中国古代桥梁技术的发展

2013-10-28

中国古代桥梁技术的发展

文本摘要:据考古发掘分析,中国真正意义上的桥梁诞生于氏族公社时代,也就是距今40006000年前。中国古代辉煌的造桥技术,特别是石拱桥的建造技术,为现代桥梁建设奠定了良好的基础,许多工艺、经验和理论仍在现代桥梁建设中得以运用。

 

据考古发掘分析,中国真正意义上的桥梁诞生于氏族公社时代,也就是距今40006000年前。经过数千年的发展,在东汉时期,基本形成了梁桥、拱桥、吊桥、浮桥四种桥梁基本体系。进人隋、唐、宋时期,古代桥梁建筑技术达到了巅峰,随后的元、明、清三代,将前代的造桥技术进行了全面总结,初步形成了各种桥型的设计、施工规范。19世纪后期,随着工业革命成果的传播,以砖、木为主要材料的古代桥梁渐渐淡出历史舞台。

一、梁桥

梁桥以其结构简单、建造方便,在桥梁史上最早出现。考古发现,陕西省西安的半坡村遗址已有独木、排木梁桥存在的可能。由此上溯两千年,浙江省河姆渡遗址就已经有了木构梁桥存在的迹象。原始公社时代生产力低下,因使用的工具绝大部分是石制工具,又称石器时代,只能对木材进行粗糙的加工,以木梁桥跨越天堑是唯一的选择。

经过了漫长的数千年,铁器时代的来临,才使加工大型石料成为可能,石材成为主要的建筑材料,石梁桥才应运而生。同时,铁制工具对木材的加工也更为精细,许多规模宏大,加工精美的木梁桥开始出现。建于公元22年的灞桥,计67跨,以石为墩,以木为梁,是石木完美结合的代表作。几乎与此同时,广西、浙江等地出现了两三块条石铺就的石墩石梁桥。

东汉以后,尤其是隋、唐、宋三代拱桥的异军突起,一度使梁桥黯然失色,但石梁桥仍以它结构简洁、稳定,石材加工简单,建造方便,造价低廉的优势,在许多运输便利,石料充足的地区广泛采用,其技术成就和艺术成就同样达到了极高的水准。如山西省太原晋祠的鱼沼飞梁,其建造之精美,结构之独特,在中国桥梁史上绝无仅有。在福建沿海地区,长大的跨海桥梁也多采用石梁结构,长十余米,重达数吨的石梁,依仗着便利的水上运输送达桥址,再利用潮汐的涨落架设石梁,建成了长达千余米,甚至两千余米的长桥,其中,福建省泉州市的洛阳桥、安平桥最负盛名,值得一提的是洛阳桥,不仅首开中国跨海石梁桥的先河,还首创了以牡砺胶结基础的殖砺固基法和稳固的筏型基础,这一发明保证了桥梁在近千年惊涛骇浪、沧海桑田的洗礼之后仍屹立不倒。

木梁桥由于材料的耐久性差,在石梁桥兴起之后建造的越来越少。但在大型石材采集、运输不便的地方,人们发明了一种更为新颖、实用的木梁廊桥。在唐、宋时代建筑技术全面进步的基础上,桥上盖屋,以瓦覆之,不仅保护了木梁不受风雨侵蚀,也避免了路人栉风沐雨之苦。浙江省的百梁桥、熟溪桥当属此类的佼佼者;后世的广西壮族自治区三江程阳桥更是以其规模宏大,设计奇巧,风格独树一帜而闻名于世。

简支梁桥由于受材料实用尺寸的限制,不可能建造大跨径桥梁,为了增大跨径,减少墩台,悬臂梁桥应运而生。悬臂梁是在木端施以重压,另端伸向对岸,节节伸出,然后在两个悬臂端之间架简支梁,从而达到增加跨径的目的。前文提到的熟溪桥、程阳桥也都是悬臂木梁桥的佳构杰作。木虹桥的出现的确有点匪夷所思,它的结构与以往的桥式和任何建筑结构都少有继承关系,与石拱桥的受力方式也颇有区别。它由两组木排穿插叠架在一起,形成两个受力系统组成的木拱。据分析,此类桥梁外型酷似拱桥,也具备一些拱桥的受力特征,但从两套木排梁的角度分析,在承受荷载时,木梁受弯而不受压,不像拱券石受压而不受弯,受力特点更接近斜撑木悬臂梁桥。据专家对《清明上河图》中所绘沛梁虹桥的分析推算,该桥长192,净跨16.5,宽89米,并列有21组圆木。圆木直径约40厘米,分两个系统,外面一组构成第一系统,由2根长圆木和2根短圆木组成,里面一组为第二系统,由3根等长圆木组成,共11组第一系统和10组第二系统组成在两个系统的交会点,设置横贯全桥的横木,共有5根,横木起到了联系两个系统、稳定结构、横向分配活载的作用,用条石砌筑两岸桥台,承担拱的推力,台前还留有纤道,不仅结构合理,设计也颇为周到。在北宋时期,能达到16.5跨径的石桥也不多见。据史料记载,最大跨径的木虹桥可达40,超过了赵州桥的跨径。木虹桥降低了自重,增大了跨径,但由于材料的原因,不易长久,以致这一技术一度失传,保存到今天的更是凤毛麟角。如甘肃省的溺陵桥由于地处干燥的西北地区,又有桥廊庇护,员经600余年风雨至今尚存。除悬臂木梁之外,悬臂石梁也不鲜见。悬臂梁桥对现代梁式体系中的许多桥式产生了深远影响。

二、拱桥

拱桥在桥梁史上出现的时间最晚,但是流风所及,不仅主导了古代桥梁的发展走向,也在现代桥梁体系独树一帜。

砖的发明有人认为始于东汉,但据考古发掘,中国早在战国时期(公元前475年至公元前221年)就已经出现了砖墓室。砖的发明是建筑史上的一次革命,砖与石、木不同的不仅仅在于它是人造建材,更在于它便于成型,外观整洁,尺寸规范,易于施工,这就为拱的发明提供了物质基础。世界上对拱结构的起源众说不一。或认为起源于自然界溶洞天然拱,或认为起自崩落的堆石拱,或认为由于砌墙开洞,逐渐由假拱演变而成。在中国,拱的起源据文献记载始于公元前2世纪末的西汉王朝。汉武帝元朔二年(公元前127年)所建的麻弥图一号墓墓室就是砖券顶,净跨达到1.64。券即现代汉语的拱圈之圈,是拱的意思,法券、卷瓮都是中国古代的建筑术语,意为砌拱。更早的记载还有《礼记》蓬户瓮牖之说,即用破坛子砌造窗户。陶瓮则是一种更早的人造建筑材料,当然那时所砌的并不是真拱,更不是拱桥,只是拱的雏形。从墓葬结构及仅存实物来看,自东汉(公元25220年)起,券顶、弯顶都比较完善,砖拱技术已十分成熟。现存有文字记载最早的桥梁―方顺桥是一座石拱桥,建于公元309年,晚于东汉砖拱顶100多年,规模已相当宏大,长13,宽8,大拱跨径达13.3,远远超出了同时代石梁桥的跨径。

石拱桥是在墩台之间以拱形构件承重,构件在承受荷载时,墩台支点处产生水平推力,使拱内产生轴向压力,减小了跨中弯矩,使石材的耐压特性得以充分发挥,因此石拱的跨越能力大大高于石梁桥,从而提高了桥梁跨径。石拱桥的出现使中国古代桥梁进人了一个新纪元。

这个新纪元的扛鼎之作―赵州桥,一举将中国古代石拱桥技术提高到一个令人瞠目的程度。建于隋朝的赵州桥是一座单孔空腹坦拱石拱桥,主桥孔净跨37.02,净矢高7.23,矢跨比达到l5.12,是一座很坦的圆弧拱桥,全桥长50.83,宽9,主拱圈并列28道,拱厚1.03,拱石长1,最大重量为l吨。在主拱圈之卜,镶有自拱脚处厚度为24厘米、拱顶处厚度为16厘米的变厚度护拱石。护拱石在空腹段为满铺,实腹段仅镶于桥的两侧。拱圈外形尤如变截面拱。为减轻桥梁自重,大拱之上,两侧各伏有两个小拱。靠近拱脚处的小拱,净跨为3.8,另一小拱净跨为2.85,圈石厚65厘米。每个小拱圈的东西两外侧,各铺设一层厚约16厘米的护拱石。小拱亦为并列砌筑。赵州桥的石拱桥跨径纪录,直到1959年湖南黄虎港桥的建成才被打破,长达1300余年。赵州桥制作精良,结构独创,造型上既稳重又轻巧,正如桥头关帝阁两楹对联所写:船从碧玉环中过,人在苍龙背上行。赵州桥的建成令当时相当杰出的小商桥、桥楼殿桥都黯然失色,不仅如此,其桥式成为后世建造单孔空腹坦拱石拱桥的范本。

厚墩联拱石拱桥的出现略晚于空腹式石拱桥。从技术结构上讲,厚墩联拱是单拱的集合体,每拱单独受力,一拱受力或受损,不及其他,墩台粗大厚重,承重能力很强,特别适合北方以车为主要交通工具地区,此外,这种桥式还具有较强的抵御洪水冲击能力,因此在南方山区亦很实用。著名的北京市的卢沟桥、云南省的双龙桥均属此列。北京市颐和园十七拱桥也采用这种桥式,可能是要体现皇家园林的气派,昭示帝王基业的稳固,并无实际价值。

与厚墩联拱相对应的是薄墩联拱石拱桥,多见于南方软基水网地区,一般采用木桩基础的柔性墩台,一孔受力,引起桥墩变形,将力传递到相邻拱圈,令体拱协助受力,分解了作用在墩台上的水平推力,这种结构减少了墩台重量和体积,不仅降低了水下工程量,也便利船只航行。此类桥式在以水运为主要交通方式的江浙地区非常多见,其中最著名的是建于唐朝的苏州宝带桥。

石拱桥是中国古代桥梁建设中最普遍采用的结构形式,拱圈类型也多种多样,浙江省嵊县公元1836年建成的玉成桥,其石拱已呈现代拱桥常用的悬链线状,接近现代拱桥,中国古代拱桥的技术成就由此可见一斑。

三、吊桥

吊桥又称索桥,是跨越能力最强的桥式,多见于中国西南高山峡谷、水流湍急的地区。吊桥种类很多,根据索材,可分为藤索吊桥、竹索吊桥和铁索吊桥等;根据结构,可分为单索、双索、三索、多索,单跨、双跨和多跨等等。其中多索单跨、双跨铁索桥最为常见。

藤索吊桥出现的年代最早,但由于桥的规模较小,又地处深山峡谷,少有文献记载。专家根据科技发展规律判断:无须过多加工,耐拉能力很强的天然藤条应该是人类最早利用的索材。有些藤条自然生长攀越峡谷,形成天生吊桥,但无论天生吊桥还是人工藤索桥都是简易桥梁,牲畜都很难通过,可谓吊桥的雏形。

竹索桥的出现晚于藤索桥,顾名思义是以竹蔑为索材。公元前3世纪,西蜀太守李冰在成都附近建造七桥,其中一座为竹索吊桥,后世文献多有记载,可见规模不小,且至少存在了600年。最著名的竹索桥是四川省都江堰安澜桥,始建年代不详,宋代前名珠浦桥,宋初用竹索建吊桥,改名评事桥,明末改桥为渡,名伏龙渡,清朝嘉庆八年(公元1803)用竹索重修索桥,名为安澜桥,20世纪70年代改建为钢索桥。关于竹索吊桥,在西南竹乡有不少记载,由于索材易腐,现已很难见到。

在冶铁技术成熟以前,许多地方就地取材,建成了各种各样的吊索桥。最特殊的要数西藏自治区日喀则以牛皮为主索的彭错岭索桥,它建于1800年前,长达230,利用地形在江心设墩,飞渡雅鲁藏布江,吊索以牛皮拧搓而成,涂以酥油,历久不腐,直到20世纪七十年代才更换成铁链,值得一提的是其江心石墩,以乱石干砌,底部以巨木为桩,插于江心,迎千年激流而不溃,在世界桥梁史上堪称一绝。

随着冶铁技术的普及,以铁索为主要索材的铁索桥才使吊桥真正成为一个独立桥式,与梁桥、拱桥比肩而立。中国铁索桥最早的记载出现在唐朝,但留存至今的大部分为明朝所建。建于1475年的霁虹桥,位于云南省保山永平县博南古道的兰津渡口,跨澜沧江,是中国最早的有详细文字记载的铁索桥之一。据茅以升主编的《中国古桥技术史》记载:古以舟渡,两岸高险,横亘大竹索为梁,上布篑,篑上实板,其穿索石孔相传为孔明所凿。元元贞年间(公元12951297年)也先不花西征,易以巨木,后改舟渡。明成化中(公元14651487年)僧了然建铁索桥,清顺治年间(公元16441661年)重修。两端系铁缆16根,覆板缆上,南北筑四座关楼,桥西崖题曰西南第一桥。清代屡经重修,置铁索18根,桥净跨57.3,两岸桥台长56.1,总长113.41986年,东岸桥台毁于洪水。据《中国公路》杂志200017期载文《重建霁虹桥记事》报道:云南保山洞经协会募捐重建,历时3年,募资10万元,于1999年底建成。新桥位于旧桥上游20处,为钢索吊桥。

中国最著名的铁索吊桥是四川省甘孜的泸定桥,跨径达100,是中国古桥中跨径最大的桥梁之一,由13根铁链组成,4根为两侧护栏,9根底索并排横越大渡河,上铺木板成为桥面,宽达3,铁索两端绕过石砌桥台顶部,锚固于桥台背后底部,这种锚固形式在古代铁索桥中最为常见。

中国古代吊桥数量不多,但建造工艺非常领先,这也为现代悬索桥提供了宝贵启示。

四、浮桥

浮桥是在江河之上联结可浮体的一种特殊桥型,又称舟桥、桥航。一般为临时桥梁,适用于宽阔的大江大河,在黄河、长江上曾建过不少,但现已不存。

浮桥以船为主体,以竹缆、铁链联结,上铺木板,供行人车马通行,为加强稳定性,竹缆、铁链需在两岸锚定。山西省蒲津渡浮桥以竹索系船,始建于公元前257年,是有记载的第一座固定式浮桥,至唐开元十二年(公元724年)改竹索为铁链。在东岸和河心洲上各铸44人以锚挂铁链,再系上巨船成浮桥。1989年在山西省永济发掘出唐代蒲津浮桥东岸,锚锭浮桥铁索的4头各10多吨重的4个真人大小的铁人,铸造精良,气韵生动。因铁牛铸于唐朝开元年间,故称开元铁牛,此桥当时是黄河上的重要通道。

浮桥历史悠久,但由于其本身稳定性差、阻碍通航、易于损坏,现在已很少建造,大多因军事用途而临时搭建,不能成为主流桥型。

 

总之,中国古代辉煌的造桥技术,特别是石拱桥的建造技术,为现代桥梁建设奠定了良好的基础,许多工艺、经验和理论仍在现代桥梁建设中得以运用。

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