| 昨天一早醒来，就被一则新闻刷屏。8月6日晚，我国最长的木拱廊桥，位于福建的万安桥突发大火，经过1个小时左右的抢救，大火已经扑灭，但是这座始建于北宋，距今近千年历史的最长木拱廊桥被烧得只剩骨架。根据媒体报道，失火原因初步认为民用用火。 火灾现场 据了解，这座万安桥历史悠久，也多灾多难。北宋期间建好之后，在清康熙47年也曾被焚，后来乾隆7年得以重建，经过历代的维修保养，保存至今。可惜昨晚的这场大火，基本上燃尽了这座万安桥。 大跨度桥梁 古代技术水平有限，想要修建一个大跨度桥梁，难度还是不小。不像现在，利用悬索、斜拉索，可以大幅度增加跨度。比如，在建的张靖皋长江大桥，就采用悬索的设计，主跨2300米，是世界上最大跨度的悬索桥。这在古代是完全不可能完成的任务。世界最大跨度：主跨2300米 历史上，我国古代跨度最长的桥是隋朝名匠李春设计的赵州桥，跨度37米多。另有一些古代桥梁跨度更长，比如事故中的万安桥，其中间是有桥墩存在的（最长跨度15.2米），单跨距离还是不能跟赵州桥比。 古代跨度最长的赵州桥 拱形结构：古代的大跨度技术 古代的造桥技术，完全依赖的是工匠的个人经验。要知道，牛顿力学发展出来的时候，我国已经是明清时期了。而我国现存的各类古代桥梁的历史却更早，像上面提到的赵州桥、万安桥都远超牛顿力学的历史。那么，古代在没有力学的指导下，是如何认识并最终发展出这种拱形结构的呢？木拱结构 这其实完全就是生活经验，古人虽然没有系统的力学理论可用，但是也具备了一定的朴素的力学知识。古人在日常生活中，发现同样跨度和截面的直杆和曲杆，在承受垂直的侧向力时，曲杆的承受能力更大。受此启发，古代匠人们，就设计出了拱形结构，以实现更大跨度的桥梁。 曲杆承载能力更大 拱形的力学原理 牛顿力学产生之后，就可以详细地解释拱形结构的力学原理了。如下图所示，重物压在这段拱形结构之上，这个压力就会沿着拱形结构往下传递，最后传递到两侧的桥墩上。整体上，这段拱形结构是处于一个受压的状态之中。不像平面桥，桥面受压之后会荡下去，桥面的下方是处于拉伸的状态之中。如果没有钢筋来加强，平面桥是不行的，这也是建筑里的室内天花板钢筋必须布置在下方的原因。可是，古代没有钢筋，只能选择拱形结构了。拱形结构的传力路径 再来看一下拱形结构内部的力。它的两侧，因为有桥墩，肯定有图示这样的约束力。中间段还有向下的自重和载荷，在这些所有外力的作用下，拱形结构内部互相挤压，全部都是压缩的状态之中。这就大大提升了结构的承载能力。因为，基本上所有的材料，都是抗压性能优于抗拉性能。 受压的拱型结构 木拱与石拱 其实，同学们肯定对石拱更加了解，毕竟赵州桥太有名了，几乎每一个小学生都知道。理想中的拱形结构，必须是上图中有光滑曲线的形状。这对于石拱来说，难度不大，甚至还比较容易实现。古代匠人完全没有必然把整个石头雕刻加工成一个完整的拱形，而是加工成契形的一块块石头，这样组装堆叠成整体之后，依靠自重就可以维持住拱形结构。石拱比较容易实现 但是，石头的缺点也很明显，本身太重了，加工成块也不太方便。于是古代匠人将材料转移到了木头之上。木头加工起来就简单多了，而且我国的榫卯工艺已经非常成熟了，不用一钉一铁，就可以将两块木头牢固地连接在一起。同样地，木头的缺点也很明显，就是太直，不易弯。我们当然不能像石头那样，把木头做成锲形再堆叠在一起。这样的堆叠木头失去了其空灵的特性，承载力也不能跟堆叠石头比。 榫卯工艺 所以，为了将木头变弯，古代匠人采用的是局部“以直代曲”。就像下图一样，通过分段，将每一直段转弯连接起来。整体上来讲，与石拱一样，将压力沿着木头传递到了两端的桥墩上。但是，具体到每根木头来说，与石头的内部力完全不一样。木拱结构的每一根直木，都是一根梁结构，会发生弯曲变形，因此每一根木头既有压缩的部分，也有拉伸的部分。不过，由于每一段都比较短，产生的拉伸应力不足以折断这根木头。 以直代曲的木拱结构 木拱整体结构 正是这样一段一段地交叉编织，最后组成了一个完整的木拱桥。桥面上搭建廊棚，与桥体形成一个整体，这样不仅可以遮风避雨，还能分担一些桥面的载荷。就像现代的一些桁架桥，桥面上方的结构绝对不是装饰，而是起到了分担桥面载荷的作用。 桥面上的结构仅仅是装饰吗 总 结 拱形结构可以在有限的条件下，实现更长的跨度。被烧毁的万安桥，是木拱廊桥，其桥体部分采用的是“以直代曲”的方式，实现拱形的结构，上方的廊棚与桥体连成一体，在遮风避雨的同时，也能分担一部分的桥面载荷。以现代的技术，复现这座百米木拱廊桥，完全没有问题。只是，可惜了用到的几百年历史的木头。万安桥旧貌 来源：无聊的力学微信公众号（ID：BoringMech），作者：Nerd王小胖。 |
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