虹橋式木拱橋的結(jié)構(gòu)研究

王同濟(jì)

摘 要：自古以來橋梁就在我國的交通方式中占據(jù)著重要地位。我國橋梁的歷史悠久，種類豐富。但據(jù)了解我國主要的橋梁結(jié)構(gòu)都存在自重大，施工復(fù)雜的問題。因此若是能有一種自重輕，施工便捷的橋梁形式，對(duì)我國的橋梁建設(shè)工作是很有利的。本論文通過對(duì)汴水虹橋和閩浙木拱橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并根據(jù)筆者對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的理解提出將兩者優(yōu)點(diǎn)集于一身的虹橋式木拱橋結(jié)構(gòu)。并利用SAP2000軟件分別對(duì)三種模型進(jìn)行模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果總結(jié)新模型的優(yōu)點(diǎn)，并制造簡單的實(shí)物模型對(duì)其進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：汴水虹橋閩浙木拱；SAP2000虹橋式木拱橋

1 汴水虹橋

汴水虹橋可以說是我國虹橋結(jié)構(gòu)中的典范，雖然因時(shí)間的流逝其實(shí)體建筑早已不存于世，但其主要經(jīng)由北宋張擇端的名畫《清明上河圖》為世人所知。

在文獻(xiàn)資料《澠水燕談錄》和《東京夢(mèng)華錄》中都對(duì)汴水虹橋有所描述，主要凸顯了虹橋的兩大特點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)上的“虛架無柱”；

2）形態(tài)上的“宛如長虹”。

無柱的結(jié)構(gòu)可以保證船只的暢通無阻，宛如長虹的形態(tài)則保證了橋梁具有很好的跨度。

1.1 汴水虹橋的結(jié)構(gòu)模型

著名的橋梁工程師唐寰澄先生在《湮滅了九百多年》一文中對(duì)汴水虹橋進(jìn)行研究，并制作了簡單的虹橋模型。

唐先生的模型主要告訴我們虹橋的主拱由縱骨和橫梁組成?？梢院喕蓤D1的二維結(jié)構(gòu)簡圖，能夠更為直白的看出虹橋的主拱結(jié)構(gòu)組成。

從結(jié)構(gòu)簡圖中可以看出汴水虹橋的主拱結(jié)構(gòu)由兩個(gè)縱骨系統(tǒng)和橫梁組成；第一系統(tǒng)由三節(jié)等長的木桿件組成，也稱三節(jié)苗。第二系統(tǒng)由四節(jié)木桿件組成也稱四節(jié)苗。橫梁的作用是與兩個(gè)縱骨系統(tǒng)進(jìn)行搭接形成整體的主拱結(jié)構(gòu)。

由圖1從左到右第一根橫梁是將四節(jié)苗的長、短斜苗與三節(jié)苗的斜苗進(jìn)行搭接固定。

第二根橫梁是將三節(jié)苗的斜苗、平苗與四節(jié)苗的長斜苗進(jìn)行搭接固定。

第三根橫梁是將四節(jié)苗的兩根長斜苗與三節(jié)苗的平苗搭接固定。

第四、五根橫梁與第一、二根作用相同。

汴水虹橋就是由11組四節(jié)苗和10組三節(jié)苗相互穿插，并與五根橫梁相貫連形成拱架。橫梁上承縱骨，縱骨上鋪木板為橋面[ 1 ]。

1.2 虹橋的受力解析

由圖1可知兩個(gè)縱骨系統(tǒng)通過橫梁的搭接形成整體。因此搭接處可看為是節(jié)點(diǎn)。

橋面板上的荷載傳至主拱系統(tǒng)時(shí)，第一系統(tǒng)在二、四節(jié)點(diǎn)處（對(duì)應(yīng)圖1第二、四根橫梁）將荷載傳遞給第二系統(tǒng)，第二系統(tǒng)則在其余節(jié)點(diǎn)處將荷載傳遞給第一系統(tǒng)；兩縱骨系統(tǒng)分別通過橫梁互相傳遞荷載，共同承擔(dān)著來自橋面板的荷載，并最終將荷載傳到基礎(chǔ)底面[ 2 ]。

虹橋的兩系統(tǒng)與橫梁交叉搭接而形成的拱形主體結(jié)構(gòu)在互相制約的同時(shí)又共同傳力的特點(diǎn)很好的保證了橋梁具有出色的受力性能。

2 閩浙木拱橋

閩浙木拱橋是由拱形橋體和橋上的廊屋組成，木拱橋整體體現(xiàn)出橋上承廊屋，廊屋保護(hù)橋體的建設(shè)理念，橋上有廊，廊下為橋，橋與廊的結(jié)合再配上周圍景物的映照，很好的傳承了我國園林建筑道法自然的優(yōu)良基因，可以說是我國古代橋梁建設(shè)上的又一智慧的結(jié)晶。

2.1 木拱橋的結(jié)構(gòu)分析

由圖2的分解示意圖可以看出，木拱橋的主拱結(jié)構(gòu)與虹橋的主拱結(jié)構(gòu)基本相似，也是由兩個(gè)縱骨系統(tǒng)和橫梁（稱之為牛頭）交叉搭接而成，形成拱形的主體結(jié)構(gòu)。第一系統(tǒng)為三節(jié)苗體系，第二系統(tǒng)為五節(jié)苗體系。

與虹橋不同的是，木拱橋的三節(jié)苗體系由兩根大牛頭將斜苗和平苗搭接為一整體結(jié)構(gòu)；五節(jié)苗體系是由四根小牛頭將斜苗和平苗搭接為整體結(jié)構(gòu)。

兩系統(tǒng)相互穿插，形成主拱系統(tǒng)。剪刀苗、馬腿和將軍柱的架設(shè)保證了橋體不會(huì)發(fā)生側(cè)移同時(shí)也加強(qiáng)了橋體的結(jié)構(gòu)。

2.2 木拱橋的受力解析

木拱橋的荷載來源主要是橋上廊屋的自重與橋面上車馬行人的荷載。荷載經(jīng)由橋面苗傳至主拱結(jié)構(gòu)。

和虹橋的受力相類似，相互穿插的兩拱骨系統(tǒng)間荷載的作用也是相互傳遞的，荷載最終傳到基礎(chǔ)，并由基礎(chǔ)的反作用力使橋體達(dá)到受力平衡。

剪刀苗和馬腿的作用是來分擔(dān)桿件的軸向力，通過將它們抵架在將軍柱上達(dá)到保持橋體的軸向穩(wěn)定。

3 虹橋式木拱橋結(jié)構(gòu)

經(jīng)過對(duì)汴水虹橋和閩浙木拱橋的結(jié)構(gòu)分析，筆者認(rèn)為可以將兩者的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，集中在一個(gè)結(jié)構(gòu)體系中。汴水虹橋是通過橫梁將三節(jié)苗和四節(jié)苗的每根桿件搭接起來成為整體；閩浙木拱橋是將三節(jié)苗、五節(jié)苗中的桿件分別用大、小牛頭連接成整體后再將兩個(gè)系統(tǒng)相互穿插形成主拱。

因此木拱橋中的每根桿件都可看成是簡支梁結(jié)構(gòu)，而簡支梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的撓度變化并不是很出色。

所以筆者認(rèn)為可以在虹橋的主拱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加設(shè)立柱和馬腿用來分擔(dān)主拱所受的部分荷載，在確保橋體整體結(jié)構(gòu)具有很好的穩(wěn)定性的情況下，使得橋體能夠更好的承受荷載。筆者稱之為虹橋式木拱橋結(jié)構(gòu)。

4 利用SAP2000軟件的模擬分析

本文對(duì)三種結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬分析，利用sap2000軟件采用靜力分析法以梁單元進(jìn)行建模，為了便于研究，將模型結(jié)構(gòu)均歸結(jié)為平面體系進(jìn)行計(jì)算分析，橫梁被簡化成為桁架，各處節(jié)點(diǎn)均設(shè)為鉸接；材料設(shè)置成木材，且為各項(xiàng)同性材料；為了直觀的顯示受力特性和便于比較分析，所有模型的跨度均為20m，其他尺寸依比例調(diào)整；所有荷載為均勻分布在結(jié)構(gòu)上的5KN集中荷載，共五處。根據(jù)sap2000軟件所生成的不同模型的彎矩圖、剪力圖為依據(jù)，將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，借以體現(xiàn)虹橋式木拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證由sap2000軟件分析得出的虹橋式木拱橋撓度值明顯小于虹橋結(jié)構(gòu)的結(jié)論，本文采用制作實(shí)體模型進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

據(jù)了解三節(jié)苗是一個(gè)穩(wěn)定的支撐系統(tǒng)，可以有效的抵抗垂直向下的荷載。其跨度決定了橋的凈跨，高度決定了橋高[ 3 ]。因此三節(jié)苗的用料要求較高。

但為了制作方便實(shí)體模型的制作材料均為直徑20mm的塑料水管，按照與汴水虹橋1∶20的比例縮小，跨度為1m。因時(shí)間，硬件條件與筆者自身能力有限，模型的縱骨與橫梁間采用鉆孔引繩，再將橫木與橫木之間進(jìn)行綁扎。馬腿、立柱與斜苗間也是鉆孔牽繩連接再與主拱進(jìn)行綁扎。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，虹橋模型的拱高約26.84cm，吊掛砝碼后拱高為23.45cm，撓度值為3.39cm；虹橋式木拱橋模型拱高為26.53cm，吊掛砝碼后拱高為24.81cm，撓度值為1.72cm。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知虹橋式木拱橋結(jié)構(gòu)相對(duì)于虹橋結(jié)構(gòu)來說穩(wěn)定性更為出色。

6 總結(jié)

本文首先對(duì)汴水虹橋和閩浙木拱橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)和受力原理進(jìn)行分析，提出將兩者結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)集于一身的虹橋式木拱橋結(jié)構(gòu)。利用SAP2000軟件對(duì)模型進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果得到虹橋式木拱橋結(jié)構(gòu)的整體彎矩、剪力和撓度有明顯的降低，承載力增強(qiáng)。并通過加載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新模型的撓度值確實(shí)有所降低。

本文在提出新結(jié)構(gòu)希望對(duì)我國橋梁建設(shè)工作有所貢獻(xiàn)外，也希望能有更多的人對(duì)虹橋和木拱橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，將這些我國古代橋梁建設(shè)者的智慧結(jié)晶得以傳承。

參考文獻(xiàn)：

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