木拱廊桥桥体力学结构分解模型研究

木拱廊桥桥体力学结构分解模型研究

0关于本研究的文献综述福建省和浙江省的木拱走廊大桥主要集中在福建省的泰宁、平南、浙江省的泰顺、大庆和景宁。据统计，福建省和浙江省共有107座木拱走廊桥梁，其中76座分布在福建省东北部的宁德、福州和南平，31座分布在浙江省西南部的温州和秀水地区（表1）。根据结构类型，福建省和浙江省走廊的结构类型如下：栋式木拱走廊桥（叠转拱桥）、腹式木拱走廊桥、米平桥、木平桥和石拱走廊。前四种类型是完全木桥。其中，价格格构、结构形式、艺术风格和材料组合最为独特，最美丽。城市化的发展促进了城乡交通环境的改善。现代化的交通设施取代了这些传统的木桥的交通功能，交通功能的削弱削弱了人们对传统桥梁的理解。另一方面，由于破坏、水害等自然因素的影响，公众对传统桥梁的欣赏程度较低。另一方面，由于缺乏资金和传统建设的成本，传统建筑工匠和技术逐渐流失，保护原有传统建筑遗产的风险时钟已被废弃。2011年5月28日，武夷山玉鸡桥的灾难再次响起，保护后的木拱桥警钟。有关木拱廊桥,许多学者从传统木拱廊桥的形式、建构技术、营造法及其文化艺术特点等方面做了大量研究.如:赵辰基于类型学对木拱廊桥的发展脉络进行梳理,揭示了闽浙木拱廊桥桥体形成“三节苗”加“五节苗”的支撑体系的过程;张成、曹春平等研究了木拱廊桥的结构形式和建造工艺问题.相关研究成果显示,大多数研究尚停留于对木拱廊桥的形态、建构方式和文态研究层面.如何解析传统木拱廊桥的建构方式、营建工艺以及用材等力学特性,确定科学合理的建构力学模型,从材料性能、结构体系和营建工艺技术等方面,为后续科学研究、评估和保护遗存传统木拱廊桥,提供基础性研究成果.本研究基于闽浙木拱廊桥基本建构特征,以典型单跨木拱廊桥空间模型为例,重点从廊桥构成及其材料特性的组合运用、结构形式的受力特征、建立理想的力学模型等方面,解析闽浙木拱廊桥建构技术及其结构体系特性.1木拱廊桥结构组成图1为单跨典型木拱廊桥模型.根据闽浙木拱廊桥中的代表,以泰顺的三条桥、仙居桥、薛宅桥等(图2)为模板,取其最具代表性的基本结构、材料构造以及造型特征,通过计算机辅助设计技术建模生成.木拱廊桥主要构成为:廊屋、木拱桥桥体与桥台基座三大部分(图3).从图3可知:廊屋包括屋面、廊屋木构梁架和廊屋风雨护板四部分;木拱桥桥体包括桥面板、木拱桥构架和桥体风雨护板三部分;桥台基座主要为河岸两侧的山石岩体或者砌石.2福建和浙江走廊桥的结构2.1木拱廊桥木构结构体系较西方传统砖、石构建筑的建造技艺而言,中国传统营建技术更擅于使用木材.宋李诫的《营造法式》是对几千年来中国营建技法,从制度上进行系统规定的营建法规.在34卷的作法制度中,仅大木作和小木作制度就占8卷,其中卷四·大木作制度第一条就有:“凡构屋之制,皆以材为祖,材有八等,度物之大小,因而用之……”的说法,对木材的材性以及用材的度量则法等均有极其严密的规定,更融合了前人精湛、娴熟的工艺技法要求.从人类“临水而居”的聚居起源说可以推断,将传统木构建筑的营建技艺应用于木构廊桥,基本上是同一时期的事情.为了跨越河流、山涧等大跨度空间,架设桥梁以便通行,古代匠人将较短的木材通过原态(圆木)的“叠、压、贯、挤、拉、别”,形成木拱梁桥特有的联排组合“拱”空间构架体系.这种木拱廊桥的木构杆件体系充分发挥木材自身良好的抗拉压力学属性,解决了“短材”跨越“大空间”的问题.从北宋《清明上河图》中跨越汴河的“虹桥”,到现存、可考的木拱廊桥得以实证.图4所示为木拱廊桥木拱桥桥体构架体系.一般是通过9组(根据桥面宽度确定)的“三节苗系统”——平面“八字拱”和8组的“五节苗系统”——平面“五折拱”,通过相贯其间“大、小牛头”的横梁进行“叠、压、贯、挤、拉、别”,形成特有的跨越大空间的木拱桥形态.在木拱桥桥体结构体系中,单榀的“三、五节苗系统”在各自平面内均能独立承受下压荷载,而只有将它们并联成组,通过“大、小牛头”的横梁在各组“节苗系统”平面的折角点垂直方向上进行强有力的拉结,再通过“上、下剪刀苗”的横向支撑,才使得这一木拱桥桥体构架体系在三度空间上承受下压和横向荷载时达到稳定而不破坏.即使单组中的“节苗系统”局部结构受损,由于整体系统的“关联作用”也不至于整体结构的破坏.这一点,传统木拱桥结构体系的力学性能要大大地优于传统木结构建筑的梁架体系.2.2木拱桥墩桥体的支护根据结构力学原理,可将图4木拱桥桥体构架体系的受力状态进行力学模型简化.图5为木拱廊桥桥体的主要受力结构体系,由“三节苗”系统杆件体系,“五节苗”系统杆件体系,作为杆件系统铰支点的“大、小牛头”以及两端桥台基座铰支点共同构成.从结构体系的受力特点看,主系统为“三节苗”木拱系统,副系统为“五节苗”木拱系统,两套系统间由“大、小牛头”的横木(横梁)相互贯夹、别压形成整体木拱桥桥体体系.为了防止木拱桥桥体的两套别压组合的木拱杆件系统因洪水、风等从下往上以及从侧面来的冲击力造成结构状态失稳破坏,木拱桥桥体结构体系需要向下重压以稳固拱桥桥体.为此,古代匠人巧妙地利用在两套木拱杆件系统上架设“桥面苗”等纵横梁架系统以支撑廊屋并将廊屋和桥面板荷载传递给下部的木拱桥桥体体系,同时支撑“大、小牛头”的“上、下剪刀苗”(即剪刀撑)使得桥体侧向得以稳定.在力学上,可将这种利用廊屋的下压重力获得抵抗洪水、风等外力发生时的预加压力而达到整体稳定的做法称为“拱桥预压力”.图5(c)所示为桥面向下的均布荷载和集中荷载分别为桥面石板及廊屋荷载通过廊柱传递到桥面苗上的荷载示意.其中,古代匠人们考虑到木拱桥面木质材料耐磨性、防水性及防火性较差,在桥面铺设石材或砖材以保护木拱桥面.同时,石(砖)桥面板自身的重量,对增强拱桥向下所需的重力的做法在感性上也是合理的.古代匠人当时尚无法计量木拱廊桥究竟需要多大的重力来稳定桥体,一般是以反复试错经验定之.假设图5中的“三节苗”与“五节苗”系统中的杆件相互支撑节点以及支撑两套木拱系统的“大、小牛头”为固定铰接支座.“三节苗”、“五节苗”系统中的每根“斜苗”和“平苗”杆件都可视为简支梁结构;这些杆件理论上只受到杆件段从“大、小牛头”铰支座传来的垂直杆件(或两杆件折角的平分角方向)的向上和向下方向的集中荷载(理想状态)(图5(a)中的F8、F9、F10,图5(b)中的F3、F4、F5),以及杆件两端的轴向压力.正是这些集中荷载和轴向压力使得两套相互“叠、压、贯、挤、拉、别”的木拱杆件支撑系统得以整体稳定.同时,由这两套木拱杆件支撑系统传向两侧的巨大横向推力的反作用力(图5中(b)的F1和(a)的F7)和向下重力的反作用力(图5中(b)的F2和(a)的F6),则分别来自于设在河道两侧稳固的桥台基座的支撑.基于上述木拱廊桥的力学模型分析,可以从杆件材料属性、受力特点以及结构形式,对传统木拱廊桥的力学特性进行更科学的计算与评估.这对合理保护历史遗留的廊桥文化遗产十分有益.2.3木拱廊桥结构营造技术研究提出的意义木拱廊桥的廊屋完全是中国传统的亭、阁、庙、祠、居等木构架建筑在廊桥中的直接应用.闽浙木拱廊桥的木构架多采用“四柱九檩抬梁式结构”来支撑小青瓦覆盖的屋面(屋顶)而获得廊屋空间(图6).廊屋担负着保护木拱桥桥体构架防止风吹日晒和雨淋的作用.在闽浙多风雨、夏季闷热的自然气候条件下,古代工匠们利用传统木构建筑营造技术,催生出木拱廊桥独特的廊屋造型:大挑檐、飞檐翘角、“鱼鳞板”式的风雨护板等建构技法.廊屋的另一个重要作用,即是上节分析中提及的“拱桥预压力”效应,其承担着稳定木拱桥桥体构架体系所需的向下重力作用.在无数次试错经验之后,古代匠人学会了采用适合桥体建构的木料作为稳固的支撑结构系统,并且利用便于维护、更换的小条木板做成的“风雨护板”来保护木拱桥桥体和廊屋侧面不受风吹、日晒和雨淋的侵蚀,从而达到所有木拱廊桥用材的合理状态,所有这些措施都旨在延长木拱廊桥的使用寿命以及提高其安全性.古代工匠无法对木拱桥桥体上部的廊屋所需要的荷重进行合理估算,现在,可依靠现代软件模拟分析的技术手段,因此,基于本研究提出的木拱廊桥的力学模型,可对传统木拱廊桥的构件力学性能及用材进行科学的评估和维护.3木拱廊桥结构设计木拱廊桥的选址尤为重要.基于省材、稳固、耐久和抗洪水等考虑,在跨越山川、河谷地段时尽可能选择河面窄、水流缓慢的河段建桥.河岸两侧最好要有坚固的岩体以为桥台基座,若无条件则以垒砌毛石桥台基座代之.除了对这些自然地理条件的考虑外,我国传统村落的形成多由传统堪舆选址而成,《管子》曰:“圣人之处国者,必于不倾之地,而择地形之肥饶者.乡山,左右经水若泽”(《度地》).古代匠人营国,必先相土尝水,所谓“仁者乐山,智者乐水”,依山为靠、傍水而居体现出的是人类的一种天性.城镇与村落建在山川河谷之傍,必然带来跨越山川河谷的交通问题.古代匠人对于木材及木结构建筑的营造技术,使得他们在不断尝试以“短材”跨越“大空间”的试错建构经验中,找到了许多以石、木材料建构桥梁的方法,而木拱廊桥的独特结构形式和营造方法应该说是其中最为成功的一式.通过高耸的木构拱桥跨越河面,其木拱桥基落在两侧的石基座上,如若河面较宽,而以单跨“三、五节苗”的贯木拱构架体系无法跨越时,则可在河中垒砌石桥台,通过桥台两侧木拱对撑,平衡巨大的横向推力,此例甚多不再赘述.此外,高耸的木拱桥形再加上其两侧架设在河岸高起河面的石桥台基座,使得木拱廊桥的桥面高高拱起与两岸路面形成较大的高差,为了解决这个问题,古代匠人通常会根据木拱廊桥两侧的地势与路面情况,采用石台阶、坡道或平台作为过渡,解决拱桥桥面高起路面的问题,不过这无疑会影响到车马顺畅通行.在结合河谷两岸道路路面、桥台基石的地形环境方面,古代匠人们会将木拱廊桥两侧拱翼采用不对称桥形的做法来适应