹”铜牌纪念碑.
为了保护赵州桥,上世纪末在赵州桥东100米处新建的桥梁,其结构还是沿袭赵州桥,只是主拱上的小拱数量增加到一边5个.
〖设计创新〗：
（1）采用圆弧拱形式,改变了我国大石桥多为半圆形拱的传统.
我国古代石桥拱形大多为半圆形,这种形式比较优美、完整,但也存在两方面的缺陷：一是交通不便,半圆形桥拱用于跨度比较小的桥梁比较合适,而大跨度的桥梁选用半圆形拱,就会使拱顶很高,造成桥高坡陡、车马行人过桥非常不便.二是施工不利,半圆形拱石砌石用的脚手架就会很高,增加施工的危险性.为此,李春和工匠们一起创造性地采用了圆弧拱形式,使石拱高度大大降低.赵州桥的主孔净跨度为37.O2米,而拱高只有7.25米,拱高和跨度之比为1:5左右,这样就实现了低桥面和大跨度的双重目的,桥面过渡平稳,车辆行人非常方便,而且还具有用料省、施工方便等优点.当然圆弧形拱对两端桥基的推力相应增大,需要对桥基的施工提出更高的要求.
（2）采用敝肩.
这是李春对拱肩进行的重大改进,把以往桥梁建筑中采用的实肩拱改为敝肩拱,即在大拱两端各设两个小拱,靠近大拱脚的小拱净跨为3．8米,另一拱的净跨为2．8米.这种大拱加小拱的敝肩拱具有优异的技术性能,首先可以增加泄洪能力,减轻洪水季节由于水量增加而产生的洪水对桥的冲击力.古代佼河每逢汛期,水势较大,对桥的泄洪能力是个考验,四个小拱就可以分担部分洪流,据计算四个小拱可增加过水面积16％左右,大大降低洪水对大桥的影响,提高大桥的安全性.其次敝肩拱比实肩拱可节省大量土石材料,减轻桥身的自重,据计算四个小拱可以节省石料26立方米,减轻自身重量700吨,从而减少桥身对桥台和桥基的垂直压力和水平推力,增加桥梁的稳固.第三增加了造型的优美,四个小拱均衡对称,大拱与小拱构成一幅完整的图画,显得更加轻巧秀丽,体现建筑和艺术的完整统一.第四符合结构力学理论,敝肩拱式结构在承载时使桥梁处于有利的状况,可减少主拱圈的变形,提高了桥梁的承载力和稳定性.
（3）单孔.
我国古代的传统建筑方法,一般比较长的桥梁往往采用多孔形式,这样每孔的跨度小、坡度平缓,便于修建.但是多孔桥也有缺点,如桥墩多,既不利于舟船航行,也妨碍洪水宣泄；桥墩长期受水流冲击、侵蚀,天长日久容易塌毁.因此,李春在设计大桥的时候,采取了单孔长跨的形式,河心不立桥墩,使石拱跨径长达37米之多.这是我国桥梁史上的空前创举.
〖建造技术创造性〗：
（1）桥址选择比较合理,使桥基稳固牢靠.
李春根据自己多年丰富的实践经验,经过严格周密勘查、比较,选择了佼河两岸较为平直的地方建桥,这里的地层是由河水冲积而成,地层表面是久经水流冲涮的粗砂层,以下是细石、粗石、细砂和粘土层.根据现代测算,这里的地层每平方厘米能够承受4．5到6．6公斤的压力,而赵州桥对地面的压力为每平方厘米5——6公斤,能够满足大桥的要求.选定桥址后在上面建造地基和桥台,自建桥到现在,桥基仅下沉了5厘米,说明这里的地层非常适合于建桥.
（2）赵州桥的砌置方法新颖、施工修理方便.
李春就地取材,选用附近州县生产的质地坚硬的青灰色砂石作为建桥石料,在石拱砌置方法上,均采用了纵向（顺桥方向）砌置方法,就是整个大桥是由28道各自独立的拱券沿宽度方向并列组合而成,拱厚皆为1.O3米,每券各自独立、单独操作,相当灵活,每券砌完全合拢后就成一道独立拼券,砌完一道供券,移动承担重量的“鹰架”,再砌另一道相邻拱.这种砌法有很多优点,它既可以节省制作“鹰架”所用的木材,便于移动；同时又利于桥的维修,一道拱券的石块损坏了,只要嵌入新石,进行局部修整就行了,而不必对整个桥进行调整.
（3）在保持大桥稳定性方面采取了许多严密措施.
为了加强各道拱券间的横向联系,使28道拱组成一个有机整体,连接紧密牢固,李春采取了一系列技术措施.l）每一拱券采用了下宽上窄、略有“收分”的方法,使每个拱券向里倾斜,相互挤靠,增强其横向联系,以防止拱石向外倾倒；在桥的宽度上也采用了少量“收分”的办法,就是从桥的两端到桥顶逐渐收缩宽度,从最宽9．6米收缩到9米,以加强大桥的稳定性.2）在主券上均匀沿桥宽方向设置了5个铁拉杆,穿过28道拱券,每个拉杆的两端有半圆形杆头露在石外,以夹住28道拱券,增强其横向联系.在4个小拱上也各有一根铁拉杆起同样作用.3）在靠外侧的几道拱石上和两端小拱上盖有护拱石一层,以保护拱石；在护拱石的两侧设有勾石6块,勾住主拱石使其连接牢固.4）为了使相邻拱石紧紧贴合在一起,在两侧外券相邻拱石之间都穿有起连接作用的“腰铁”,各道券之间的相邻石块也都在拱背穿有“腰铁”,把拱石连锁起来.而且每块拱石的侧面都凿有细密斜纹,以增大摩擦力,加强各券横向联系.这些措施的采取使整个大桥连成一个紧密整体,增强了整个大桥的稳定性和可靠性.
（4）赵州桥的桥*具特色.
桥台是整座大桥的基础,必须能承受大桥主拱圈（桥身主体）轴而向力分解而成的巨大水平推力和垂直压力.赵州桥的桥台具有下述特点：l）低拱脚：拱脚在河床下仅半米左右；2）浅桥基：桥基底面在拱脚下1．7米左右；3）短桥台：由上至下,用逐渐略有加厚的石条砌成5米长、6．7米宽、9．6米高的桥台.这是一个既经济又简单实用的桥台.为了保障桥台的可靠性,李春采取了许多相应的固基措施.为了减少桥台的垂直位移（即由大桥主体的垂直压力造成的下沉）,李春采取了在桥台边打入许多木桩的措施,以此来加强桥台的基础；这种方法在今天的厂房、桥梁的建造上也经常采用.为了减少桥台的水平移动（即由大桥主体的水平推力造成的桥台后移）,李春采用了延伸桥台后座的办法,以抵消水平推力的作用.为了保护桥台和桥基,李春还在沿河一侧设置了一道金刚墙,一方面可以防止水流的冲蚀作用,另一方面金刚墙和桥基、桥台连成一体,增加了桥台的稳定性.由以上措施保证了大桥具有坚固的桥台,提高了大桥的坚实程度.