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• 1、古代長37.02米的著名拱形橋是什么

• 2、拱形拱面橋的優(yōu)缺點(diǎn)

• 3、為何從古至今建造的橋梁，大部分都是使用拱形設(shè)計(jì)？

• 4、拱形結(jié)構(gòu)有什么科學(xué)道理

一、古代長37.02米的著名拱形橋是什么

這橋是安濟(jì)橋

安濟(jì)橋建于隋代開皇十五年至大業(yè)元年（公元595—605年），由匠師李春監(jiān)造，距今已有1400年的歷史了。該橋結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，雄偉壯觀。全長64.4米，拱頂寬9米。大橋的設(shè)計(jì)完全合乎科學(xué)原理，施工技術(shù)堪稱巧妙絕倫。唐代中書令（宰相）張嘉貞在《趙州大石橋銘》中說它“制造奇特，人不知其所為”。從整體來看，是一座單拱橋。拱長達(dá)37.02米，在當(dāng)時(shí)可算是世界上最長的石拱。

二、拱形拱面橋的優(yōu)缺點(diǎn)

1）采用圓弧拱形式,改變了我國大石橋多為半圓形拱的傳統(tǒng),我國古代石橋拱形大多為半圓形,這種形式比較優(yōu)美、完整,但也存在兩方面的缺陷：一是交通不便,半圓形橋拱用于跨度比較小的橋梁比較合適,而大跨度的橋梁選用半圓形拱,就會(huì)使拱頂很高,造成橋高坡陡、車馬行人過橋非常不便.二是施工不利,半圓形拱石砌石用的腳手架就會(huì)很高,增加施工的危險(xiǎn)性.為此,李春和工匠們一起創(chuàng)造性地采用了圓弧拱形式,使石拱高度大大降低.趙州橋的主孔凈跨度為37.O2米,而拱高只有7.25米,拱高和跨度之比為1:5左右,這樣就實(shí)現(xiàn)了低橋面和大跨度的雙重目的,橋面過渡平穩(wěn),車輛行人非常方便,而且還具有用料省、施工方便等優(yōu)點(diǎn).當(dāng)然圓弧形拱對(duì)兩端橋基的推力相應(yīng)增大,需要對(duì)橋基的施工提出更高的要求.

（2）采用敝肩.這是李春對(duì)拱肩進(jìn)行的重大改進(jìn),把以往橋梁建筑中采用的實(shí)肩拱改為敝肩拱,即在大拱兩端各設(shè)兩個(gè)小拱,靠近大拱腳的小拱凈跨為3．8米,另一拱的凈跨為2．8米.這種大拱加小拱的敝肩拱具有優(yōu)異的技術(shù)性能,首先可以增加泄洪能力,減輕洪水季節(jié)由于水量增加而產(chǎn)生的洪水對(duì)橋的沖擊力.古代**河每逢汛期,水勢(shì)較大,對(duì)橋的泄洪能力是個(gè)考驗(yàn),四個(gè)小拱就可以分擔(dān)部分洪流,據(jù)計(jì)算四個(gè)小拱可增加過水面積16％左右,大大降低洪水對(duì)大橋的影響,提高大橋的安全性.其次敝肩拱比實(shí)肩拱可節(jié)省大量土石材料,減輕橋身的自重,據(jù)計(jì)算四個(gè)小拱可以節(jié)省石料26立方米,減輕自身重量700噸,從而減少橋身對(duì)橋臺(tái)和橋基的垂直壓力和水平推力,增加橋梁的穩(wěn)固.第三增加了造型的優(yōu)美,四個(gè)小拱均衡對(duì)稱,大拱與小拱構(gòu)成一幅完整的圖畫,顯得更加輕巧秀麗,體現(xiàn)建筑和藝術(shù)的完整統(tǒng)一.第四符合結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,敝肩拱式結(jié)構(gòu)在承載時(shí)使橋梁處于有利的狀況,可減少主拱圈的變形,提高了橋梁的承載力和穩(wěn)定性.

（3）單孔.我國古代的傳統(tǒng)建筑方法,一般比較長的橋梁往往采用多孔形式,這樣每孔的跨度小、坡度平緩,便于修建.但是多孔橋也有缺點(diǎn),如橋墩多,既不利于舟船航行,也妨礙洪水宣泄；橋墩長期受水流沖擊、侵蝕,天長日久容易塌毀.因此,李春在設(shè)計(jì)大橋的時(shí)候,采取了單孔長跨的形式,河心不立橋墩,使石拱跨徑長達(dá)37米之多.這是我國橋梁史上的空前創(chuàng)舉.

趙州橋不僅設(shè)計(jì)獨(dú)特,而且建造技術(shù)也非常出色,有許多創(chuàng)造性.

（1）橋址選擇比較合理,使橋基穩(wěn)固牢靠.李春根據(jù)自己多年豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),經(jīng)過嚴(yán)格周密勘查、比較,選擇了**河兩岸較為平直的地方建橋,這里的地層是由河水沖積而成,地層表面是久經(jīng)水流沖涮的粗砂層,以下是細(xì)石、粗石、細(xì)砂和粘土層.根據(jù)現(xiàn)代測算,這里的地層每平方厘米能夠承受4．5到6．6公斤的壓力,而趙州橋?qū)Φ孛娴膲毫槊科椒嚼迕?——6公斤,能夠滿足大橋的要求.選定橋址后在上面建造地基和橋臺(tái),自建橋到現(xiàn)在,橋基僅下沉了5厘米,說明這里的地層非常適合于建橋.

（2）趙州橋的砌置方法新穎、施工修理方便.李春就地取材,選用附近州縣生產(chǎn)的質(zhì)地堅(jiān)硬的青灰色砂石作為建橋石料,在石拱砌置方法上,均采用了縱向（順橋方向）砌置方法,就是整個(gè)大橋是由28道各自獨(dú)立的拱券沿寬度方向并列組合而成,拱厚皆為 1.O3米,每券各自獨(dú)立、單獨(dú)操作,相當(dāng)靈活,每券砌完全合攏后就成一道獨(dú)立拼券,砌完一道供券,移動(dòng)承擔(dān)重量的“鷹架”,再砌另一道相鄰拱.這種砌法有很多優(yōu)點(diǎn),它既可以節(jié)省制作“鷹架”所用的木材,便于移動(dòng)；同時(shí)又利于橋的維修,一道拱券的石塊損壞了,只要嵌入新石,進(jìn)行局部修整就行了,而不必對(duì)整個(gè)橋進(jìn)行調(diào)整.

（3）在保持大橋穩(wěn)定性方面采取了許多嚴(yán)密措施.為了加強(qiáng)各道拱券間的橫向聯(lián)系,使28道拱組成一個(gè)有機(jī)整體,連接緊密牢固,李春采取了一系列技術(shù)措施.l）每一拱券采用了下寬上窄、略有“收分”的方法,使每個(gè)拱券向里傾斜,相互擠靠,增強(qiáng)其橫向聯(lián)系,以防止拱石向外傾倒；在橋的寬度上也采用了少量“收分”的辦法,就是從橋的兩端到橋頂逐漸收縮寬度,從最寬9．6米收縮到9米,以加強(qiáng)大橋的穩(wěn)定性.2）在主券上均勻沿橋?qū)挿较蛟O(shè)置了5個(gè)鐵拉桿,穿過28道拱券,每個(gè)拉桿的兩端有半圓形桿頭露在石外,以夾住28道拱券,增強(qiáng)其橫向聯(lián)系.在4個(gè)小拱上也各有一根鐵拉桿起同樣作用.3）在靠外側(cè)的幾道拱石上和兩端小拱上蓋有護(hù)拱石一層,以保護(hù)拱石；在護(hù)拱石的兩側(cè)設(shè)有勾石6塊,勾住主拱石使其連接牢固.4）為了使相鄰拱石緊緊貼合在一起,在兩側(cè)外券相鄰拱石之間都穿有起連接作用的“腰鐵”,各道券之間的相鄰石塊也都在拱背穿有“腰鐵”,把拱石連鎖起來.而且每塊拱石的側(cè)面都鑿有細(xì)密斜紋,以增大摩擦力,加強(qiáng)各券橫向聯(lián)系.這些措施的采取使整個(gè)大橋連成一個(gè)緊密整體,增強(qiáng)了整個(gè)大橋的穩(wěn)定性和可靠性.

（4）趙州橋的橋臺(tái)獨(dú)具特色.橋臺(tái)是整座大橋的基礎(chǔ),必須能承受大橋主拱圈（橋身主體）軸而向力分解而成的巨大水平推力和垂直壓力.趙州橋的橋臺(tái)具有下述特點(diǎn)：l）低拱腳：拱腳在河床下僅半米左右；2）淺橋基：橋基底面在拱腳下1．7米左右；3）短橋臺(tái)：由上至下,用逐漸略有加厚的石條砌成5米長、6．7米寬、9．6米高的橋臺(tái).這是一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又簡單實(shí)用的橋臺(tái).為了保障橋臺(tái)的可靠性,李春采取了許多相應(yīng)的固基措施.為了減少橋臺(tái)的垂直位移（即由大橋主體的垂直壓力造成的下沉）,李春采取了在橋臺(tái)邊打入許多木樁的措施,以此來加強(qiáng)橋臺(tái)的基礎(chǔ)；這種方法在今天的廠房、橋梁的建造上也經(jīng)常采用.為了減少橋臺(tái)的水平移動(dòng)（即由大橋主體的水平推力造成的橋臺(tái)后移）,李春采用了延伸橋臺(tái)后座的辦法,以抵消水平推力的作用.為了保護(hù)橋臺(tái)和橋基,李春還在沿河一側(cè)設(shè)置了一道金剛墻,一方面可以防止水流的沖蝕作用,另一方面金剛墻和橋基、橋臺(tái)連成一體,增加了橋臺(tái)的穩(wěn)定性.由以上措施保證了大橋具有堅(jiān)固的橋臺(tái),提高了大橋的堅(jiān)實(shí)程度.

趙州橋的敝肩圓弧拱形式是我國勞動(dòng)人民的一大創(chuàng)造,西方在14世紀(jì)才出現(xiàn)敝肩圓弧石拱橋,已經(jīng)比我國晚了600多年.英國著名中國科學(xué)技術(shù)史專家李約瑟博士在其巨著《中國科學(xué)技術(shù)史》中曾經(jīng)列舉了26項(xiàng)從1世紀(jì)到18世紀(jì)先后由我國傳到歐洲和其他地區(qū)的科學(xué)技術(shù)成果,其中的第18項(xiàng)就是弧形拱橋. 趙州橋建成后成為中國北南交通的要沖,有“坦途箭直千人過,驛使馳驅(qū)萬國通”的美譽(yù).舟船在橋下航行,人馬車輛從橋上駛過,大大方便了交通運(yùn)輸和人民生活,為**河兩岸人員來往提供了便利條件.

這座大橋自建成至今已有130O多年,這期間經(jīng)歷了8次以上地震的影響,8次以上戰(zhàn)爭的考驗(yàn)；承受了無數(shù)次人畜車輛的重壓,飽經(jīng)無數(shù)次風(fēng)刀霜?jiǎng)?、冰雪雨水的沖蝕,卻雄姿不減當(dāng)年,仍巍然屹立在**河上.

解放以后,趙州橋被列為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位,有關(guān)部門對(duì)這一古代大橋進(jìn)行了徹底維修,以保持其輝煌的歷史地位.趙州橋已成為中國人民聰明智慧的象征和進(jìn)行愛國主又、歷史主又教育的場所. 趙州橋的建成在我國橋梁史上具有重要影晌,它的大跨度、圓弧拱、敝肩形式力以后的橋梁建設(shè)開創(chuàng)了新的天地.隋代以后,出現(xiàn)了杵多與趙州析相類似的大型拱橋,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的就有十幾座,如山西崞縣的普濟(jì)橋、晉城的景德橋、河北趙縣的永通橋、濟(jì)美橋等.赳州橋已經(jīng)成為我國橋梁建設(shè)的典范.

然而象趙州橋這樣突出的技術(shù)成就和象李春這樣杰出的橋梁專家,在封建社會(huì)中并不為封建統(tǒng)治者所重視,甚至在史書中也沒有留下多少痕跡,我們除了知道隋朝工匠李春設(shè)計(jì)建造了這座舉世聞名的大橋外,其他卻一無所知,不能不說是一個(gè)很大的遺憾.但是即使如此我們?nèi)匀粓?jiān)信：李春作為一代橋梁專家和趙州橋作為一座歷史名橋?qū)⒂垒d祖國史冊(cè),為后人所牢記.

三、為何從古至今建造的橋梁，大部分都是使用拱形設(shè)計(jì)？

因?yàn)楣靶螛驌碛卸鄻觾?yōu)點(diǎn)，且經(jīng)過時(shí)間的考驗(yàn)，證明拱形設(shè)計(jì)的長處值得信任。以筆者對(duì)橋梁的認(rèn)知，拱形橋有四大有點(diǎn)，第一，緩沖能力強(qiáng)；第二，適應(yīng)范圍廣；第三，建造成本低；第四，發(fā)展前景高。

第一，緩沖能力強(qiáng)；對(duì)比平橋，拱橋的緩沖能力要強(qiáng)得多。眾所眾知，當(dāng)曲面面對(duì)沖擊力時(shí)，可以分散沖擊力，不至于讓沖擊力集中在一點(diǎn)，繼而減少?zèng)_擊力對(duì)曲面的損傷。拱橋通過其設(shè)計(jì)讓橋面呈現(xiàn)曲面狀，當(dāng)橋面受到?jīng)_擊以及承重之時(shí)，就可以將力道分散到拱圈以及橋基之上，避免發(fā)生因?yàn)闆_擊以及過載而導(dǎo)致橋面坍塌，造成傷亡。這樣的安全性，較之平橋要好的多。

第二，適應(yīng)范圍廣；拱橋的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)多變，能夠適應(yīng)不同的地理環(huán)境，例如拱橋就有板拱、肋拱、雙曲拱、箱形拱、桁架拱等等，多種多樣的設(shè)計(jì)方案。這就讓拱橋的適應(yīng)范圍，得到了極大的擴(kuò)張。甚至可以根據(jù)建橋之地的情況，可以對(duì)設(shè)計(jì)適當(dāng)予以調(diào)整。在需要防范洪水等災(zāi)害情況的地域，拱橋也能很好的適應(yīng)，拱橋孔洞可以分散水流減少?zèng)_擊，甚至可以直接設(shè)計(jì)成大跨度的單孔拱橋。

第三，建造成本低；拱橋歷經(jīng)長時(shí)間的考驗(yàn)，其設(shè)計(jì)基本都已成熟。而且在建造之時(shí)，所需要做的事便是打好地基，設(shè)計(jì)好拱形架構(gòu)即可。例如像是無鉸拱這類現(xiàn)代橋梁的結(jié)構(gòu)，主體是依托于橋基而建造，無需那么復(fù)雜的設(shè)計(jì)。所以在建造之時(shí)，拱橋的建造成本相對(duì)較低，而且建造方式也來的更簡單一點(diǎn)。

第四，發(fā)展前景高；古人積累而來的拱橋建造經(jīng)驗(yàn)，是一筆寶貴的財(cái)富。這些經(jīng)驗(yàn)加上現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，可以讓拱橋的應(yīng)用再次變得廣泛。中國古代拱橋雖然會(huì)被現(xiàn)代拱橋替代，但是它仍舊是拱橋。甚至隨著技術(shù)的進(jìn)步，原本的拱橋設(shè)計(jì)也會(huì)新的光芒，促進(jìn)更多新式拱橋的誕生。

四、拱形結(jié)構(gòu)有什么科學(xué)道理

一提到雞蛋，人們總有一種累卵之危的聯(lián)想，因?yàn)榈皻ず鼙?，拿著時(shí)唯恐落地被打破.孵化成熟的雛雞能很輕易地破殼而出.然而有一種情況，可能會(huì)讓你感到一個(gè)很普通的生蛋也不是脆弱的東西:把蛋殼放在兩手的掌心之間，用力擠壓它的兩端要用很大的力氣才能壓碎它，這是因?yàn)樗哂小肮靶谓Y(jié)構(gòu)”

另外，直徑約為10 cm的燈泡周圍所承受的空氣壓力有1 800 N左右，為什么也壓不碎呢?這也是因?yàn)樗哂?

我國最著名的古橋——趙州橋、宙城的城門洞等古今中外許多橋梁和建筑也都建造成“拱形結(jié)構(gòu)”.

“拱形結(jié)構(gòu)”為什么如此堅(jiān)固呢?趙州橋是世界上現(xiàn)存的最早的大型石拱橋.拱形克服了石頭不能承受拉力的缺點(diǎn)，使石頭成為許多大橋和建筑物的棟梁.趙州橋是由28條并列的石條組成的，每一條石頭都經(jīng)過嚴(yán)格的加工，使每條石頭之間能密切地配合成為一個(gè)整體.如果我們?cè)谑皹虻捻斏厦嫒∫恍ㄐ问瘔KA進(jìn)行分析，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，拱橋頂上面的物體的重力G壓在A上，對(duì)A施加向下的壓力.由于石塊是楔形的，所以不能向下移動(dòng)，只能以分力F1和F2擠壓在相鄰的B、C兩石塊上而被兩石塊B、C的阻力抵消而平衡.依次類推，B、C兩石塊又分別被擠在旁邊的兩石塊之間.因此，拱橋上面的重力是不會(huì)把橋壓塌的（如圖）.蛋殼實(shí)質(zhì)也相當(dāng)于“拱門”，不過它是整塊的，而不是由一塊一塊的（如石塊）東西拼疊成的，因此，蛋殼雖然很薄很脆，卻能承受外來的較大壓力.

人在奔跑、跳躍、騎車，甚至走路時(shí)，都要經(jīng)受各種各樣的振動(dòng)沖擊.計(jì)算表明，從高處跳下時(shí)，腿部受到的沖擊力，有時(shí)可以達(dá)到幾萬牛，但是人體并沒有因?yàn)檫@些沖擊發(fā)生損壞.這要?dú)w功于人體中奇妙的構(gòu)造:在人體中既有減振的彈簧又有結(jié)實(shí)的“拱橋”.

人體像一個(gè)建在兩個(gè)柱子上的大廈.上身的重力占人體的70％，這些重力都通過脊柱而加在兩條腿上.按建筑學(xué)的原理，兩條腿的中間應(yīng)該有一根很粗的“梁”才能承受住這么大的重力，這根“梁”必須十分結(jié)實(shí)，因?yàn)槿梭w在運(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的沖擊力，有時(shí)是體重的十幾倍、幾十倍，甚至達(dá)到幾萬牛.

但是，人體內(nèi)找不到一根結(jié)實(shí)、厚重的“梁”.連接人體上身和兩腿的是骨盆.骨盆很輕很薄，怎么能承受這么大的力量呢?原來骨盆實(shí)際上是一個(gè)“拱門”.拱的前下方通過恥骨拉緊，上身的重力通過脊柱末端的髂骨壓到兩個(gè)筋骨上，再傳到大腿骨上.恥骨的連接使這個(gè)拱更加穩(wěn)定，不受腿部運(yùn)動(dòng)的影響.這個(gè)拱不僅結(jié)實(shí)而且像彈簧一樣能減震.在人的兩只腳上有兩個(gè)拱橋，就是平時(shí)我們所說的足弓，它是由一連串的小骨頭組成的.它不僅能使人站立穩(wěn)固，保護(hù)著足底的神經(jīng)和血管免受壓迫，還能起防震作用

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