現(xiàn)存中國木拱橋結(jié)構調(diào)查與分析

楊 艷， 陳寶春

(福州大學土木工程學院， 福建 福州 350116)

現(xiàn)存中國木拱橋結(jié)構調(diào)查與分析

楊 艷， 陳寶春

(福州大學土木工程學院， 福建 福州 350116)

基于橋梁結(jié)構學， 對我國現(xiàn)存的古代木拱橋開展結(jié)構調(diào)查， 并對其主要參數(shù)進行分析總結(jié). 調(diào)查表明， 現(xiàn)存130座閩浙木拱橋以單跨為主， 矢跨比與我國其它橋梁相似， 以1/4～1/7為主. 閩浙木拱橋與汴水虹橋同屬編木拱， 但二者在結(jié)構上尚有不同之處. 汴水虹橋結(jié)構較為簡單， 對其受力行為可用簡化算法分析；而閩浙木拱橋結(jié)構復雜， 手算分析困難， 對結(jié)構的力學行為了解不夠， 已有的實橋測試效果不理想， 有限元分析效果也不盡理想， 建議以有機玻璃模型試驗開展深入系統(tǒng)的研究.

木拱橋； 結(jié)構； 調(diào)查； 參數(shù)分析； 福建； 浙江

0 引言

木材除用于梁橋外， 也被用于拱橋之中， 并發(fā)展形成了木肋拱、 木桁拱、 編木拱等結(jié)構形式[1-3]. 木肋拱需將木材彎成曲線狀作為拱肋， 加工工作量大. 古代木肋拱以原木為主， 受原木長度的影響， 跨徑較小. 木桁拱用短木材組成桁架拱肋， 通過分段折線來逼近曲線， 木材無需彎曲成曲線型. 桁肋截面剛度大， 用料少， 自重輕， 跨徑較強. 但它的節(jié)點受力復雜、 構造也復雜， 桁架腹桿中拉桿和受拉節(jié)點， 需要金屬材料的輔助， 加工工作量也較大. 編木拱由二個縱橋向的拱架系統(tǒng)相互穿插和若干橫橋向的橫木聯(lián)結(jié)組成， 拱架中的拱骨以受壓為主. 它同樣可以利用直木， 無需彎曲成型， 且能達到較大的跨徑， 同時， 它可以不用金屬構件的輔助. 它構思巧妙， 受力合理， 施工簡單， 跨越能力強.

肋拱、 桁拱的結(jié)構不是木拱獨有的形式， 在其他材料拱橋(如混凝土拱橋、 鋼拱橋)中也有大量的應用. 而編木拱的結(jié)構形式， 未在其他材料拱橋中出現(xiàn). 因此， 編木拱結(jié)構有其獨有的橋梁結(jié)構研究價值. 編木拱結(jié)構不屬于一般的二維平面結(jié)構或三維空間受力結(jié)構. 現(xiàn)有的結(jié)構力學中， 沒有與之相應的分析方法. 因此， 對編木拱這種獨特的結(jié)構進行研究， 對于發(fā)展結(jié)構力學理論具有重要的意義.

在國外， 古代木拱橋中用得最多的是實肋和桁肋木拱[4]. 迄今為止的研究表明， 只有中國修建有編木拱. 同時， 中國古代未建其他結(jié)構形式的木拱橋. 因此， 可以用中國木拱橋直接指代編木拱橋.

編木拱結(jié)構的獨特性、 中國木拱橋修建的唯一性和大量古代編木拱橋的遺存， 決定了中國木拱橋具有極高的技術遺產(chǎn)價值. 2009年， “木拱橋傳統(tǒng)營造技藝”被聯(lián)合國列入急需保護的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄. 2012年“閩浙木拱廊橋”列入中國申報世界文化遺產(chǎn)預備名單.

中國木拱橋已成為中國古橋研究的熱門課題. 但已有的研究多以建筑專家與民間力量為主， 研究的視點多以建筑史學、 建筑美學、 社會作用、 文化價值等為主， 缺乏對橋梁結(jié)構的參數(shù)調(diào)查， 更談不上基于橋梁結(jié)構學的深入研究. 為此， 本文從橋梁結(jié)構學出發(fā)， 對我國現(xiàn)存的古代木拱橋開展結(jié)構調(diào)查， 對其主要參數(shù)進行分析總結(jié)， 并就現(xiàn)存的閩浙木拱橋的結(jié)構特點與已無遺存的汴水虹橋結(jié)構進行比較分析.

1 現(xiàn)存中國木拱橋結(jié)構調(diào)查分析

1.1 概況

在收集大量文獻[5-8]基礎上， 對福建和浙江兩省現(xiàn)有的木拱橋進行了實地調(diào)查. 結(jié)果表明， 中國現(xiàn)存木拱橋130座， 主要分布在閩浙兩省五市(地級市)， 即福建省閩東北的寧德市、 南平市和福州市的14個縣市， 浙江省東南部的溫州市和麗水市的8個縣市. 其中， 福建省有81座， 占總數(shù)的62.3%， 浙江省有49座， 占37.7%. 在縣或市中， 福建壽寧19座， 屏南15座； 浙江慶元16座， 景寧15座， 泰順11座[9-11].

圖1 閩浙木拱橋建造年代統(tǒng)計

從文獻調(diào)查知， 木拱橋的留存數(shù)量逐年減少. 例如： 福建省寧德市， 解放后毀掉的木拱橋達51座， 其中： 洪水沖毀9座， 龍卷風刮倒1座， 人為失火6座， 山火燒毀1座， 因改變交通功能人為拆建31座， 建電站淹沒2座. 浙江省泰順縣， 解放后毀壞或改建的有11座， 如： 建于1454年的葉樹陽橋， 曾是歷史上最長的木拱橋之一， 因1965年修建公路被拆除； 三灘橋、 廣濟樓橋、 東坑龍?zhí)稑颉?東坑白鶴橋等毀于洪水； 景寧柘灣木拱橋、 慶元濛淤橋、 英川梅崇橋等都毀于火災[5-8]. 這種數(shù)量的減少， 有自然因素也有人為因素， 缺乏保護意識是最主要的原因.

對于現(xiàn)存木拱橋的建造時間， 主要根據(jù)族譜、 橋碑和有關史料記載進行分析. 閩浙木拱橋始建年代分別從宋代、 元代、 明代、 清代延續(xù)至今. 由于木結(jié)構易腐蝕， 耐久性差等特點， 早期修建的橋梁， 遺留下來的并不多， 從圖1的統(tǒng)計結(jié)果可以看出， 現(xiàn)存木拱橋主要以清代建成或重建、 重修為主， 占現(xiàn)存量的53.9%.

1.2 橋梁規(guī)模與跨徑

1.2.1 橋跨布置與跨徑

現(xiàn)存木拱橋多位于山高路遠、 交通閉塞的古村落和古道上， 跨越的主要是小溪流和山澗流水， 結(jié)構以單跨為主. 在被調(diào)查的130座木拱橋中， 123座均為單跨結(jié)構， 占總數(shù)的94.6%. 這些橋中， 跨徑最小的是5.9 m， 最大的是37.6 m. 單跨跨徑主要分布在10～30 m之間， 占總數(shù)的78.1%, 詳見表1. 值得一提的是， 木拱橋最大單孔跨徑達37.6 m， 略大于古代跨徑最大的石拱橋趙州橋， 表明木拱橋具有較大的跨越能力的結(jié)構優(yōu)勢， 能滿足山區(qū)大跨度橋梁建設的需要.

現(xiàn)存木拱橋中， 僅7座為多跨橋， 見表2. 其中五墩六跨1座， 一墩兩跨2座， 兩墩三跨4座. 多跨橋跨徑從12.5～29.6 m不等， 與單跨跨徑相當， 由于橋梁較長， 因此一跨無法跨越， 只能采用多跨結(jié)構.

表1 單孔跨徑分布范圍統(tǒng)計表

表2 多跨木拱橋結(jié)構參數(shù)

1.2.2 橋長與橋?qū)?/p>

中國木拱橋部分橋梁是直接使用天然的巖石或懸崖作為橋臺， 根據(jù)無橋臺的橋梁對橋梁全長的定義， 本文選取廊屋的長度作為橋梁的全長進行相關的統(tǒng)計和計算[9]， 統(tǒng)計結(jié)果見圖2. 對于多跨橋梁， 除了福建閩清合龍橋長度為38.8 m外， 其余均大于60 m； 單跨木拱橋長度范圍基本在60 m以下， 木拱橋長度主要集中在20～50 m之間， 其中以20～40 m居多(它與單孔跨徑10～30 m的橋梁相對應).

木拱橋的交通功能主要是以人畜為主體的步行交通， 橋面不是很寬， 均在3～7 m之間， 且無統(tǒng)一規(guī)格. 橋?qū)挿秶{(diào)查結(jié)果見表3， 橋?qū)挒?～5 m的有84座， 占總數(shù)的64.6%.

圖2 木拱橋橋長范圍統(tǒng)計分布情況

表3 橋?qū)挿秶y(tǒng)計分布情況

1.3 主拱矢跨比

矢跨比是拱橋的重要參數(shù)， 從受力方面來說， 它的選擇要考慮到下部結(jié)構與基礎承受的水平推力與彎矩、 主拱的內(nèi)力與穩(wěn)定等多種因素. 同時， 木拱橋均為上承式， 矢跨比還影響到拱橋的總體布置， 結(jié)構與周圍景觀的協(xié)調(diào)、 拱上建筑設計和主拱的施工方法等， 因此矢跨比的選擇應同時兼顧地形地質(zhì)條件、 跨徑和拱上立柱的布置. 例如， 對于直接利用溪流兩岸天然的巖石作為墩臺木拱橋， 如果矢跨比大則橋面標高將提高， 為了能夠與橋頭兩側(cè)路面連接， 整個橋面的縱坡將很大， 這樣將不利用行人通過.

調(diào)研中利用全站儀對大部分木拱橋進行結(jié)構尺寸測量(由于地理位置原因， 部分橋梁無法測量)， 其矢跨比分布范圍如圖3所示. 由圖3可知， 除少數(shù)橋采用大于1/4的和小于1/7的矢跨比之外， 其余大多數(shù)橋的矢跨比都在1/7～1/4之間， 這與我國混凝土拱橋的矢跨比分布范圍1/5～1/8(以1/6居多)及鋼管混凝土拱橋的矢跨比分布范圍1/4～1/5(以1/5最多)相一致. 圖4給出了所測橋梁其整體矢跨比與跨徑關系， 從目前的統(tǒng)計結(jié)果可知， 矢跨比與跨徑之間的關聯(lián)度總體來說并不大.

圖3 矢跨比分布范圍統(tǒng)計表

圖4 矢跨比與跨徑關系圖

1.4 拱肋木材直徑與間距

圖5 拱肋拱腳處直徑與跨徑的關系

木拱橋主拱由兩個縱向受力系統(tǒng)組成， 每一系統(tǒng)具有若干根木材， 在相同結(jié)構與荷載情況下， 拱肋木材根數(shù)與每根的直徑成反比. 實地調(diào)查結(jié)果表明， 現(xiàn)有130座木拱橋， 第一系統(tǒng)主拱拱肋均比第二系統(tǒng)主拱拱肋多一根； 橫橋向拱肋以9+8組合為主(八字型的第一系統(tǒng)拱肋橫向9根， 五折邊型的第二系統(tǒng)拱肋橫向8根)， 共有92座， 7+6組合其次， 有34座， 另有8+7組合3座， 5+4組合1座.

根據(jù)實地調(diào)查， 拱腳處兩個系統(tǒng)拱肋的平均直徑主要尺寸為16～20 cm， 直徑與跨徑對應關系如圖5所示. 從圖5可見， 木材直徑與跨徑總體上成正比關系， 即跨徑越大， 所用的直徑也越大， 但二者之間不是強相關， 這主要是因為它的建造以經(jīng)驗為主.

2 現(xiàn)存中國木拱橋結(jié)構特點

據(jù)文獻記載， 中國木拱橋始建于宋代(1032年或1033年)， 稱之虹橋， 隨后在當時的汴水流域及其周邊地區(qū)被廣泛應用， 但明代以來， 由于種種原因沒有再建的記錄， 而早期修建的橋梁也均已毀壞[12]. 現(xiàn)有記載最為清晰的是北宋張澤端在《清明上河圖》以寫實手法所畫的一座拱橋， 將以這座“虹橋”為代表的在古代北方地區(qū)修建、 現(xiàn)已沒有遺存的木拱橋稱為“汴水虹橋”[13-15]. 本文所調(diào)查的現(xiàn)存的中國古代木拱橋， 均位于福建和浙江兩省， 稱為閩浙木拱橋. 這樣， 中國木拱橋又可細分為兩類， 即汴水虹橋和閩浙木拱橋. 現(xiàn)存的中國古代木拱橋均為閩浙木拱橋[16].

2.1 主拱結(jié)構類型

閩浙木拱橋和汴水虹橋都是編木拱結(jié)構， 主要受力結(jié)構是由二個縱橋向的多折邊拱架系統(tǒng)相互穿插和若干橫橋向的橫木聯(lián)結(jié)組成， 拱架中的拱骨以受壓為主(圖6). 它們通過精巧的結(jié)構， 直接利用原木， 以較小的構件形成較大的跨徑， 免除了其他木拱橋需要材料彎曲、 迭合等加工工序， 且架設方便.

兩類中國木拱橋第一系統(tǒng)相同， 都是用三根長圓木縱梁和兩根木橫梁連成八字形拱架， 但第二系統(tǒng)有著明顯的不同. 汴水虹橋是由4根稍短的圓木和三根橫梁組成的四折邊形結(jié)構， 閩浙木拱橋則由5根稍短的圓木和4根橫梁組成如五折邊形結(jié)構. 因此， 從縱向結(jié)構體系來說， 汴水虹橋是“3+4”結(jié)構， 閩浙木拱橋是“3+5”結(jié)構， 詳見圖6所示[17].

2.2 主拱結(jié)構構件之間的聯(lián)接

根據(jù)文獻記載， 汴水虹橋拱木拱肋與橫木之間是用棕繩捆綁扎(或是用鐵件箍扎)； 而閩浙木拱橋憑榫卯相連， 其榫頭為大燕尾形， 鑿有卯口的橫木(牛頭)兩頭加箍鐵條， 相互之間開孔插入或用燕尾榫卯接， 銜接嚴密， 結(jié)構穩(wěn)固. 從中可以看出閩浙木拱橋的木結(jié)構聯(lián)接技術已從捆綁聯(lián)接發(fā)展為鉚卯聯(lián)接， 造橋工藝有了極大的提高.

The“quick”in(3)a means nimble,which in a way shows a gift in music.But in(3)b refers to one’s fast speed.

圖6 中國木拱橋結(jié)構示意圖

閩浙木拱橋拱骨系統(tǒng)設有“X”剪力撐， 它對于固定拱骨系統(tǒng)、 增大橫向剛度， 為避免木拱橋橫軸向的變形起到極大的作用. 此外， 交錯的第一、 第二系統(tǒng)拱骨之間， 填塞了一些小木料， 這些木料通過摩擦力起著防止拱骨縱向位移的作用, 詳見圖7所示.

圖7 閩浙木拱橋的兩個細部結(jié)構

2.3 拱上建筑與結(jié)構外形

汴水虹橋不設廊屋， 而閩浙木拱橋均設有廊屋. 廊屋除了可為行人歇腳、 村人相聚、 甚至商業(yè)、 社會、 宗教活動提供場所外， 還具有明顯的結(jié)構功能. 一是由于木拱橋較輕， 在風雨、 洪水作用下， 容易失穩(wěn)破壞， 廊屋的自重， 有助于增強結(jié)構的穩(wěn)定性； 二是南方多雨， 廊屋有利于主拱木構件保持干燥， 防霉防蛀， 延長木構件的使用壽命， 這也是許多閩浙古木拱橋可以保存至今的一個重要原因.

汴水虹橋近似半圓弧形(這也是虹橋得名的原因)， 而閩浙木拱橋則成八字形， 且多有側(cè)面板以擋風雨， 因此外形上易與現(xiàn)存于閩浙的八字撐架橋相混， 這也是它較遲才被發(fā)現(xiàn)的一個主要原因.

汴水虹橋直接在拱背上鋪設橋面板， 為拱坡橋面， 雖然拱結(jié)構能夠提高橋梁的凈高以解決水域通航的問題， 但它同時不可避免地帶來了車輛和行人上下橋的困難； 而閩浙木拱橋增加了橋面木縱梁系統(tǒng)， 不僅使木拱橋的坡面變成平坡坡面， 有利于車輛和行人通過， 而且橋面木縱梁系統(tǒng)參與了主拱的受力， 使結(jié)構整體性更強， 受力更合理.

3 結(jié)構受力研究現(xiàn)狀與建議

汴水虹橋因主結(jié)構為“3+4”系統(tǒng)， 且無拱上建筑， 結(jié)構較之閩浙木拱橋簡單. 采用棕繩捆綁扎或用鐵件箍扎聯(lián)接， 節(jié)點處既可受壓也可受拉， 可將其假定為鉸接. 不僅聯(lián)接一個系統(tǒng)內(nèi)的構件， 而且將兩個系統(tǒng)的構件聯(lián)系在一起， 這樣可以將兩個系統(tǒng)簡化為一個受力系統(tǒng). 通過這樣一些簡化后， 汴水虹橋的受力可以采用結(jié)構力學的方法進行分析. 目前， 對汴水虹橋的結(jié)構受力行為， 已有較為清晰的了解.

閩浙木拱橋主結(jié)構為“3+5”系統(tǒng)， 且有拱上建筑， 結(jié)構復雜， 手算分析困難， 應以有限元分析為主. 構件之間采用榫卯聯(lián)接， 受壓能力強， 但受拉能力弱， 鉸接假定是否成立尚需進一步的研究. 閩浙木拱橋中縱橋向兩個受力系統(tǒng)之間無可靠的聯(lián)接， 二者之間是否能共同受力？接觸點是否會出現(xiàn)脫空分離現(xiàn)象？沒有拱上建筑結(jié)構是否成為可動機構等等， 這些都未得到研究確認， 使得有限元模型建立存在著不確定性因素， 現(xiàn)有的有限元分析結(jié)果均不理想.

室內(nèi)結(jié)構模型研究是了解橋梁結(jié)構受力行為的一種常見且有效的方法. 目前尚未開展這方面的研究， 建議以此為突破口. 在室內(nèi)模型試驗研究中， 其研究目的是結(jié)構受力行為， 而不是極限承載力， 因此可以采用材性穩(wěn)定、 加工方便的材料來代替木材， 如有機玻璃. 模型可以采用某一座實橋， 也可以采用上述調(diào)研分析的參數(shù)構造典型的橋梁. 建議模型設計制作， 同時考慮兩類中國木拱橋的結(jié)構， 以比較兩者受力的特點. 在構件聯(lián)接上， 同時考慮剛接、 鉸接和彈性聯(lián)接， 以比較節(jié)點聯(lián)接剛度對結(jié)構受力的影響.

4 結(jié)語

中國木拱橋中汴水虹橋已無遺存， 現(xiàn)存的均為閩浙木拱橋. 本文對現(xiàn)存的130座中國木拱橋進行了實地調(diào)查和測量. 結(jié)果表明， 現(xiàn)存木拱橋以單跨為主， 多跨結(jié)構僅有7座， 橋?qū)捴饕?～5 m之間. 單孔跨徑最小5.9 m， 最大37.6 m， 跨徑分布范圍主要集中在10～30 m， 占總數(shù)的78.1%； 矢跨比分布范圍為1/4～1/7之間， 與我國其它拱橋相一致.

閩浙木拱橋與汴水虹橋同屬于編木拱， 但兩者在結(jié)構上還存在著不同之處. 汴水虹橋無拱上建筑、 主拱為“3+4”結(jié)構， 受力簡單， 已有簡化算法， 對其受力行為已有較好的了解. 閩浙木拱橋有拱上建筑、 且主拱為“3+5”結(jié)構， 結(jié)構與受力均復雜， 手算分析困難， 對結(jié)構的力學行為了解不夠， 已有的實橋測試效果不理想， 有限元分析效果也不理想， 建議開展室內(nèi)有機玻璃模型進行試驗研究.

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(責任編輯： 鄭美鶯)

Investigation and analysis on existing China timber arch bridge structures

YANG Yan， CHEN Baochun

(College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou， Fujian 350116， China)

Based on the bridge engineering point view, all the existing China timber arch bridges are investigated by field survey, and the major structural parameters are analyzed. It is shown that there are 130 China timber arch bridges existed, most of them are single span bridges,and the rise-to-span ratio of the arch is from 1/4 to 1/7, which is similar as the ratio in other types of arch bridges in China. Min-Zhe timber arch bridges and Bianshui rainbow bridges are woven timber arch bridges, but there are some differences in the structural details. The structure of Bianshui rainbow bridge is simple, and the mechanical behavior can be analyzed by the simplified calculation method; however, for the Min-Zhe timber arch bridge, the structure is complex and it is difficult to analyze its behavior by simplified analysis method, therefore their structure behavior is not well understand, and the conducted field test results and the finite element analysis results are unsatisfactory. It is suggested to start series researches on the mechanical behaviors of the Min-Zhe woven timber arch bridges from the organic glass model test.

timber arch bridge； structure； investigation； parameter analysis； Fujian Province； Zhejiang Province

2014-05-21

楊艷(1979-)， 助理研究員， 主要從事拱結(jié)構、 木結(jié)構及大跨度橋梁的研究， yangyan@fzu.edu.cn

國家自然科學青年基金資助項目(51408129)； 福建省教育廳科研資助項目(JA13029，JK2013005)

10.7631/issn.1000-2243.2015.06.0809

1000-2243(2015)06-0809-06

U448.31

A