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中国古代木拱桥的结构和力学特征是什么?

从全世界来看,木拱桥并不常见。今天,中国还没有明朝以前的大型木拱桥。木材容易腐烂,建在河流上的桥梁受潮严重,显然对长期生存更加不利。

木材本身的材料特性决定了将木桥建成梁式桥要比拱桥方便得多。中国的石拱桥发展很早,最晚出现在汉代,但同时期的木桥仍以梁式桥为主。其中不乏巨型工程,如秦代修建的中尾桥、汉代修建的东西尾桥等,均为木梁结构。

中国典型的木拱桥出现在北宋,当时在青州。木拱桥的发展主要是应对梁式桥跨度高度不足,水中有立柱,导致洪水泛滥。《谈陆水燕》记载:“青州城四面环山,大洋中游限两城。起初,柱子作为桥梁横跨在水面上。每年六七月,山河暴涨,水柱交战,常断桥。国家以为它在受苦……”

在明道统治时期(1032-1033),青州地方长官解决了这个问题。他“筑起巨石固其岸,取数十棵大树互相交叉,框成无柱飞桥……”青州木拱桥建成后至少50年没有受损。这种新型木拱桥出现后发展很快,邻近的苏州也采用这种方法在汴河上建桥。首都汴梁紧随其后,木拱桥也出现了。

北宋的木拱桥没有留下实物,现在了解它们最重要的证据来自名画《清明上河图》中的汴河虹桥图。

中国古代木拱桥的主要特点是采用编织木拱。桥梁两侧的纵向拱系相互穿插,用几根横向横杆连接。这种木编拱不需要弯曲木材,架设比较简单,受力结构也不复杂。

北宋的木拱桥实际上采用了所谓的彩虹梁结构。简单来说,这座桥相当于把一般木梁桥的扁梁框架做成拱门的形状。具体来说,虹桥是由三根长圆木、纵梁和两根木梁连成一个八字拱,再由四根较短的圆木和三根横梁组成一个四折边的形状。每个拱门放在另一个拱门中间的横木上。接头用棕绳或铁片系住。从实际效果来看,虹桥和青州拱桥一样坚固,维护890年不成问题。

但这种木拱桥存在时间较短,宋末失传,之后北方地区再无类似尝试。目前,我国现存的木拱桥主要集中在浙南、闽北的一些县市。闽浙木拱桥的结构与虹桥相似,但又不尽相同。与虹桥的技术是否有传承关系值得怀疑。

与虹桥相比,闽浙木拱桥的第二拱系由四折变为五折,中间拱骨水平。在第一和第二系统之间插入小木头以增加稳定性。拱形结构整体看起来像8字形,桥面坡度平缓,有利于车辆通行。但拱架的木材基本上是用榫卯结构连接的,这与虹桥的箍圈相比是一个显著的进步。

同时,闽浙木拱桥一般都建成廊桥。桥上的游廊不仅可以为行人提供方便,还可以增加桥梁的重量和稳定性。可以在一定程度上缓解桥梁的湿气腐蚀问题。

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