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      千年古橋的抗震秘籍
      2021-08-12 來源:四川省地震局 

        趙州橋坐落于河北省趙縣城南洨河之上,距今已有1400余年的歷史了,該橋全長64.4米,主拱由28道拱券縱向并列砌筑,橋身造型拱上加拱,玲瓏秀麗,氣勢恢弘。然而,趙州橋除了結構新奇、造型美觀之外,在抵御自然災害方面還有獨特的神奇之處。

        氣勢恢宏的趙州橋

        據史料記載,趙州橋自建成起共經歷了10次水災、8次戰亂和多次地震,在大大小小的地震中,對其產生直接影響的有6次之多。尤其是1966年3月22日發生在河北寧晉的7.2級地震,震中距離趙州橋僅不足40千米,地震影響烈度達到7度,而趙州橋安然無恙。

        趙州橋之所以有牢固的抗震能力,最主要的原因是:一選址得當;二地基穩定;三設計合理。下面我們就從這三個角度出發,一一解析趙州橋千年不墜的抗震秘籍。

        選址得當,沒有建在縱橫交錯的活動斷層上

        相關研究表明,趙州橋周圍幾十千米范圍內,地下存在多條大小不等、走向不一的斷層,而趙州橋恰恰落在多條斷層縫隙之中,明顯避開了那些縱橫交錯的斷層。

        

        趙州橋周邊斷層分布

        以往的震例表明,在活斷層通過的位置,建筑物的破壞往往比其它建筑物要大很多,這不僅是因為沿著斷層,地震的能量傳播更“暢通”一些,更重要的是,斷層運動直接造成地表發生變形,使得坐落在斷層之上的建筑物一同發生基礎變形、失穩,從而發生更大的破壞、倒塌。而趙州橋避開了活動斷層,也就有效減輕了地震造成的傷害。

        基礎穩定,地基土以密實粉質粘土為主

        現代科學認為,橋梁受到地震損害的直接起因之一是:地震時河床砂土液化,地基失效,橋梁墩臺基礎大量下沉或不均勻下沉。

        而趙州橋的橋址區域地形平坦,地貌單一,地層分布穩定,地基土主要以密實的粉質粘土為主,中間有粉土和砂土夾層,是比較理想的修建這種特大跨度單孔橋梁的場所。根據化驗分析,這種土層基本承載力為34噸/平方米,并且粘土層壓縮性小,地震時不會產生砂土液化,屬良好天然地基。數據表明,趙州橋地基的承載力約3700噸,趙州橋的重量約2800噸,所以建在這樣地基上的趙州橋盡管經歷了1400年的風風雨雨,地基下沉非常少。

        設計合理,首次應用敞肩圓弧拱式橋型

        趙州橋良好的抗震性還有一個重要原因就是敞肩圓弧拱式橋型的發明與應用,橋梁的主拱和橋面之間的三角地帶被稱作是橋肩,所謂敞肩就是把橋肩挖空,在中央主拱兩側的橋肩上分別挖開了兩兩對稱的四個小拱,做成“空撞券”。

        

        “空撞券”示意圖

        “空撞券”的建筑形式敞開了肩部,節省了石料,更重要的是減輕了橋身自重,分散了橋身對橋臺地基的垂直壓力,消除了拱軸線截面上的拉應力,使趙州橋更加穩固耐用。

        此外,建筑者還在敞肩的四個小拱拱石外圍,鋪設了一層16到30厘米的護拱石,這使拱券各個橫載面上能均衡受壓,通俗講就是運用材料力學的彈性拱原理造橋,可以將受力點的力分散到橋的每一個橫截面上。

        

        小拱上方有護拱石

        不僅如此,趙州橋的建造方法也很獨特,站在橋的主拱下抬頭往上看,可以發現,順著橋的縱向延伸方向是一道又一道的拱券,就像人的手指并在一起,這叫作縱向并列砌筑法。

        

        豎向拱券

        趙州橋的主拱和4個小拱都是由28道獨立拱券縱向并列砌成,從古至今,人們大都采用橫向并列法建造橋拱,但是縱向造拱可以化整為零,節省人力、物力,并且由于每道拱券獨立,所以假如有一道拱券發生損壞時,對其它拱券和整體橋身沒有直接影響,便于單獨對它進行維修。

        但縱向并列砌拱,由于各拱之間缺乏橫向聯系,也最容易傾倒。為了加強石料之間的橫向聯系,建造者們還創造性地采用鐵拉桿橫穿在大橋拱背里。鐵拉桿是幾段鐵桿勾掛連接而成的,一共9根,主拱背上有5根,4個小拱背上各一根,用來緊固整個橋體拱券。

        

        鐵拉桿示意圖

        千年不墜的趙州橋凝聚著老一輩科學家的心血和智慧,“月魄半輪沉水底,虹腰千丈駕云間”,這座古橋在時光流逝中顯露出愈加堅韌的魅力。

        參考文獻:

        1.梁思成,《趙縣大石橋即安濟橋》,中國建筑工業出版社,1982;

        2.江成,呂吉應,許志強,趙州橋抗震性能的初步研究[J];

        3.河北省趙縣文物旅游局,趙州橋志[M],人民交通出版社;



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