关于中国古代联拱桥的力学分析96

关于中国古代联拱桥的力学分析

摘要：中国古代联拱桥体现了我国悠久的文化和劳动人民的智慧，更有许多著

名的拱桥留存至今。承载着历史与文化的古代拱桥是中国力学发展的见证，体现

了各个历史时期建造师的力学水平。本文将对中国古代联拱桥进行力学分析，利

用拱结构的计算简图，得出其几何组成方式。

关键词：几何组成；厚墩桥；薄墩桥

一、计算简图

通常，中国古代石拱桥若按力学构造分类，主要有敞肩圆弧拱（如赵州桥）、厚墩厚拱桥（如卢沟桥）、薄墩薄拱桥（如拱宸桥）这三种。但针对不同的石拱

桥又有不同的计算简化模型。下面将介绍等高厚墩桥和等高薄墩桥的计算简图之

间的异同并作出解释。

图1 两种桥的计算简图

三孔厚墩和薄墩联拱桥计算简图如图1所示。显而易见，它们的相同点在于：1、桥左右两端为固定铰支座。2、各跨拱顶为铰链连接。它们的不同点在于：1、厚墩和薄墩联拱桥中间桥墩支座分别为固定和活动铰支座。2、薄墩联拱桥各拱

之间先刚接后与支座铰接。这是因为，桥左右两端基础及支座的约束一般视为竖

向及横向的刚性约束，桥在荷载下会轻微变形，桥身略微旋转，故左右两端为固

定铰支座。并且，中国古代拱桥施工一般在桥墩的基础上修建桥体，最终在拱顶

处连接[1]。而三铰拱正好是在双铰拱顶再增设一铰，符合结构特点，故各跨拱顶

为铰链连接。这就是两种计算简图相似的原因。

然而，若从结构上分析，厚墩联拱桥是单拱的集合体，每拱单独受力，一拱

受力或受损，不影响其他。薄墩联拱桥一般采用木桩基础的墩台，一孔受力，引

起桥墩变形，将力传递到相邻拱圈，临拱协助受力，分解了作用于墩台上的水平

推力[2]。且厚墩联拱桥每拱单独受力，故桥墩支座简化为固定铰支座，而薄墩联

拱桥临拱协助受力，故桥墩支座简化为活动铰支座，各拱之间先刚接后与支座铰接。这就是两种计算简图不同的原因。

二、几何组成分析

下面将对薄墩联拱桥进行几何组成分析，先分析两孔和三孔薄墩桥，再推广

到任意孔数。如图2，将结构中的曲杆简化为直杆。

综上，偶数孔和奇数孔薄墩桥分别为有多余约束的几何瞬变体系和无多余约

束的几何不变体系。因此薄墩联拱桥多数为奇数孔，各孔登高的偶数孔薄墩联拱

桥是几何顺便体系，结构不稳定，不建议用于实际工程。

三、桂林花桥的稳定性

中国古代的石拱桥造型优美、风格各异，历经百年沧桑变化而能屹立不倒。

这得益于其设计的合理与结构的严谨，充分展现了我国古代建筑师、工匠师精湛

的技艺。下面将以桂林花桥为例分析其稳定性。桂林花桥水桥有四孔，为偶数孔

薄墩联拱桥，其上筑有亭子，故有均布荷载，且右端有三孔旱桥，支座简化为固

定段支座。计算简图见图。

组成分析：大地为刚片0，杆2、3为刚片1，杆4、5为刚片2，杆6、7为刚片3，将

单元8加入大地刚片，刚片0、3并为大刚片进而与2并为大刚片再与刚片1并为大刚片，

故为有多余约束的几何不变体系，且为超静定结构。结合资料，此桥自建成起多次毁坏，自嘉靖十九年（1540）增加旱桥后一直沿用至今[4]，因此增加旱桥变为超静定的几何不变体系是该桥得以稳定存在近480年的原因。

四、总结

中国石拱桥，遍布祖国山河各地，是中国璀璨的桥梁文化中的一部分，是中国桥梁中杰出的代表作品。石拱桥历经岁月沧桑仍巍然屹立，是古代工匠的智慧结晶，也是古代力学发展的见证。

参考文献

[1]田津麒.中国古代桥梁建筑的几个特点[J].交通建设与管理，2009，（Z1）：94-

98.[2017-09-28].

[2]中国公路编辑部.古代桥梁技术的发展[J].中国公路，2002，（21）：17-19.[2017-09-28].

[3]单建.趣味结构力学（第一版）[M].高等教育出版社，2008，11-12.

[4]廖燕玲.广西古桥[J].城建档案，1998，（06）：46.[2017-10-01]