拱桥桥梁结构

一、伸臂梁桥

木桥中的大跨型式之一是伸臂梁桥。

伸臂梁桥是层层架设平行木杆，一端用砂石镇压固定在岸上，另一端逐层挑出，自两岸俱来形成两臂。其中不接合处架以并行木简支梁。木伸臂梁桥在很多国家的山区都存在。我们无法确定此类桥始建的时间。在中国，公元308 ~313年曾有在甘肃省跨黄河建造过50米桥跨的木伸臂梁的记录。之后，由山区推广到平原，采用平衡伸臂法建造跨较大河流的多孔木伸臂梁桥（图l-2）。

图1-2 木伸臂梁桥（左） a锚着木伸臂梁桥b平衡木伸臂梁桥图

图1-3 撑架桥（右） a A八字撑架桥b八字撑架桥

印度、巴基斯坦、日本和有些南美洲国家都亦有木伸臂梁桥。中国的很多木伸臂梁桥上盖有美丽的桥屋，现仍能完好地为行人服务。木桥寿命不可能太长，所有这些桥一般建于18-19世纪，之后经过多次维修或重建，不少都成为了文物保护对象。

二、撑架桥

另一类木桥为斜撑桥或撑架桥。斜撑可以帮助简支木梁增大约3 倍跨径。有两种基本型式的斜撑。图1-3a是“A”字撑架，图1 一3b在中国称作八字撑架（像中国汉字“八”）。这两种撑架桥在亚洲、欧洲、美洲等地亦都能找到。撑架桥结构是木拱和木桁架之源。

三、特拉杨桥（罗马）

罗马时代早期固定式桥梁中有不少木结构。罗马编年史中最早记载传说中的罗马跨蒂贝尔河的塞勃里休斯桥为石墩木桥，约建于公元前621 年。公元前62 年，当罗马人抵抗伊特拉斯坎人入侵时遭破坏。

罗马帝国在特拉杨大帝时势力最强盛。在今罗马特拉杨石柱所刻图画中，雕刻记载了其征服达西亚（约今匈牙利）时，罗马军团艰难地以浮桥和栈桥过多瑙河的情形。

罗马木拱桥第一次建于罗马尼亚近奥索瓦处跨多瑙河，称为特拉杨桥。桥是五孔木拱，每孔跨径约35 米，为达那斯柯斯的阿波罗陶洛斯于公元105年所建（图l— 4）。桥结构亦见于罗马特拉杨柱的浮雕。从图中可看出，罗马木拱是在垂直面内三层斜撑以放射形木相联。该放射形木亦作为桥面的支承。在图上可以看到桥面及其两旁的栏杆。石墩顶上有木栈架作为木拱拱脚。因此，也可称为斜撑拱或撑架拱。

石墩撑架拱据说曾普遍地建于罗马帝国殖民地。公元l世纪美因兹的莱茵河桥和4世纪的科隆莱茵河桥是此类设计的重要实例。图l— 5 为康斯坦丁大帝修建的德国科隆跨莱茵河桥及其模型，展现出当年高超的工程水平。桥正式通车于公元310 年，通车时有城市的庆典节日。此式和特拉杨拱的区别在于有更多的斜撑加固，一似桁架的作用。

中世纪欧洲木拱桥达到其巅峰。木工技术成熟，建造了大量用桥面加固的撑架桥，或组合的木拱桥，桥跨达60 米。图1— 6 为瑞士吕城的司拔洛亦木桥。桥始建于1408 年，于1566 年遭洪水毁坏，1568 年重建。桥为多孔木撑架拱，上盖装饰的桥屋，桥屋柱夹于两片撑架拱之间。在桥屋中有1626~ 1636年卡斯伯·昌格林格所绘《图腾—坦兹》图。

图1一4 罗马特拉杨木拱桥

图1-5 德国科隆跨莱茵河桥及其模型

图1-6 瑞士吕城的司拔洛亦木桥（1408）

五、格鲁班门拱（瑞士）

瑞士阿盼齐· 肯通· 多芬的格鲁班门木工家族，在18世纪为木桥结构的发展贡献出了很大的力量。他们建造的靠近台汀根的跨利马特河桥跨径有61米。

H . U ．格鲁班门（1707 一1771年）于1755 年为下夫豪申设计了一座跨径约119米的木桥。桥在当时被认为太冒险，因为当年已知最大跨径只约50 米。于是格鲁班门把桥梁设想改为54 + 59 米。同年，其弟J . U ．格鲁班门（1707—1793 年）在格立松·莱兴诺跨莱茵河建了一座跨度90米的木桥。

格鲁班门拱的基本构造是有桥屋的多层以从桥端到桥中一系列放射形，或放射形加分叉的斜撑所加固的组合木梁（图l-8）。每一组成单元像倒过来的现代斜拉桥。桥有两到三层。两层桥，上层为支承屋顶下的梁，下层为支承桥面梁。至于三层者，最上斜撑支撑屋脊。其辅助支撑可为直或斜柱，用以支承屋顶、整个系统的组合传力，也作为长斜撑的加劲之用。

图1-8 格鲁班门拱系统（瑞士）

1755年，格鲁班门兄弟被委托于下夫豪申建造一座桥，规定是老桥留下来的中间墩头须用于新桥作为中间支座。1758 年所做的此桥5米长的模型现仍在该市博物馆中（图l-9）。我们可以看到下弦的各支承斜撑，连续弯起到上弦，并通过中门墩到对岸墩。

图1-9格鲁班门双孔拱模型

人们说， J . U ．格鲁班门意图使上部结构不要中间墩一跨跨过。他的同时代人曾记下，当最后已观察和接受了双孔桥后，他用手把支承在中间墩上的木梁

敲去，以证明此桥不用中间墩亦可跨过莱茵河。桥模型结构已经可以决定此点，毫不奇怪，所有的力将从桥面传到弯曲的斜撑和（此词被过滤）杆件协作的桁架中去。

第一座用格鲁班门系统建造、超过 100 米跨径的是由 J ．贾盖建于波兰的格立西亚桥（图 1—10 ）。报告写于 1809 年桥正在建造的时候，桥跨102 . 3 米。桥存在了多少年，或究竟建成与否都不清楚。

瑞士的立得和格鲁班门家族、德国的魏伯京、法国的格西赛都在木桥领域里十分活跃。

图1-10 格立西亚桥（格鲁班门系统，桥跨 102.3 米。波兰， 1809 年）

六、华尔通拱（英国)

由汉斯、威脱福所写的 《桥梁建筑》 一书（1984年）中说：" 17 世纪中，英国发展了一种桥式，其上部结构的斜撑安排清晰并有严格的几何次序。其中的一座见于《 老华尔通桥》画中。”（图 1-11 ，图 l-12 ）。

图1-11老华尔通桥画

图1-12 老华尔通桥草图

此桥中，斜撑被安排为从三个圆或椭圆拱的放射和切线方向，斜撑上端终止于栏杆扶手。桥的结构并不简单，仍觉混乱。

现在英国也找不到类似的桥，画必定是有实在的桥作依据，不是想像，不是无根之木。可能是由柏拉第奥系统中图 1- 7a 式一孔发展为三孔。

18 世纪起，法国工程学院发展和教授数学计算方法。因为算法原始，所以结构系统越简单越好。华尔通桥被认为不符合这一目的。

七、层板木拱

所有上述诸木拱形式都是以自然直、圆树干或用斧、锯、刨制成长方形断面构成。大木难以柔曲，只有用木板弯曲，才能组成层的木拱。

瑞士吕城司拔洛亦桥附近另有一座 17 世纪的木桥。这是一座部分用斜撑加强的有桥屋的层板木拱桥（图 l-13 ）。

亚洲也有个别层板木拱桥，如日本锦水锦带桥（图 1-14 ）。桥建于1673 年，据说是模仿当年中国杭州西湖上的木桥，并由中国戴曼公禅师帮助建造。桥全长 225 米，宽 5.4 米，1950年遭洪水毁坏后，忠实地重建于公园之中。

锦带桥的构造如图 l-15 ，全桥有五组拱肋，每组用短木自拱脚挑出后，层层垂直联结，并以直和斜杆加强。五拱肋之间联以剪刀撑。

图1-13 瑞士吕城层板木拱桥

图1-14 锦带桥（日本，1673年）

图1-15 锦带桥的构造

八、拱、桁架（美国）

19 世纪修建第一条横跨美洲大陆铁路时，木桥得到新的发展。除了木栈桥之外，需要选择简单的桥式系统。熟练的木工们参与这一工作，引导出悬挂桥面的组合拱和桁架结构。

桥式要简单的理由之一是容易计算，第二是缺乏木工。所有当年美洲殖民地桥梁都要不熟练的木工来架设，所以要“保证笨人都能做”。什么是当年的“新结构”？就是那些标准化和能预拼的构造。

木拱、桁桥型是从古老的木桥中推演出来的。不管桥有桥屋与否，桥梁结构是由中间部分夹以两片撑架拱或层板拱，中间部分乃不同类型的木析架（图 1-16 ）。第一阶段，所有杆体皆用木。应力分析发展之后，以铁或钢杆受拉，木杆受压，外夹两片多半用成层木拱（图 l -17 ）。

图1-16 不同类型拱、桁

图1-17 典型的美国拱、桁

虽然木桁架和木拱可以独立形成，可是当初似乎认为必须共同作用。最后木桁架还是从组合结构中独立出来，打一个不恰当的比喻，正如美国从英国独立出来一样。19 世纪的美国发明了很多型式的桁架都以其发明者命名。

斜撑系统在垂直荷载作用下，将对桥墩台产生和拱一样的水平推力，所以木拱由斜撑系统演绎出来也不足为奇。

桥梁结构由简到繁又逐渐由繁到简，现在又由简到繁。由于条件变似非常大，我们从缺乏结构分析和计算的手段开始，到掌握了大能量的计算机和其 他工具，原来极为复杂的问题如今正在变得容易。

木料仍是一种非常好的建筑材料，但是为了保护自然环境，它将被并且已经被很多更好的具有特性的人工材料所代替。

在西方木拱桥史中，从罗马时代到 18 世纪间有一段空档，可以由中国木拱桥的发展来填充。中国科学技术的发明成就，也是世界进步的主流之一，是人类社 会的共同财富。