王同济

摘 要：自古以来桥梁就在我国的交通方式中占据着重要地位。我国桥梁的历史悠久，种类丰富。但据了解我国主要的桥梁结构都存在自重大，施工复杂的问题。因此若是能有一种自重轻，施工便捷的桥梁形式，对我国的桥梁建设工作是很有利的。本论文通过对汴水虹桥和闽浙木拱桥进行结构分析，并根据笔者对两种结构的理解提出将两者优点集于一身的虹桥式木拱桥结构。并利用SAP2000软件分别对三种模型进行模拟分析，根据分析结果总结新模型的优点，并制造简单的实物模型对其进行加载实验以验证其优点。

关键词：汴水虹桥闽浙木拱；SAP2000虹桥式木拱桥

1 汴水虹桥

汴水虹桥可以说是我国虹桥结构中的典范，虽然因时间的流逝其实体建筑早已不存于世，但其主要经由北宋张择端的名画《清明上河图》为世人所知。

在文献资料《渑水燕谈录》和《东京梦华录》中都对汴水虹桥有所描述，主要凸显了虹桥的两大特点：

1）结构上的“虚架无柱”；

2）形态上的“宛如长虹”。

无柱的结构可以保证船只的畅通无阻，宛如长虹的形态则保证了桥梁具有很好的跨度。

1.1 汴水虹桥的结构模型

著名的桥梁工程师唐寰澄先生在《湮灭了九百多年》一文中对汴水虹桥进行研究，并制作了简单的虹桥模型。

唐先生的模型主要告诉我们虹桥的主拱由纵骨和横梁组成。可以简化成图1的二维结构简图，能够更为直白的看出虹桥的主拱结构组成。

从结构简图中可以看出汴水虹桥的主拱结构由两个纵骨系统和横梁组成；第一系统由三节等长的木杆件组成，也称三节苗。第二系统由四节木杆件组成也称四节苗。横梁的作用是与两个纵骨系统进行搭接形成整体的主拱结构。

由图1从左到右第一根横梁是将四节苗的长、短斜苗与三节苗的斜苗进行搭接固定。

第二根横梁是将三节苗的斜苗、平苗与四节苗的长斜苗进行搭接固定。

第三根横梁是将四节苗的两根长斜苗与三节苗的平苗搭接固定。

第四、五根横梁与第一、二根作用相同。

汴水虹桥就是由11组四节苗和10组三节苗相互穿插，并与五根横梁相贯连形成拱架。横梁上承纵骨，纵骨上铺木板为桥面[ 1 ]。

1.2 虹桥的受力解析

由图1可知两个纵骨系统通过横梁的搭接形成整体。因此搭接处可看为是节点。

桥面板上的荷载传至主拱系统时，第一系统在二、四节点处（对应图1第二、四根横梁）将荷载传递给第二系统，第二系统则在其余节点处将荷载传递给第一系统；两纵骨系统分别通过横梁互相传递荷载，共同承担着来自桥面板的荷载，并最终将荷载传到基础底面[ 2 ]。

虹桥的两系统与横梁交叉搭接而形成的拱形主体结构在互相制约的同时又共同传力的特点很好的保证了桥梁具有出色的受力性能。

2 闽浙木拱桥

闽浙木拱桥是由拱形桥体和桥上的廊屋组成，木拱桥整体体现出桥上承廊屋，廊屋保护桥体的建设理念，桥上有廊，廊下为桥，桥与廊的结合再配上周围景物的映照，很好的传承了我国园林建筑道法自然的优良基因，可以说是我国古代桥梁建设上的又一智慧的结晶。

2.1 木拱桥的结构分析

由图2的分解示意图可以看出，木拱桥的主拱结构与虹桥的主拱结构基本相似，也是由两个纵骨系统和横梁（称之为牛头）交叉搭接而成，形成拱形的主体结构。第一系统为三节苗体系，第二系统为五节苗体系。

与虹桥不同的是，木拱桥的三节苗体系由两根大牛头将斜苗和平苗搭接为一整体结构；五节苗体系是由四根小牛头将斜苗和平苗搭接为整体结构。

两系统相互穿插，形成主拱系统。剪刀苗、马腿和将军柱的架设保证了桥体不会发生侧移同时也加强了桥体的结构。

2.2 木拱桥的受力解析

木拱桥的荷载来源主要是桥上廊屋的自重与桥面上车马行人的荷载。荷载经由桥面苗传至主拱结构。

和虹桥的受力相类似，相互穿插的两拱骨系统间荷载的作用也是相互传递的，荷载最终传到基础，并由基础的反作用力使桥体达到受力平衡。

剪刀苗和马腿的作用是来分担杆件的轴向力，通过将它们抵架在将军柱上达到保持桥体的轴向稳定。

3 虹桥式木拱桥结构

经过对汴水虹桥和闽浙木拱桥的结构分析，笔者认为可以将两者的结构优点结合起来，集中在一个结构体系中。汴水虹桥是通过横梁将三节苗和四节苗的每根杆件搭接起来成为整体；闽浙木拱桥是将三节苗、五节苗中的杆件分别用大、小牛头连接成整体后再将两个系统相互穿插形成主拱。

因此木拱桥中的每根杆件都可看成是简支梁结构，而简支梁结构在荷载作用下的挠度变化并不是很出色。

所以笔者认为可以在虹桥的主拱结构基础上加设立柱和马腿用来分担主拱所受的部分荷载，在确保桥体整体结构具有很好的稳定性的情况下，使得桥体能够更好的承受荷载。笔者称之为虹桥式木拱桥结构。

4 利用SAP2000软件的模拟分析

本文对三种结构模型进行模拟分析，利用sap2000软件采用静力分析法以梁单元进行建模，为了便于研究，将模型结构均归结为平面体系进行计算分析，横梁被简化成为桁架，各处节点均设为铰接；材料设置成木材，且为各项同性材料；为了直观的显示受力特性和便于比较分析，所有模型的跨度均为20m，其他尺寸依比例调整；所有荷載为均匀分布在结构上的5KN集中荷载，共五处。根据sap2000软件所生成的不同模型的弯矩图、剪力图为依据，将结果进行对比分析，借以体现虹桥式木拱桥的结构特点及优势。

5 实验验证

为了验证由sap2000软件分析得出的虹桥式木拱桥挠度值明显小于虹桥结构的结论，本文采用制作实体模型进行加载实验验证。

据了解三节苗是一个稳定的支撑系统，可以有效的抵抗垂直向下的荷载。其跨度决定了桥的净跨，高度决定了桥高[ 3 ]。因此三节苗的用料要求较高。

但为了制作方便实体模型的制作材料均为直径20mm的塑料水管，按照与汴水虹桥1∶20的比例缩小，跨度为1m。因时间，硬件条件与笔者自身能力有限，模型的纵骨与横梁间采用钻孔引绳，再将横木与横木之间进行绑扎。马腿、立柱与斜苗间也是钻孔牵绳连接再与主拱进行绑扎。

根据实验测得，虹桥模型的拱高约26.84cm，吊挂砝码后拱高为23.45cm，挠度值为3.39cm；虹桥式木拱桥模型拱高为26.53cm，吊挂砝码后拱高为24.81cm，挠度值为1.72cm。

根据实验结果分析可知虹桥式木拱桥结构相对于虹桥结构来说稳定性更为出色。

6 总结

本文首先对汴水虹桥和闽浙木拱桥进行结构和受力原理进行分析，提出将两者结构的优点集于一身的虹桥式木拱桥结构。利用SAP2000软件对模型进行分析，根据分析结果得到虹桥式木拱桥结构的整体弯矩、剪力和挠度有明显的降低，承载力增强。并通过加载实验验证了新模型的挠度值确实有所降低。

本文在提出新结构希望对我国桥梁建设工作有所贡献外，也希望能有更多的人对虹桥和木拱桥结构进行研究，将这些我国古代桥梁建设者的智慧结晶得以传承。

参考文献：

[1] 王振镛.虹桥小考[J].福建文博，2012（2）：30-38

[2] 刘培森.虹桥再现汴京城再现清明上河图仿古拱桥简介[J].中国市政工程，1996（2）：29-31

[3] 唐洁芳.从虹桥看设计之美[J].美术界，2011：94.