现存中国木拱桥结构调查与分析

杨 艳， 陈宝春

(福州大学土木工程学院， 福建 福州 350116)

现存中国木拱桥结构调查与分析

杨 艳， 陈宝春

(福州大学土木工程学院， 福建 福州 350116)

基于桥梁结构学， 对我国现存的古代木拱桥开展结构调查， 并对其主要参数进行分析总结. 调查表明， 现存130座闽浙木拱桥以单跨为主， 矢跨比与我国其它桥梁相似， 以1/4～1/7为主. 闽浙木拱桥与汴水虹桥同属编木拱， 但二者在结构上尚有不同之处. 汴水虹桥结构较为简单， 对其受力行为可用简化算法分析；而闽浙木拱桥结构复杂， 手算分析困难， 对结构的力学行为了解不够， 已有的实桥测试效果不理想， 有限元分析效果也不尽理想， 建议以有机玻璃模型试验开展深入系统的研究.

木拱桥； 结构； 调查； 参数分析； 福建； 浙江

0 引言

木材除用于梁桥外， 也被用于拱桥之中， 并发展形成了木肋拱、 木桁拱、 编木拱等结构形式[1-3]. 木肋拱需将木材弯成曲线状作为拱肋， 加工工作量大. 古代木肋拱以原木为主， 受原木长度的影响， 跨径较小. 木桁拱用短木材组成桁架拱肋， 通过分段折线来逼近曲线， 木材无需弯曲成曲线型. 桁肋截面刚度大， 用料少， 自重轻， 跨径较强. 但它的节点受力复杂、 构造也复杂， 桁架腹杆中拉杆和受拉节点， 需要金属材料的辅助， 加工工作量也较大. 编木拱由二个纵桥向的拱架系统相互穿插和若干横桥向的横木联结组成， 拱架中的拱骨以受压为主. 它同样可以利用直木， 无需弯曲成型， 且能达到较大的跨径， 同时， 它可以不用金属构件的辅助. 它构思巧妙， 受力合理， 施工简单， 跨越能力强.

肋拱、 桁拱的结构不是木拱独有的形式， 在其他材料拱桥(如混凝土拱桥、 钢拱桥)中也有大量的应用. 而编木拱的结构形式， 未在其他材料拱桥中出现. 因此， 编木拱结构有其独有的桥梁结构研究价值. 编木拱结构不属于一般的二维平面结构或三维空间受力结构. 现有的结构力学中， 没有与之相应的分析方法. 因此， 对编木拱这种独特的结构进行研究， 对于发展结构力学理论具有重要的意义.

在国外， 古代木拱桥中用得最多的是实肋和桁肋木拱[4]. 迄今为止的研究表明， 只有中国修建有编木拱. 同时， 中国古代未建其他结构形式的木拱桥. 因此， 可以用中国木拱桥直接指代编木拱桥.

编木拱结构的独特性、 中国木拱桥修建的唯一性和大量古代编木拱桥的遗存， 决定了中国木拱桥具有极高的技术遗产价值. 2009年， “木拱桥传统营造技艺”被联合国列入急需保护的非物质文化遗产名录. 2012年“闽浙木拱廊桥”列入中国申报世界文化遗产预备名单.

中国木拱桥已成为中国古桥研究的热门课题. 但已有的研究多以建筑专家与民间力量为主， 研究的视点多以建筑史学、 建筑美学、 社会作用、 文化价值等为主， 缺乏对桥梁结构的参数调查， 更谈不上基于桥梁结构学的深入研究. 为此， 本文从桥梁结构学出发， 对我国现存的古代木拱桥开展结构调查， 对其主要参数进行分析总结， 并就现存的闽浙木拱桥的结构特点与已无遗存的汴水虹桥结构进行比较分析.

1 现存中国木拱桥结构调查分析

1.1 概况

在收集大量文献[5-8]基础上， 对福建和浙江两省现有的木拱桥进行了实地调查. 结果表明， 中国现存木拱桥130座， 主要分布在闽浙两省五市(地级市)， 即福建省闽东北的宁德市、 南平市和福州市的14个县市， 浙江省东南部的温州市和丽水市的8个县市. 其中， 福建省有81座， 占总数的62.3%， 浙江省有49座， 占37.7%. 在县或市中， 福建寿宁19座， 屏南15座； 浙江庆元16座， 景宁15座， 泰顺11座[9-11].

图1 闽浙木拱桥建造年代统计

从文献调查知， 木拱桥的留存数量逐年减少. 例如： 福建省宁德市， 解放后毁掉的木拱桥达51座， 其中： 洪水冲毁9座， 龙卷风刮倒1座， 人为失火6座， 山火烧毁1座， 因改变交通功能人为拆建31座， 建电站淹没2座. 浙江省泰顺县， 解放后毁坏或改建的有11座， 如： 建于1454年的叶树阳桥， 曾是历史上最长的木拱桥之一， 因1965年修建公路被拆除； 三滩桥、 广济楼桥、 东坑龙潭桥、 东坑白鹤桥等毁于洪水； 景宁柘湾木拱桥、 庆元濛淤桥、 英川梅崇桥等都毁于火灾[5-8]. 这种数量的减少， 有自然因素也有人为因素， 缺乏保护意识是最主要的原因.

对于现存木拱桥的建造时间， 主要根据族谱、 桥碑和有关史料记载进行分析. 闽浙木拱桥始建年代分别从宋代、 元代、 明代、 清代延续至今. 由于木结构易腐蚀， 耐久性差等特点， 早期修建的桥梁， 遗留下来的并不多， 从图1的统计结果可以看出， 现存木拱桥主要以清代建成或重建、 重修为主， 占现存量的53.9%.

1.2 桥梁规模与跨径

1.2.1 桥跨布置与跨径

现存木拱桥多位于山高路远、 交通闭塞的古村落和古道上， 跨越的主要是小溪流和山涧流水， 结构以单跨为主. 在被调查的130座木拱桥中， 123座均为单跨结构， 占总数的94.6%. 这些桥中， 跨径最小的是5.9 m， 最大的是37.6 m. 单跨跨径主要分布在10～30 m之间， 占总数的78.1%, 详见表1. 值得一提的是， 木拱桥最大单孔跨径达37.6 m， 略大于古代跨径最大的石拱桥赵州桥， 表明木拱桥具有较大的跨越能力的结构优势， 能满足山区大跨度桥梁建设的需要.

现存木拱桥中， 仅7座为多跨桥， 见表2. 其中五墩六跨1座， 一墩两跨2座， 两墩三跨4座. 多跨桥跨径从12.5～29.6 m不等， 与单跨跨径相当， 由于桥梁较长， 因此一跨无法跨越， 只能采用多跨结构.

表1 单孔跨径分布范围统计表

表2 多跨木拱桥结构参数

1.2.2 桥长与桥宽

中国木拱桥部分桥梁是直接使用天然的岩石或悬崖作为桥台， 根据无桥台的桥梁对桥梁全长的定义， 本文选取廊屋的长度作为桥梁的全长进行相关的统计和计算[9]， 统计结果见图2. 对于多跨桥梁， 除了福建闽清合龙桥长度为38.8 m外， 其余均大于60 m； 单跨木拱桥长度范围基本在60 m以下， 木拱桥长度主要集中在20～50 m之间， 其中以20～40 m居多(它与单孔跨径10～30 m的桥梁相对应).

木拱桥的交通功能主要是以人畜为主体的步行交通， 桥面不是很宽， 均在3～7 m之间， 且无统一规格. 桥宽范围调查结果见表3， 桥宽为4～5 m的有84座， 占总数的64.6%.

图2 木拱桥桥长范围统计分布情况

表3 桥宽范围统计分布情况

1.3 主拱矢跨比

矢跨比是拱桥的重要参数， 从受力方面来说， 它的选择要考虑到下部结构与基础承受的水平推力与弯矩、 主拱的内力与稳定等多种因素. 同时， 木拱桥均为上承式， 矢跨比还影响到拱桥的总体布置， 结构与周围景观的协调、 拱上建筑设计和主拱的施工方法等， 因此矢跨比的选择应同时兼顾地形地质条件、 跨径和拱上立柱的布置. 例如， 对于直接利用溪流两岸天然的岩石作为墩台木拱桥， 如果矢跨比大则桥面标高将提高， 为了能够与桥头两侧路面连接， 整个桥面的纵坡将很大， 这样将不利用行人通过.

调研中利用全站仪对大部分木拱桥进行结构尺寸测量(由于地理位置原因， 部分桥梁无法测量)， 其矢跨比分布范围如图3所示. 由图3可知， 除少数桥采用大于1/4的和小于1/7的矢跨比之外， 其余大多数桥的矢跨比都在1/7～1/4之间， 这与我国混凝土拱桥的矢跨比分布范围1/5～1/8(以1/6居多)及钢管混凝土拱桥的矢跨比分布范围1/4～1/5(以1/5最多)相一致. 图4给出了所测桥梁其整体矢跨比与跨径关系， 从目前的统计结果可知， 矢跨比与跨径之间的关联度总体来说并不大.

图3 矢跨比分布范围统计表

图4 矢跨比与跨径关系图

1.4 拱肋木材直径与间距

图5 拱肋拱脚处直径与跨径的关系

木拱桥主拱由两个纵向受力系统组成， 每一系统具有若干根木材， 在相同结构与荷载情况下， 拱肋木材根数与每根的直径成反比. 实地调查结果表明， 现有130座木拱桥， 第一系统主拱拱肋均比第二系统主拱拱肋多一根； 横桥向拱肋以9+8组合为主(八字型的第一系统拱肋横向9根， 五折边型的第二系统拱肋横向8根)， 共有92座， 7+6组合其次， 有34座， 另有8+7组合3座， 5+4组合1座.

根据实地调查， 拱脚处两个系统拱肋的平均直径主要尺寸为16～20 cm， 直径与跨径对应关系如图5所示. 从图5可见， 木材直径与跨径总体上成正比关系， 即跨径越大， 所用的直径也越大， 但二者之间不是强相关， 这主要是因为它的建造以经验为主.

2 现存中国木拱桥结构特点

据文献记载， 中国木拱桥始建于宋代(1032年或1033年)， 称之虹桥， 随后在当时的汴水流域及其周边地区被广泛应用， 但明代以来， 由于种种原因没有再建的记录， 而早期修建的桥梁也均已毁坏[12]. 现有记载最为清晰的是北宋张泽端在《清明上河图》以写实手法所画的一座拱桥， 将以这座“虹桥”为代表的在古代北方地区修建、 现已没有遗存的木拱桥称为“汴水虹桥”[13-15]. 本文所调查的现存的中国古代木拱桥， 均位于福建和浙江两省， 称为闽浙木拱桥. 这样， 中国木拱桥又可细分为两类， 即汴水虹桥和闽浙木拱桥. 现存的中国古代木拱桥均为闽浙木拱桥[16].

2.1 主拱结构类型

闽浙木拱桥和汴水虹桥都是编木拱结构， 主要受力结构是由二个纵桥向的多折边拱架系统相互穿插和若干横桥向的横木联结组成， 拱架中的拱骨以受压为主(图6). 它们通过精巧的结构， 直接利用原木， 以较小的构件形成较大的跨径， 免除了其他木拱桥需要材料弯曲、 迭合等加工工序， 且架设方便.

两类中国木拱桥第一系统相同， 都是用三根长圆木纵梁和两根木横梁连成八字形拱架， 但第二系统有着明显的不同. 汴水虹桥是由4根稍短的圆木和三根横梁组成的四折边形结构， 闽浙木拱桥则由5根稍短的圆木和4根横梁组成如五折边形结构. 因此， 从纵向结构体系来说， 汴水虹桥是“3+4”结构， 闽浙木拱桥是“3+5”结构， 详见图6所示[17].

2.2 主拱结构构件之间的联接

根据文献记载， 汴水虹桥拱木拱肋与横木之间是用棕绳捆绑扎(或是用铁件箍扎)； 而闽浙木拱桥凭榫卯相连， 其榫头为大燕尾形， 凿有卯口的横木(牛头)两头加箍铁条， 相互之间开孔插入或用燕尾榫卯接， 衔接严密， 结构稳固. 从中可以看出闽浙木拱桥的木结构联接技术已从捆绑联接发展为铆卯联接， 造桥工艺有了极大的提高.

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图6 中国木拱桥结构示意图

闽浙木拱桥拱骨系统设有“X”剪力撑， 它对于固定拱骨系统、 增大横向刚度， 为避免木拱桥横轴向的变形起到极大的作用. 此外， 交错的第一、 第二系统拱骨之间， 填塞了一些小木料， 这些木料通过摩擦力起着防止拱骨纵向位移的作用, 详见图7所示.

图7 闽浙木拱桥的两个细部结构

2.3 拱上建筑与结构外形

汴水虹桥不设廊屋， 而闽浙木拱桥均设有廊屋. 廊屋除了可为行人歇脚、 村人相聚、 甚至商业、 社会、 宗教活动提供场所外， 还具有明显的结构功能. 一是由于木拱桥较轻， 在风雨、 洪水作用下， 容易失稳破坏， 廊屋的自重， 有助于增强结构的稳定性； 二是南方多雨， 廊屋有利于主拱木构件保持干燥， 防霉防蛀， 延长木构件的使用寿命， 这也是许多闽浙古木拱桥可以保存至今的一个重要原因.

汴水虹桥近似半圆弧形(这也是虹桥得名的原因)， 而闽浙木拱桥则成八字形， 且多有侧面板以挡风雨， 因此外形上易与现存于闽浙的八字撑架桥相混， 这也是它较迟才被发现的一个主要原因.

汴水虹桥直接在拱背上铺设桥面板， 为拱坡桥面， 虽然拱结构能够提高桥梁的净高以解决水域通航的问题， 但它同时不可避免地带来了车辆和行人上下桥的困难； 而闽浙木拱桥增加了桥面木纵梁系统， 不仅使木拱桥的坡面变成平坡坡面， 有利于车辆和行人通过， 而且桥面木纵梁系统参与了主拱的受力， 使结构整体性更强， 受力更合理.

3 结构受力研究现状与建议

汴水虹桥因主结构为“3+4”系统， 且无拱上建筑， 结构较之闽浙木拱桥简单. 采用棕绳捆绑扎或用铁件箍扎联接， 节点处既可受压也可受拉， 可将其假定为铰接. 不仅联接一个系统内的构件， 而且将两个系统的构件联系在一起， 这样可以将两个系统简化为一个受力系统. 通过这样一些简化后， 汴水虹桥的受力可以采用结构力学的方法进行分析. 目前， 对汴水虹桥的结构受力行为， 已有较为清晰的了解.

闽浙木拱桥主结构为“3+5”系统， 且有拱上建筑， 结构复杂， 手算分析困难， 应以有限元分析为主. 构件之间采用榫卯联接， 受压能力强， 但受拉能力弱， 铰接假定是否成立尚需进一步的研究. 闽浙木拱桥中纵桥向两个受力系统之间无可靠的联接， 二者之间是否能共同受力？接触点是否会出现脱空分离现象？没有拱上建筑结构是否成为可动机构等等， 这些都未得到研究确认， 使得有限元模型建立存在着不确定性因素， 现有的有限元分析结果均不理想.

室内结构模型研究是了解桥梁结构受力行为的一种常见且有效的方法. 目前尚未开展这方面的研究， 建议以此为突破口. 在室内模型试验研究中， 其研究目的是结构受力行为， 而不是极限承载力， 因此可以采用材性稳定、 加工方便的材料来代替木材， 如有机玻璃. 模型可以采用某一座实桥， 也可以采用上述调研分析的参数构造典型的桥梁. 建议模型设计制作， 同时考虑两类中国木拱桥的结构， 以比较两者受力的特点. 在构件联接上， 同时考虑刚接、 铰接和弹性联接， 以比较节点联接刚度对结构受力的影响.

4 结语

中国木拱桥中汴水虹桥已无遗存， 现存的均为闽浙木拱桥. 本文对现存的130座中国木拱桥进行了实地调查和测量. 结果表明， 现存木拱桥以单跨为主， 多跨结构仅有7座， 桥宽主要在4～5 m之间. 单孔跨径最小5.9 m， 最大37.6 m， 跨径分布范围主要集中在10～30 m， 占总数的78.1%； 矢跨比分布范围为1/4～1/7之间， 与我国其它拱桥相一致.

闽浙木拱桥与汴水虹桥同属于编木拱， 但两者在结构上还存在着不同之处. 汴水虹桥无拱上建筑、 主拱为“3+4”结构， 受力简单， 已有简化算法， 对其受力行为已有较好的了解. 闽浙木拱桥有拱上建筑、 且主拱为“3+5”结构， 结构与受力均复杂， 手算分析困难， 对结构的力学行为了解不够， 已有的实桥测试效果不理想， 有限元分析效果也不理想， 建议开展室内有机玻璃模型进行试验研究.

[1] 陈宝春， 杨艳. 国外木拱桥介绍[C]//第三届中国廊桥国际学术(屏南)研讨会论文. 北京： 文化艺术出版社, 2009: 267-276.

[2] 杨艳， 陈宝春. 中外木拱桥比较[C]//2010年古桥研究与保护国际学术研讨会论文集. 南京： 东南大学出版社, 2010: 103-110.

[3] Troyano L F. Bridge engineering-a global perspective[M]. [s.l.]: Thomas Telford Ltd, 2003.

[4] Ceraldi C, Ermolli E R. Timber arch bridges: a design by Leonardo[C]//Arch Bridges IV-Advances in Assessment Structural Design and Construction. Barcelona: [s.n.], 2004: 69-78.

[5] 刘杰, 沈为平． 泰顺廊桥[M]． 上海： 上海人民美术出版社， 2004.

[6] 戴志坚． 中国廊桥[M]． 福州： 福建人民出版社， 2005.

[7] 宁德市文化与出版局． 宁德市虹梁式木构廊屋桥考古调查与研究[M]. 北京： 科学出版社， 2006.

[8] 中共庆元县委宣传部． 中国廊桥之都——庆元[M]． 杭州： 西泠印社出版社， 2007.

[9] Yang Yan, Nakamura Shozo, Chen Baochun,etal. A survey on existing China timber arch bridges[J]. Journal of Structural Engineering and Material (Japan of Society of Civil Engineering), 2012,28: 61-68.

[10] 龚迪发. 福建文物考古报告Ⅷ： 福建木拱桥调查报告[M]. 北京： 科学出版社， 2013.

[11] 陈镇国. 福建木拱廊桥[M]. 福州： 福建美术出版社， 2011.

[12] 唐寰澄. 中国古代桥梁[M]. 北京： 文物出版社， 1957.

[13] 茅以升. 中国古桥技术史[M]. 北京： 北京出版社， 1986.

[14] 唐寰澄. 中国古代桥梁[M]． 北京： 文物出版社， 1987.

[15] 唐寰澄. 中国科学技术史： 桥梁卷[M]． 北京： 科学出版社， 2000.

[16] Yang Yan, Nakamura Shozo, Chen Baochun,etal. Traditional construction technology of China timber arch bridges[J]. Journal of Structural Engineering(JSE), 2012,58A(3): 777-784.

[17] Yang Yan, Nakamura Shozo, Chen Baochun,etal. The origin of timber arch bridges in China[J]. Journal of JSCE (Japan of Society of Civil Engineering), 2014(2): 54-61.

(责任编辑： 郑美莺)

Investigation and analysis on existing China timber arch bridge structures

YANG Yan， CHEN Baochun

(College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou， Fujian 350116， China)

Based on the bridge engineering point view, all the existing China timber arch bridges are investigated by field survey, and the major structural parameters are analyzed. It is shown that there are 130 China timber arch bridges existed, most of them are single span bridges,and the rise-to-span ratio of the arch is from 1/4 to 1/7, which is similar as the ratio in other types of arch bridges in China. Min-Zhe timber arch bridges and Bianshui rainbow bridges are woven timber arch bridges, but there are some differences in the structural details. The structure of Bianshui rainbow bridge is simple, and the mechanical behavior can be analyzed by the simplified calculation method; however, for the Min-Zhe timber arch bridge, the structure is complex and it is difficult to analyze its behavior by simplified analysis method, therefore their structure behavior is not well understand, and the conducted field test results and the finite element analysis results are unsatisfactory. It is suggested to start series researches on the mechanical behaviors of the Min-Zhe woven timber arch bridges from the organic glass model test.

timber arch bridge； structure； investigation； parameter analysis； Fujian Province； Zhejiang Province

2014-05-21

杨艳(1979-)， 助理研究员， 主要从事拱结构、 木结构及大跨度桥梁的研究， yangyan@fzu.edu.cn

国家自然科学青年基金资助项目(51408129)； 福建省教育厅科研资助项目(JA13029，JK2013005)

10.7631/issn.1000-2243.2015.06.0809

1000-2243(2015)06-0809-06

U448.31

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