木拱廊橋橋體力學(xué)結(jié)構(gòu)分解模型研究

木拱廊橋橋體力學(xué)結(jié)構(gòu)分解模型研究

0關(guān)于本研究的文獻(xiàn)綜述福建省和浙江省的木拱走廊大橋主要集中在福建省的泰寧、平南、浙江省的泰順、大慶和景寧。據(jù)統(tǒng)計(jì)，福建省和浙江省共有107座木拱走廊橋梁，其中76座分布在福建省東北部的寧德、福州和南平，31座分布在浙江省西南部的溫州和秀水地區(qū)（表1）。根據(jù)結(jié)構(gòu)類型，福建省和浙江省走廊的結(jié)構(gòu)類型如下：棟式木拱走廊橋（疊轉(zhuǎn)拱橋）、腹式木拱走廊橋、米平橋、木平橋和石拱走廊。前四種類型是完全木橋。其中，價(jià)格格構(gòu)、結(jié)構(gòu)形式、藝術(shù)風(fēng)格和材料組合最為獨(dú)特，最美麗。城市化的發(fā)展促進(jìn)了城鄉(xiāng)交通環(huán)境的改善?，F(xiàn)代化的交通設(shè)施取代了這些傳統(tǒng)的木橋的交通功能，交通功能的削弱削弱了人們對(duì)傳統(tǒng)橋梁的理解。另一方面，由于破壞、水害等自然因素的影響，公眾對(duì)傳統(tǒng)橋梁的欣賞程度較低。另一方面，由于缺乏資金和傳統(tǒng)建設(shè)的成本，傳統(tǒng)建筑工匠和技術(shù)逐漸流失，保護(hù)原有傳統(tǒng)建筑遺產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)鐘已被廢棄。2011年5月28日，武夷山玉雞橋的災(zāi)難再次響起，保護(hù)后的木拱橋警鐘。有關(guān)木拱廊橋,許多學(xué)者從傳統(tǒng)木拱廊橋的形式、建構(gòu)技術(shù)、營造法及其文化藝術(shù)特點(diǎn)等方面做了大量研究.如:趙辰基于類型學(xué)對(duì)木拱廊橋的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行梳理,揭示了閩浙木拱廊橋橋體形成“三節(jié)苗”加“五節(jié)苗”的支撐體系的過程;張成、曹春平等研究了木拱廊橋的結(jié)構(gòu)形式和建造工藝問題.相關(guān)研究成果顯示,大多數(shù)研究尚停留于對(duì)木拱廊橋的形態(tài)、建構(gòu)方式和文態(tài)研究層面.如何解析傳統(tǒng)木拱廊橋的建構(gòu)方式、營建工藝以及用材等力學(xué)特性,確定科學(xué)合理的建構(gòu)力學(xué)模型,從材料性能、結(jié)構(gòu)體系和營建工藝技術(shù)等方面,為后續(xù)科學(xué)研究、評(píng)估和保護(hù)遺存?zhèn)鹘y(tǒng)木拱廊橋,提供基礎(chǔ)性研究成果.本研究基于閩浙木拱廊橋基本建構(gòu)特征,以典型單跨木拱廊橋空間模型為例,重點(diǎn)從廊橋構(gòu)成及其材料特性的組合運(yùn)用、結(jié)構(gòu)形式的受力特征、建立理想的力學(xué)模型等方面,解析閩浙木拱廊橋建構(gòu)技術(shù)及其結(jié)構(gòu)體系特性.1木拱廊橋結(jié)構(gòu)組成圖1為單跨典型木拱廊橋模型.根據(jù)閩浙木拱廊橋中的代表,以泰順的三條橋、仙居橋、薛宅橋等(圖2)為模板,取其最具代表性的基本結(jié)構(gòu)、材料構(gòu)造以及造型特征,通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)建模生成.木拱廊橋主要構(gòu)成為:廊屋、木拱橋橋體與橋臺(tái)基座三大部分(圖3).從圖3可知:廊屋包括屋面、廊屋木構(gòu)梁架和廊屋風(fēng)雨護(hù)板四部分;木拱橋橋體包括橋面板、木拱橋構(gòu)架和橋體風(fēng)雨護(hù)板三部分;橋臺(tái)基座主要為河岸兩側(cè)的山石巖體或者砌石.2福建和浙江走廊橋的結(jié)構(gòu)2.1木拱廊橋木構(gòu)結(jié)構(gòu)體系較西方傳統(tǒng)磚、石構(gòu)建筑的建造技藝而言,中國傳統(tǒng)營建技術(shù)更擅于使用木材.宋李誡的《營造法式》是對(duì)幾千年來中國營建技法,從制度上進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)定的營建法規(guī).在34卷的作法制度中,僅大木作和小木作制度就占8卷,其中卷四·大木作制度第一條就有:“凡構(gòu)屋之制,皆以材為祖,材有八等,度物之大小,因而用之……”的說法,對(duì)木材的材性以及用材的度量則法等均有極其嚴(yán)密的規(guī)定,更融合了前人精湛、嫻熟的工藝技法要求.從人類“臨水而居”的聚居起源說可以推斷,將傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的營建技藝應(yīng)用于木構(gòu)廊橋,基本上是同一時(shí)期的事情.為了跨越河流、山澗等大跨度空間,架設(shè)橋梁以便通行,古代匠人將較短的木材通過原態(tài)(圓木)的“疊、壓、貫、擠、拉、別”,形成木拱梁橋特有的聯(lián)排組合“拱”空間構(gòu)架體系.這種木拱廊橋的木構(gòu)桿件體系充分發(fā)揮木材自身良好的抗拉壓力學(xué)屬性,解決了“短材”跨越“大空間”的問題.從北宋《清明上河圖》中跨越汴河的“虹橋”,到現(xiàn)存、可考的木拱廊橋得以實(shí)證.圖4所示為木拱廊橋木拱橋橋體構(gòu)架體系.一般是通過9組(根據(jù)橋面寬度確定)的“三節(jié)苗系統(tǒng)”——平面“八字拱”和8組的“五節(jié)苗系統(tǒng)”——平面“五折拱”,通過相貫其間“大、小牛頭”的橫梁進(jìn)行“疊、壓、貫、擠、拉、別”,形成特有的跨越大空間的木拱橋形態(tài).在木拱橋橋體結(jié)構(gòu)體系中,單榀的“三、五節(jié)苗系統(tǒng)”在各自平面內(nèi)均能獨(dú)立承受下壓荷載,而只有將它們并聯(lián)成組,通過“大、小牛頭”的橫梁在各組“節(jié)苗系統(tǒng)”平面的折角點(diǎn)垂直方向上進(jìn)行強(qiáng)有力的拉結(jié),再通過“上、下剪刀苗”的橫向支撐,才使得這一木拱橋橋體構(gòu)架體系在三度空間上承受下壓和橫向荷載時(shí)達(dá)到穩(wěn)定而不破壞.即使單組中的“節(jié)苗系統(tǒng)”局部結(jié)構(gòu)受損,由于整體系統(tǒng)的“關(guān)聯(lián)作用”也不至于整體結(jié)構(gòu)的破壞.這一點(diǎn),傳統(tǒng)木拱橋結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能要大大地優(yōu)于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的梁架體系.2.2木拱橋墩橋體的支護(hù)根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理,可將圖4木拱橋橋體構(gòu)架體系的受力狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)模型簡化.圖5為木拱廊橋橋體的主要受力結(jié)構(gòu)體系,由“三節(jié)苗”系統(tǒng)桿件體系,“五節(jié)苗”系統(tǒng)桿件體系,作為桿件系統(tǒng)鉸支點(diǎn)的“大、小牛頭”以及兩端橋臺(tái)基座鉸支點(diǎn)共同構(gòu)成.從結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)看,主系統(tǒng)為“三節(jié)苗”木拱系統(tǒng),副系統(tǒng)為“五節(jié)苗”木拱系統(tǒng),兩套系統(tǒng)間由“大、小牛頭”的橫木(橫梁)相互貫夾、別壓形成整體木拱橋橋體體系.為了防止木拱橋橋體的兩套別壓組合的木拱桿件系統(tǒng)因洪水、風(fēng)等從下往上以及從側(cè)面來的沖擊力造成結(jié)構(gòu)狀態(tài)失穩(wěn)破壞,木拱橋橋體結(jié)構(gòu)體系需要向下重壓以穩(wěn)固拱橋橋體.為此,古代匠人巧妙地利用在兩套木拱桿件系統(tǒng)上架設(shè)“橋面苗”等縱橫梁架系統(tǒng)以支撐廊屋并將廊屋和橋面板荷載傳遞給下部的木拱橋橋體體系,同時(shí)支撐“大、小牛頭”的“上、下剪刀苗”(即剪刀撐)使得橋體側(cè)向得以穩(wěn)定.在力學(xué)上,可將這種利用廊屋的下壓重力獲得抵抗洪水、風(fēng)等外力發(fā)生時(shí)的預(yù)加壓力而達(dá)到整體穩(wěn)定的做法稱為“拱橋預(yù)壓力”.圖5(c)所示為橋面向下的均布荷載和集中荷載分別為橋面石板及廊屋荷載通過廊柱傳遞到橋面苗上的荷載示意.其中,古代匠人們考慮到木拱橋面木質(zhì)材料耐磨性、防水性及防火性較差,在橋面鋪設(shè)石材或磚材以保護(hù)木拱橋面.同時(shí),石(磚)橋面板自身的重量,對(duì)增強(qiáng)拱橋向下所需的重力的做法在感性上也是合理的.古代匠人當(dāng)時(shí)尚無法計(jì)量木拱廊橋究竟需要多大的重力來穩(wěn)定橋體,一般是以反復(fù)試錯(cuò)經(jīng)驗(yàn)定之.假設(shè)圖5中的“三節(jié)苗”與“五節(jié)苗”系統(tǒng)中的桿件相互支撐節(jié)點(diǎn)以及支撐兩套木拱系統(tǒng)的“大、小牛頭”為固定鉸接支座.“三節(jié)苗”、“五節(jié)苗”系統(tǒng)中的每根“斜苗”和“平苗”桿件都可視為簡支梁結(jié)構(gòu);這些桿件理論上只受到桿件段從“大、小牛頭”鉸支座傳來的垂直桿件(或兩桿件折角的平分角方向)的向上和向下方向的集中荷載(理想狀態(tài))(圖5(a)中的F8、F9、F10,圖5(b)中的F3、F4、F5),以及桿件兩端的軸向壓力.正是這些集中荷載和軸向壓力使得兩套相互“疊、壓、貫、擠、拉、別”的木拱桿件支撐系統(tǒng)得以整體穩(wěn)定.同時(shí),由這兩套木拱桿件支撐系統(tǒng)傳向兩側(cè)的巨大橫向推力的反作用力(圖5中(b)的F1和(a)的F7)和向下重力的反作用力(圖5中(b)的F2和(a)的F6),則分別來自于設(shè)在河道兩側(cè)穩(wěn)固的橋臺(tái)基座的支撐.基于上述木拱廊橋的力學(xué)模型分析,可以從桿件材料屬性、受力特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)形式,對(duì)傳統(tǒng)木拱廊橋的力學(xué)特性進(jìn)行更科學(xué)的計(jì)算與評(píng)估.這對(duì)合理保護(hù)歷史遺留的廊橋文化遺產(chǎn)十分有益.2.3木拱廊橋結(jié)構(gòu)營造技術(shù)研究提出的意義木拱廊橋的廊屋完全是中國傳統(tǒng)的亭、閣、廟、祠、居等木構(gòu)架建筑在廊橋中的直接應(yīng)用.閩浙木拱廊橋的木構(gòu)架多采用“四柱九檁抬梁式結(jié)構(gòu)”來支撐小青瓦覆蓋的屋面(屋頂)而獲得廊屋空間(圖6).廊屋擔(dān)負(fù)著保護(hù)木拱橋橋體構(gòu)架防止風(fēng)吹日曬和雨淋的作用.在閩浙多風(fēng)雨、夏季悶熱的自然氣候條件下,古代工匠們利用傳統(tǒng)木構(gòu)建筑營造技術(shù),催生出木拱廊橋獨(dú)特的廊屋造型:大挑檐、飛檐翹角、“魚鱗板”式的風(fēng)雨護(hù)板等建構(gòu)技法.廊屋的另一個(gè)重要作用,即是上節(jié)分析中提及的“拱橋預(yù)壓力”效應(yīng),其承擔(dān)著穩(wěn)定木拱橋橋體構(gòu)架體系所需的向下重力作用.在無數(shù)次試錯(cuò)經(jīng)驗(yàn)之后,古代匠人學(xué)會(huì)了采用適合橋體建構(gòu)的木料作為穩(wěn)固的支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng),并且利用便于維護(hù)、更換的小條木板做成的“風(fēng)雨護(hù)板”來保護(hù)木拱橋橋體和廊屋側(cè)面不受風(fēng)吹、日曬和雨淋的侵蝕,從而達(dá)到所有木拱廊橋用材的合理狀態(tài),所有這些措施都旨在延長木拱廊橋的使用壽命以及提高其安全性.古代工匠無法對(duì)木拱橋橋體上部的廊屋所需要的荷重進(jìn)行合理估算,現(xiàn)在,可依靠現(xiàn)代軟件模擬分析的技術(shù)手段,因此,基于本研究提出的木拱廊橋的力學(xué)模型,可對(duì)傳統(tǒng)木拱廊橋的構(gòu)件力學(xué)性能及用材進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估和維護(hù).3木拱廊橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)木拱廊橋的選址尤為重要.基于省材、穩(wěn)固、耐久和抗洪水等考慮,在跨越山川、河谷地段時(shí)盡可能選擇河面窄、水流緩慢的河段建橋.河岸兩側(cè)最好要有堅(jiān)固的巖體以為橋臺(tái)基座,若無條件則以壘砌毛石橋臺(tái)基座代之.除了對(duì)這些自然地理?xiàng)l件的考慮外,我國傳統(tǒng)村落的形成多由傳統(tǒng)堪輿選址而成,《管子》曰:“圣人之處國者,必于不傾之地,而擇地形之肥饒者.鄉(xiāng)山,左右經(jīng)水若澤”(《度地》).古代匠人營國,必先相土嘗水,所謂“仁者樂山,智者樂水”,依山為靠、傍水而居體現(xiàn)出的是人類的一種天性.城鎮(zhèn)與村落建在山川河谷之傍,必然帶來跨越山川河谷的交通問題.古代匠人對(duì)于木材及木結(jié)構(gòu)建筑的營造技術(shù),使得他們?cè)诓粩鄧L試以“短材”跨越“大空間”的試錯(cuò)建構(gòu)經(jīng)驗(yàn)中,找到了許多以石、木材料建構(gòu)橋梁的方法,而木拱廊橋的獨(dú)特結(jié)構(gòu)形式和營造方法應(yīng)該說是其中最為成功的一式.通過高聳的木構(gòu)拱橋跨越河面,其木拱橋基落在兩側(cè)的石基座上,如若河面較寬,而以單跨“三、五節(jié)苗”的貫?zāi)竟皹?gòu)架體系無法跨越時(shí),則可在河中壘砌石橋臺(tái),通過橋臺(tái)兩側(cè)木拱對(duì)撐,平衡巨大的橫向推力,此例甚多不再贅述.此外,高聳的木拱橋形再加上其兩側(cè)架設(shè)在河岸高起河面的石橋臺(tái)基座,使得木拱廊橋的橋面高高拱起與兩岸路面形成較大的高差,為了解決這個(gè)問題,古代匠人通常會(huì)根據(jù)木拱廊橋兩側(cè)的地勢(shì)與路面情況,采用石臺(tái)階、坡道或平臺(tái)作為過渡,解決拱橋橋面高起路面的問題,不過這無疑會(huì)影響到車馬順暢通行.在結(jié)合河谷兩岸道路路面、橋臺(tái)基石的地形環(huán)境方面,古代匠人們會(huì)將木拱廊橋兩側(cè)拱翼采用不對(duì)稱橋形的做法來適應(yīng)