凯锋悦桥1:桥神赵州桥1412岁——中国古建筑最璀璨明珠,世界第一古桥

2017-01-04

小学三年级语文就有《赵州桥》课文:“河北省赵县的洨河上,有一座世界闻名的石拱桥,叫安济桥,又叫赵州桥。它是隋朝的石匠李春设计和参加建造的,到现在已经有一千四百多年了……”。我每次在学校给本科生和给研究生讲授桥梁课程时,都要从赵州桥开始讲起,因为在我看来,中国的桥梁技术人员更要了解和知晓这座千年“桥神”的精髓和精神。作为“凯锋悦桥”(“悦”含说、喜爱、乐于等义)的开篇,也同样从赵州桥开始讲起。

一、拱桥跨度世界纪录保持541年

位于河北省赵县洨河上的赵州桥(原名安济桥),建于隋朝年间公元595年~605年,建成至今已有1412年。

桥梁长度50.82m,中部宽度9m,拱脚宽度9.6m,桥面宽敞、平缓,极显自然、协调和大气。

主拱为跨度37.02 m的圆弧拱,矢高7.23 m,矢跨比为1:5.12,即0.195,小于0.25,属于坦拱桥。对于坦拱结构,相同的自重和桥上负荷在拱脚要产生更大的向外水平推力,所以建造难度更大;但桥上行人车马无需过多爬高,便于通行。

主拱圈上两侧各建造两个大小拱(净跨为3.8 m和2.8 m)支承桥面,这是世界上第一次建造空腹式(敞肩式)拱桥。其突出优点有三:大幅度省材、减重;增加过水面积,减小高水位时流水对桥梁的压力;通透、轻巧、美观。

赵州桥37.02 m的跨度在那个年代是拱桥的世界记录,一直保持了541年:1147年,土耳其东南部建成跨度为38.71m马拉巴迪桥(Malabadi Bridge)。

赵州桥的跨度大,建造技术高超,总体造型优美,使用时间超长,维护维修到位,是中国古建筑最璀璨的明珠,是世界第一古桥。

图1  605年建成跨度37.02m的中国赵州桥

图2  1147年建成跨度38.71m的土耳其马拉巴迪桥

图3 宽敞平缓的桥面

二、牢靠的拱圈及其基础

赵州桥的石料采用附近产的青白色石灰岩,抗压强度为50~120MPa;主拱圈在拱脚的厚度1.34m,包含两层。

下层拱圈厚度全部为1.02m,由28条平均宽度约0.32m的拱券并列组成,外侧拱券共有41块长度1m以内的倒梯形块石,两两间用两块(拱顶用3块)腰铁联结。

上层拱圈(早期曾称为护拱石)厚度从拱脚的0.30m渐变到拱顶的0.16m,其块石纵向接缝与下层拱券块石接缝错开,上层拱圈(含6道钩石)及小拱支墩的块石错列布置。

主拱圈和其它部位的块石之间不用灰浆,而是镌刻有斜纹的块石表面直接贴合;块石表面上镌刻有斜纹是为了增加贴合面间的摩擦力。不用灰浆就可以避免灰浆收缩引起的形状变化和附加内力,也避免因灰浆强度低于块石强度导致承载能力降低;但是,这就要求每一块石的镌刻误差要控制在3mm左右。作者估算,主拱圈承受全桥自重(不含桥台)的安全系数高达38.2。

图4 主拱圈

图5 下层拱圈28条拱券并列布置,上层拱圈(含6条钩石)及小拱支墩块石错列布置

下层拱圈的28条拱券相对独立同时并列布置,这主要是考虑到满孔施工支架容易受到每年汛期洪水的影响。在多年的施工中,每年只搭建较窄的满孔支架,相对独立地施工两三条拱券;在洪水到来之前拆除支架;枯水时再搭建相邻支架,施工相邻的两三条拱券。这也使得部分支架材料可以重复使用。这种做法非常便于施工,也便于日后可以独立维修和更换每条拱券,但是整个拱圈的横向整体性差。除了上层拱圈的块石错列布置对其有所加强之外,还有三项辅助措施:

第一,靠近拱顶的上下层拱圈之间设置5根外部呈铆钉头形状的铁拉杆(主拱圈上的4个小拱顶部还各有1根,全桥共9根),每根铁拉杆内部由多段杆采用钩和孔接长,达到所在位置的拱圈宽度,通过铆钉头端部铆住拱圈外侧。

图6 主拱圈的5根和4小拱顶部各1根铆钉头铁拉杆(圆圈内)

第二,上层拱圈包含6道长条状钩石,每道钩石约1.8m,连接5、6条下层拱券;外侧表面凸出约5cm,凸出部分再向下凸出约5cm,呈直钩状,卡住下层拱券外侧块石的上缘。

图7 上层拱圈设置6道长条状钩石(圆圈内)

第三,拱圈下部宽度比顶部宽度大0.6m,横向呈“八”字形,一定程度让外侧拱圈下部在横向上支撑拱圈上部,阻止拱圈上部向外变形和分离。

主拱圈上面设置的4个小拱,其拱圈厚度虽小,但同样采用上下层拱、腰铁和铆钉头铁拉杆等做法,增强结构的整体性能。

在自然沙粘土上铺设多层条石,形成台阶状扩大基础,既承受桥梁的竖向荷载,也有利于减弱水流对基础和河床的冲刷。

主拱圈在拱脚处的水平角度约42.67°,这就意味着其向外水平推力比向下竖向压力还大8.5%。这就是坦拱桥区别于陡拱桥的突出特点,也是坦拱桥建造的困难所在。为此,主拱圈外相对较大尺寸的桥台块石墙体及其中间填充土石,与其基础相连,体量和重量较大,能够有效地承担主拱圈1200t以上的水平推力。赵州桥千年不倒,也和这个能够抵抗巨大水平推力的“金刚”分不开。

三、精美的工程艺术作品和美名

赵州桥系李春为首的一批桥梁工程师和工匠多年辛勤劳作的结晶。赵州桥是平坦的圆弧拱桥,整体造型优美;桥面宽敞、平缓;桥面护栏有精美浮雕;桥面留着“柴王爷推车压了一道沟”……赵州桥是一件精美的工程艺术作品。

图7 精美浮雕的桥面护栏

图8 桥面留着“柴王爷推车压下了一道沟”和“膝印”

图9 主拱圈和小拱圈连接细部

图10 主拱圈顶部的“龙头”和桥面护栏外侧浮雕

赵州桥原来一直叫小名“大石桥”,建成400多年后,北宋宋哲宗赐名“安济桥”。

赵州桥也成为民间美好故事的载体。华北民间小调“小放牛”中有小姑娘回答牧童哥哥:

“赵州桥,鲁班爷修;

玉石栏杆圣人留。

张果老骑驴桥上走;

柴王爷推车压下了一道沟。”

1932年,梁思成先生等考察、测量赵州桥,1934年将研究报告发表在《中国营造学社汇刊》上,1938年将相关内容发表在《铅笔画》杂志上,比较系统、全面地推介赵州桥。

图11 梁思成先生等考察、测量赵州桥和所绘的桥梁布置图

茅以升先生在1962年3月4日《人民日报》上发表“中国的石拱桥”一文,介绍了赵州桥等;后来的《赵州桥》课文改编之该文。

图12 小学三年级语文电子课本第19课《赵州桥》

赵州桥1961年被国务院列为第一批全国重点文物保护单位;1989年被美国土木工程师学会(ASCE)认定为 “国际土木工程历史名胜”(1991年派人来华正式告知;中国迄今唯一得到认定的古建筑;其它国家包括巴拿马运河、艾菲尔铁塔、伦敦塔桥等;桥头所立“美国土木工程师学会敬立”的镀铜牌匾似有假作之嫌)。

赵州桥后来被建了院围起来、“供”起来,收门票每人40元……

图13 赵州桥“大院”的院门

图14 赵州桥“大院”照壁上刻着茅以升《中国石拱桥》的部分段落

四、1954年桥梁大修

赵州桥经历了多次洪水、地震和战事,也有过多次维修,其中1954年6月至1956年10月的大修值得一提。大修内容主要有:

第一,重砌东端外侧5条下层拱券,更换其它拱券部分受损严重的块石;

第二,对23条原来下层拱券的缝隙、裂缝用压力注浆法注入水泥砂浆;

第三,在上下层拱圈之间增设钢筋混凝土加固层;

第四,在桥面石板下面增设亚麻布与沥青防水层;

第五,重新镌刻制作安装部分护栏和桥面石板。

此次维修还从河中捞挖出不同年代坠落的石块并尽量加以利用;同时也初步探明桥梁基础形式;移开紧靠桥梁的桥门建筑;在旁边新建一座桥梁,承担日常交通,减少对原桥的负载。

维修花费30多万元,在那个年代算是花大钱了;维修极其认真、严格、精细,效果非常好。

在不同的时代用其先进技术与材料维修加固桥梁的出发点是正确的。在桥面石板下面增设亚麻布与沥青防水层可以理解和接受,但在上下层拱圈之间增设钢筋混凝土加固层,似有过度维修之嫌,让“纯石拱古桥”之美名变得有点轻微的“不纯”。

图15  1954年维修前的桥梁

图16 在上下层拱圈之间增设钢筋混凝土加固层,重新雕刻制作部分护栏

五、总体现状良好

赵州桥1956年维修结束至今又过了60年,一方面总体上维修效果好,另一方面这些年得到善待,桥梁的总体安全状况良好。但也存在一些小问题:一侧桥面护栏的立柱与石板之间拼接缝明显增大,最大缝隙超过20mm,桥面石板少数开裂、桥面护栏局部轻微外倾、桥面少数护栏石板上缘受拉开裂,外侧拱圈表面出现轻度风化和局部损伤等。前两者的主要成因与拱圈外侧长期承受实体护栏较大的荷载并出现微量的不均匀变形(含地基与基础变形)有关。这些问题总体上不严重,短时间内不会危及桥梁安全,但仍需重视、加强观测。

图17 桥面护栏的立柱与石板之间的拼接缝增大

图18 桥面石板少数开裂、桥面护栏局部轻微外倾、桥面少数护栏石板上缘受拉开裂

图19 外侧拱圈表面轻度风化和局部损伤

六、中国现代拱桥技术领先世界

以赵州桥为杰出代表的我国古代拱桥技术曾经领先世界;同样,我国现代拱桥继承和发扬古代拱桥技术传统并有所创新,使其技术继续领先世界:2000年山西晋城建成146m的世界最大跨度石拱桥,丹河新桥,几乎接近石拱桥的跨度极限;2009年重庆建成552m的世界最大跨度拱桥,朝天门长江大桥……

图20  146m的世界最大跨度石拱桥丹河新桥和超过70m高的施工支架

图21  552m的世界最大跨度拱桥重庆朝天门长江大桥

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[引用]中国赵州桥建筑奇技夸世1400年(图)
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