赵州桥拱桥结构探究模型设计

王冈

[摘 要]针对苏教版通用技术必修模块“技术与设计2”第一单元第四节《经典结构的欣赏》中对赵州桥介绍不够清晰完整，导致学生无法全面了解赵州桥结构特点的问题，教师可根据赵州桥的结构特点，设计坦拱形的拱桥模型，供学生探究坦拱的水平推力产生的原因、赵州桥桥台能承受桥身水平推力的原因、赵州桥维修的方法等，有助于学生全面了解赵州桥的结构。

[关键词]赵州桥结构；探究实验；模型

[中图分类号] G632.4 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058（2018）15-0075-02

赵州桥拱桥结构是苏教版通用技术必修模块“技术与设计2”第一单元第四节《经典结构的欣赏》的教学内容。

一、设计背景

课本介绍了赵州桥的功能、结构设计、施工技术等内容。其中，从施工技术的角度看，课文是这样介绍赵州桥的：赵州桥的石拱由28道拱圈纵向并列砌成，每道拱圈可独立站稳，自成一体，既便于施工，又利于单独修补。这样大跨度的坦拱，对桥台水平推力很大，建造难度高。而桥台却是既浅又小的普通矩形，厚度仅为1.549m，由5层排石垒成，其地基是承载力较小的亚黏土。在这样的地基上，用这样小的桥台，建这样大跨度的石拱桥，在世界上是罕见的。

上述这段文字提及四个没有解答的技术问题：

1.赵州桥的桥体材料——条石之间是如何连接的？

2.石拱是如何进行单独维修更换的？

3.坦拱对桥台水平推力很大，这个水平推力是如何产生的？

4.地基是亚黏土，其承载力较小，桥台又是如何维持1400年不倒的？

这4个问题涉及赵州桥结构中除了敞肩拱以外的另一个关键结构：腰铁和铁拉杆。

腰铁镶嵌在同一个拱圈相邻的两块条石中，将两块条石连接成整体，如此两两相连，构成完整的拱圈。

铁拉杆横穿28道拱圈，将所有拱圈连接成一个整体。

通过腰铁、铁拉杆，赵州桥形成完整的一个整体，其强度得到极大提高，同时对桥台的水平推力也极大降低，保证了桥台的安全，使坦拱的设计成为现实。

赵州桥的结构设计中，敞肩拱是创造性的特点，而腰铁和铁拉杆则是基础性的结构。显然，如果学生没有了解腰铁和铁拉杆的作用，就无法真正理解赵州桥能屹立1400年不倒的原因，这不利于培养学生的技术素养。

二、探究实验的器材和设计

为了让学生理解坦拱的力学特性，全面了解赵州桥的结构并提高技术分析能力，教师有必要还原赵州桥的力学结构，让学生通过探究的方式研究课本未给出的答案。

笔者利用3D打印机制作了自己设计的赵州桥结构探究模型，供学生探究赵州桥的水平推力产生原因和腰铁、铁拉杆的作用，如图1。

探究模型为两组拱形，根据赵州桥内拱和外拱的特点而设计，每组拱形分别由六个拱块组成，用腰铁形的插销连接。两组拱之间可以用铁杆连接。每组拱长27cm，宽3cm，拱高8.5cm，拱块厚度2.5cm。如图2、3、4、5、6。

三、探究实验设计

探究实验1：拱桥模型所受压力与水平推力大小的关系实验。实验情形如图7。

步骤1：在拱的两个基座掛上弹簧秤，将拱砌好，拱块之间不用插销连接。

步骤2：观察弹簧秤读数并记录。

步骤3：在拱的中间轻轻压上50g的钩码，观察弹簧秤读数并记录。

步骤4：逐步增加钩码的数量直至拱倒塌，观察弹簧秤读数。

本实验中，拱桥模型利用基座与桌面的摩擦力、弹簧秤的拉力维持了拱的形状。压上钩码后，拱受到的压力会转换成向外的水平分力，即水平推力，使基座向外移动，随着压力的增大，拱块之间逐渐错位，最后倒塌。弹簧秤的读数揭示了水平推力的产生和变化关系。

关系实验

探究实验2：用插销连接拱桥模型，用钩码对拱桥施压，观察拱桥的状况。

步骤1：在拱的两个基座挂上弹簧秤，将拱砌好，拱块之间用插销连接。

步骤2：观察弹簧秤读数并记录。

步骤3：在拱的中间轻轻压上50g的钩码，观察弹簧秤读数并记录。

步骤4：逐步增加钩码数量，观察弹簧秤读数。

本实验中，插销将拱桥模型连成一个整体，施加在拱桥上的压力被插销和拱块中的燕尾槽所承担，只要这个结构不被破坏，拱桥就不会垮塌。

探究实验3：用铁拉杆固定两套拱，研究维修赵州桥的施工方法。

实验情形如图9。

步骤1：将两组拱砌好，拱块之间用插销连接。

步骤2：用铁杆连接两组拱。

步骤3：学生尝试用按压、扭曲等手段验证拱桥模型的强度。

步骤4：学生在保持两组拱不散架的情况下将其中一个拱块拆除，再复原。

本实验揭示了赵州桥更换桥石的原理：利用插销和铁拉杆将赵州桥各个拱连成一个整体，28道拱相互支撑，缺少几块拱石也不会引起桥梁崩塌。更换其中一块桥石时，只需要将该拱石的插销或铁拉杆取下，换上相同尺寸的拱石，再将插销或铁拉杆复原，就能完成更换桥石的工作。

施工方法

四、探究实验的意义

通过使用拱桥模型进行探究实验，学生能很好地理解以下三个问题。

1.让学生理解坦拱产生水平推力的原因，并能理解为什么全世界很少保存有坦拱形式的古代石质拱桥。

2.让学生理解赵州桥中条石的连接方法，并能理解中国古代在没有水泥的情况下石质材料的连接方式。

3.让学生理解腰铁、铁拉杆的作用，并能理解赵州桥屹立1400年，不仅仅依靠敞肩拱，而腰铁、铁拉杆使桥石连成整体，降低了对桥台的水平推力，方便维修。

本实验器材结构简单，既可以用3D打印机制作，也可以用木块铣出，制作容易。教师可根据课堂需要，设计成演示实验或者学生分组实验，这对学生全面了解赵州桥很有帮助。

（责任编辑 诺 依）