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石拱桥技术

时间:2019-06-24    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大


                             石拱桥技术
                
  在?1000?多年的漫长历史年代中,石拱桥一直是我国特别重要的一种桥
型,遍布全国各地城乡,其中不乏世界知名的佳构。值得注意的是:古桥之
苑的这株娇艳的名花不仅怒放于神州本土,而且已结实于隔海邻邦。日本书
刊的文章记述了?1634?年中国僧侣如定设计眼镜桥的事。该桥是二孔半圆拱,
影映水中,虚实相连,酷似眼镜,故得此名,日本的史书赞美为“日本最古、
最有名的石拱桥之一”。中岛川是长崎县内一条不大的河流,古代有?20?座桥
雁列栉比,彼此相距不足百米,彼邦人士称此为“长崎石桥群”。当时长崎
有唐人街。中国人侨居于此,多从事贸易及通译事务。上述?20?座桥中半数是
中国人出资构筑的,眼镜桥还是中国人建造的。20?年前发生大水灾,附近冲
毁了钢筋混凝土桥梁,而眼镜桥安然无恙。当地掌管桥梁事务的官员大为“吃
惊”,认为“不可思议”,甚至感到是“一次不得了的冲击”,从此,这座
眼镜桥就作为国家重点文物得到修理、复原。长崎石桥群及眼镜桥的史事是
我国古代人赞助邻国桥梁建设的一例,也是关于两国古代邦交敦睦、人民友
好的一段佳话。
  我国拱桥始建于何时是一个使人很感兴趣的问题。据早年的史籍记载,
晋朝太康三年(282?年)建造于洛阳七里涧上的旅人桥是已发现的我国历史
上最早的一座石拱桥。到了?1965?年,河南省新野县出土的汉代(东汉中期或
晚期)的画像砖刻有单孔拱桥图,桥上有骑马的、驾驷马车的和拿弓箭的人,
桥下有船。由此证明,我国至迟在东汉已有拱桥。图上的这座拱桥只是裸拱,
既无桥面也无栏杆,结构极为粗陋,当时的车马行人不得不直接在高耸陡曲
的拱背上通过。为了保障车辆安全过桥,车上桥时有?3?个力士用绳索在前挽
拽,下桥时则又有?3?个力士在后牵制。这幅图画可贵地提供了汉朝拱桥的实
际形象。当时西方拱桥已相当发达,而我国拱桥还带有原始性,这有助于说
明,石拱桥是我国土生土长的产物,不像是对一种已相当成熟的外来桥型的
移植。
  多年来出土的两汉古墓中有大量的拱结构,也为今人研究古拱桥提供了
很有价值的旁证,可以看到后来石拱桥的雏形。略举数例。
    1956?年在洛阳车站发现的西汉墓中有斜腿拱式刚架和曲线拱,此墓已移
至洛阳市劳动人民公园内。
    1976?年?6?月洛阳发现卜千秋墓,考古工作者定为西汉昭帝—宣帝年间(公
     
是拱形土洞,托以小砖砌成的拱圈。
  一些地方的东汉墓内已用阴阳榫作为拱砖之间的联结物。汉墓中有并列
式的拱圈与纵联式的拱圈,从前者可以看到隋朝赵州桥并列拱圈构造法的萌
芽状态。
  四川省德阳县黄许镇的汉墓在拱圈之上砌有拱伏,这也是其后的石拱桥
常用的砌法。
  四川重庆市江北区?70?中学的校园中发现了一座东汉墓,拱圈是并列式
的,相邻两列之间凭伸臂悬砌,以加强联系,由此可以看到后世的拱圈悬砌
法的滥觞。
  古石拱桥中联拱桥(即多孔拱桥)甚多,在汉墓中已能找到这种联拱结
构。例如武威雷台的一座东汉墓是多室拱墓,结构是多孔联拱。
  在特定的情况下,也有采用高耸拱圈的,其矢跨比大于?1/2。在不宽的
河面筑拱,如要满足充裕的通航净空要求,可采用这种形式,桃子形的尖顶
拱即是常见的一种。但也有不陡之拱采用尖顶式的。关于为什么构筑成尖顶
的问题,众说纷坛。一说,为了筑成陡于半圆的拱,每半拱仍以取圆弧线为
便,这样,两圆弧线在拱顶相交点就不可能有公切线,势必形成尖项。二说,
尖项比平顶美丽,优于椭圆形之类的陡拱。即便并非陡拱,尖顶仍较别致。
三说,尖顶是从外国古建筑和石拱桥吸取来的艺术风格。此问题还难作定论。
矢跨比大于?1/2?的拱桥也有采用大于半圆的圆弧线的,建于清同治年间
(1862~1874?年)的绍兴阮社桥就是这样。
  偶而也有椭圆形拱桥。苏州有这样的例子。
     
镇东美桥,明朝成化廿一年(1485?年)建,据说该桥属于这一类。
  拱圈石的连接方式大致分为下面?3?种:无铰链接;多铰链接——无铰石
的和有铰石的;双腰铁连接。
  石拱桥拱圈是由若干块折扇扇面形的拱(圈)石拼合而成的。拱石间的
连接方式有多种。
  拱石两端用榫卯拱石而没有榫卯类似于铰链的叫做无铰链的拱石,依靠
各块拱石相互挤紧形成完整的拱圈。与相邻的拱石连接起来的称为多铰式。
  无铰式与多铰式相比,各有千秋。当万一墩台发生一定的位移时,无铰
式的各拱石不复相互挤紧,此时拱圈的整体性将成问题。与之对比,多铰式
的拱石间有榫卯联系,情况要好一些。在墩台发生不大的位移时,多铰式的
拱圈呈现出几何可变结构的特点,用榫卯连接起来的拱石能发生微小的移动
和转动,直至达到新的平衡为止。在温度有显著变化和桥上有沉重车辆驶过
时也出现这样的情况(各拱石连接处有足够大的接触面,且相互间存在着压
力,榫卯的作用并不等于理想的铰链,各拱石的移动和转动是受到牵制的)。
有人说:“多铰式的拱桥好似倒置的悬桥,拱圈石好似悬索。”这个说法是
有道理的。悬索是能够大大调整外形以保证只受拉力的可变结构,多铰式拱
是能够稍微调整外形以保持与外力平衡的微变结构。两者在自动调整外形以
求适应外力这一点上确有相似之处。
  至于在墩台无位移和单纯随恒载的情况下,无铰式的拱石全部横断面都
能承受压力,而多铰式的拱石由于卯孔削减了有效面积,就不及前者。再说,
琢制多铰式的拱石是一件很精细和烦难的事,费工较多,对技术的要求也较
高,因此它的使用范围受到客观限制。
  赵州桥是由?28?列拱圈并立而成,拱圈上各拱石的端部和侧面都用两块腰
铁相互连接起来。无铰式的拱石属于无联系的挤紧,多铰式的拱石端部的一
个榫卯只相当于赵州桥的一个腰铁,而赵州桥却有?2?个腰铁。这种双腰铁的
连接法基本上能使每圈全部拱石形成整体,整个拱圈差不多等于一根并非拼
接而成的原来就相当完整的曲杆。何况,拱石的侧面也有腰铁,将各圈连接
为一个整体。赵州桥拱圈的高度整体性应是该桥经历?1300?余载而犹岿然不动
的重要原因之一。
  多铰式的拱又可分为两种:一是无铰石的,也就是将相邻的拱石直接榫
接起来的;二是用长铰石作为中介的。有铰石的多铰式拱,拱石的两端被琢
成榫头,插入铰石的卯槽内,铰石是一条长度与桥宽相等的长石,两侧都有
卯槽,以便联锁上下两排拱石。苏州一带的石桥工称长铰石为龙筋。龙筋除
了能使并列的各条拱石沿横向形成整体,有利于石拱桥的侧向稳定性外,且
能使桥上的重车荷载较均匀地分布到并列的各拱石,以免轻重悬殊。现代桥
梁的横隔梁,其作用与此相似。多铰式的拱从无铰石的发展到有铰石的,应
该说是一个进步。宋朝名画汴京繁华图上的石拱桥是没有铰石的。从上海郊
县和苏州的石拱桥看,宋桥也是无铰石的,而明清石拱桥大多是有铰石的,
大致可以看出这种发展变化的趋势。
  诸拱石是否能形成具有整体性的全桥,这不仅决定于榫卯、腰铁而且还
决定于砌置的方式。
  最基本的砌置方式有两种:一是并列砌置;二是纵联砌置,其他还有多
种派生的砌法。按纵联砌置的,拱石纵列交错,较易保持全桥的整体性,但
在施工时须有满堂脚手架。这种砌置法最为普遍,如清代重建的江西抚州文
昌桥即属此类。
  介乎上述两法之间,后来又出现有其他砌法,较简单的有分节并列和纵
联分节并列。看来,由于错缝的存在,在横向整体性这一点上说,分节并列
优于全拱并列,由于联石的存在,纵联分节并列的横向整体性又优于分节并
列。这里略见古桥工砌拱技术的精益求精。
  由于艺术上的需要,也有在纵联砌置的拱桥两外侧用高级石料镶嵌成一
个独立拱圈的,如北京颐和园玉带桥等。此外还有框式纵联砌置法,如卢沟
桥即属于此类。
  清朝《文昌桥志》在叙述砌筑拱圈的工序时说:“空其中一石以待合龙,
一石紧而全瓮之石皆紧矣。”这种建拱传统技术至今仍在使用,称为尖拱法。
  尖拱法是压紧组成拱圈的各块拱石,使能形成整体,脱离支架,悬空腾
起,达到独立承载的一种施工方法,也是检查拱圈石有无缺点,试验拱圈石
强弱和稳定性的特殊方法。刹尖是与拱圈的合龙和封顶密切相关的。古代筑
拱都有拱架,在拱架上从两端拱脚处开始自下而上放置拱石,最后在拱顶预
留空档以待合龙。尖拱是在空档内反复打入木楔,使整个拱圈处于受压挤紧
状态,然后以石代楔。在尖拱以前各块拱石松散地和放置在拱架的曲拱形支
托面上,支托面须略低于施工完毕石拱圈底面所保持的高度。成功的尖拱能
使拱石挤密、离架隆起,实现拱的作用。然后就能在其上砌筑拱上建筑了。
如虽经尖拱,各块拱石仍脱离不开拱架的支持,形成不了独立承载的结构,
则证明这次尖拱是失败的,须重新砌筑。尖拱的成败主要决定于尖拱力的大
小及其着力点的位置。古时要凭丰富的实践经验和熟练的操作技巧。分批加
楔和以石代楔的过程都是很难的。先在甲乙空档打楔(木制),紧密后再在
丙空档打楔,当丙处之楔更紧时,甲乙楔必松,再加紧之,如此类推,交替
进行。然后采用紧此松彼的方法分批以石代楔,达到拱顶处的合龙。
  上述的尖拱法只适用于不大的跨度。因为尖拱力大致等于主拱圈既成之
后拱上建筑未砌之时的拱脚水平推力,倘是大跨度,所需要的尖拱力甚大,
难以用上述方法获致。在此情况下通常采用的方法是在拱架上预先垫高各拱
石,挤紧到一定程度,然后卸架使拱石下降,达到充分挤紧而合龙。
  古石拱桥施工采用的尖拱法是将拱石有效地装配成拱的方法,至今尚在
使用。尤为可贵者,它是调整拱圈内力的一种科学方法,有许多高明的桥工
善于巧妙地控制尖拱力的大小及着力点的位置,以求调整主拱圈内力,使之
尽量合理,这里利用了预应力的概念。尖拱法是我国先代桥工发明的一种砌
拱的极有价值的方法。现在拱桥工程中利用埋置在拱内的千斤顶进行内力调
整,虽所用机具大为精巧,但其基本原理仍与尖拱法相同。
  在拱背上两边砌筑边墙,两墙之间填以碎石灰土之类,其上铺设桥面,
这是大多数古石拱桥的砌法。拱上的边墙、填料、桥面等统称拱上建筑。由
于填料充满拱背之上桥面以下的空间,故称这一类拱上建筑为实腹式的,以
区别于赵州桥那样的空腹式拱上建筑。拱上建筑能支承平坦的桥面避免车马
行人直接在弯曲陡峻的拱背上通行,这固然是拱上建筑显而易见的功能,但
古代桥工并不满足于此,他们还设法使拱上建筑对主拱圈兼起巩固和加强的
作用。
  以创建于元朝的苏州灭渡桥为例。在两拱脚处桥台之上,与边墙垂直的
方向上用石料各砌间壁一道,横贯全桥的宽度。填料被包围在拱背之上、边
墙和间壁之中,而且构筑边墙的石块有若干长短不一的,伸入填料之中,好
似钉靴踩入泥土一样。又在边墙中段与拱跨中心对称之处,再设置长度等于
桥宽的长系石,用以联系两侧的边墙。这样,本来松散的填料就与边墙、间
壁形成一定的联系,遇石拱受载变形时能在一定程度上限制石拱变形,能增
大主拱圈的强度与刚度。也有的石拱桥,间壁代之以明柱,虽不如间壁那样
横贯桥宽,但柱之上下都有横贯桥宽的长系石,一对明柱加一对系石即对拱
上建筑形成一个矩形的框箍。尚有其他措施,不胜枚举。古代桥工不仅考虑
到主拱圈对拱上建筑的支持作用,而且有意识地利用拱上建筑对主拱圈的支
持作用。这是一种令人赞赏的构思。福建省长汀县的宋庆元年间(1195~1200
年)所建的古石拱桥名水东桥,现时可通汽车,而拱圈厚度仅?40?厘米,比同
跨度、同荷载的现代标准石拱桥的拱圈还要薄得多。这样薄的拱圈而能承受
重荷,其原因就是拱上建筑帮助了主拱圈。如何很好地利用拱上建筑对主拱
圈的支持作用,仍是今天的桥梁设计者精心思考的问题。例如,正在推广中
的桁架拱桥就是能充分发挥拱上建筑对主拱圈的支持作用的一种桥型。
  据苏州的老桥工谈:清朝的拱架主要有满堂的和空心的两种:一般在宽
度小、通航量少的河道上施工,用满堂式的支架;而在河道宽度大、通航量
大的情况下,采用空心式的支架,以便在施工时仍能维持航运,这个原则至
今仍未过时。可惜古拱架的实物已无法看到,但因为基本特点未变,从现在
重建古石拱桥时所用的两种拱架中,还可以今推古。现在我们在苏州一些古
石拱桥的桥台临水的襟边上,偶尔还能发现成行的方形卯孔,宋朝建筑的新
造桥即为一例。据老桥工考据;这是当年用来插置拱架支柱的。古拱桥施工
拱架的立柱一般是支承在桩顶之上的,但也有支承于横梁之上的做法。清朝
光绪年间修建江西万年桥时所用的拱架即属此类,有古人当时所绘的示意图
可考。若干横梁,两端插在墩台的预留孔内,称为过江梁,拱架的长柱立足
于此梁之上。在长柱之间又架有短的横梁,横梁之上又竖立短柱。柱顶高低
不一,恰形成拱圈下缘的曲线,以便支托各块拱石,构筑拱圈。

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