基于汴水虹桥和闽浙木拱桥的结构探究

2019-11-02黄蕾

四川水泥 2019年9期

关键词：桥体虹桥拱桥

黄蕾

（武夷学院土木工程与建筑学院，福建武夷山 354300）

汴水虹桥和闽浙木拱桥，均为我国古代桥梁建筑行业的经典之作。

1 汴水虹桥

1.1 汴水虹桥简介

汴水虹桥是我国虹桥结构的典范之作，虽然其建筑实体已不复存在，但因为名画《清明上河图》中对其有体现，所以依然闻名于行业之中。

根据相关文献资料《东京梦华录》以及《渑水燕谈录》中的描述，汴水虹桥完全具有虹桥的两个重要特点，即结构上的“虚架无柱”以及形态上的“宛如长虹”。在结构方面，汴水虹桥的采用的是无柱设计，对船只的顺利通行起到了保障作用，同时其“长虹”的形态，也为桥梁良好的跨度起到了重要的保障作用。

1.2 汴水虹桥的结构模型

在文献《湮灭了九百多年》一文中，汴水虹桥的主拱由横梁和纵骨两部分组成，该模型可简化成为二维结构简图（如图1所示），从而能够更加直观的对汴水虹桥的主拱结构组成进行体现。

图1 汴水虹桥二维结构简图

由图1可以看出，在汴水虹桥的主拱结构之中，包含两个纵骨系统以及横梁。三节等长的木杆件也可被称为“三节苗”，其共同组成第一系统；四节等长的木杆件也可被称为“四节苗”，其共同组成第二系统。对横梁进行应用，其主要作用就是与两个纵骨系统进行搭接，从而形成主拱系统的整体完整。

在图1之中，左数的第一根横梁的搭接固定构成为三节苗的斜苗、四节苗的短斜苗以及四节苗的长；左数的第二根横梁的搭接固定构成为三节苗的斜苗、三节苗的平苗以及四节苗的长斜苗；左数的第三根横梁的搭接固定构成为四节苗的两根长斜苗以及三节苗的平苗；左数的第四根横梁的搭接固定构成与左数的第一根横梁相同；左数的第五根横梁的搭接固定构成与左数的第二根横梁相同。

1.3 虹桥的受力分析

根据图1，两个纵骨系统均为由横梁进行搭接所形成的整体，可以将其搭接处视为节点。主拱系统接收到桥面板上的荷载时，在第二、第四节点处（即图1中第二、第四根横梁），第一系统于此将荷载传递至第二系统，在其余的节点处，，第二系统则能够将荷载传递至第一系统，也就是说，以横梁为媒介，两个系统相互对荷载进行传递，并且共同对来自于面板的荷载进行承担，最终实现将荷载传输至基础地面。

2 闽浙木拱桥

2.1 闽浙木拱桥简介

闽浙木拱桥主要可以分为两个部分，分别是拱形的桥体以及桥上的廊屋，其具有“桥上有廊、廊下为桥”特点，将桥与廊进行充分结合，其与周围的景物相互进行映衬，充分的体现除了我国园林设计中“道法自然”的设计原则。

2.2 闽浙木拱桥结构分析

在主拱结构方面，闽浙木拱桥与虹桥具有较高的相似度，同样由两个纵骨系统与横梁（可称其为“牛头”）进行交叉搭接组成，并且其主体结构同样为拱形，并且其第一系统由三节苗所构成，第二系统由五节苗所构成。但是与虹桥不同的是，在闽浙木拱桥之中，其三节苗体系的组成为斜苗与平苗由两个大牛头进行搭接并形成一个整体结构，五节苗体系的组成则是斜苗与平苗由四个小牛头进行搭接并形成一个整体结构。两个系统相互进行穿插，并形成一个主拱系统，与此同时，对剪刀苗、马腿以及将军柱进行架设，不仅能够增强桥体的结构，还能够有效避免桥体发生侧移。

2.3 闽浙木拱桥的受力分析

闽浙木拱桥的外部荷载主要为桥面上的车、马、行人以及桥上廊屋的自重，通过桥面苗，荷载能够被传输至主拱结构当中。与虹桥相似的是，在相互进行穿插的两个纵骨系统之间，其荷载力同样能够相互进行传递，最终能够传输至基础部分，之后，基础部分所产生的反作用力，实现桥体的受力平衡。

对剪刀苗和马腿进行应用，主要目的是分担杆件的轴向力，将剪刀苗和马腿抵架在将军柱上，以保证桥体的轴向稳定性。

3 使用SAP2000 软件实施模拟分析

应用专业软件SAP2000 进行，借助静力分析法对梁单元进行模拟，并将两种模型简化成平面体系。在平面体系之中，将横梁视为桁架，将节点使用铰接进行代替，使用木材作为主要材料；与此同时，为了对不同结构的受力特性进行更加直观的展示，提高对比分析工作的便利性，将两种模型的跨度设置为20m，按照比例对其他尺寸进行相应调整；全部荷载在结构上均匀分布，荷载大小为5KN，共有5 处。根据sap2000 所生成的不同模型的弯矩图、剪力图及最大挠度，可以得到：（1）汴水虹桥：弯矩为2.88 KN·M，剪力为1.98 KN，挠度为8.58mm；（2）闽浙木拱桥：弯矩为4.8 KN·M，剪力为2.87 KN，挠度为11.48 mm。

可以发现，在相同跨度以及相同荷载的情况下，虹桥结构模型在弯矩、剪力以及挠度方面的数据均小于闽浙木拱结构。