壹、引言 每当哪里出现了桥梁损毁的事故时，总有人会发问，“为啥赵州桥千年不倒？” 今天简单聊聊这个话题。 （纯粹技术探讨） ▼ 赵州桥测绘图（1933，梁思成）
（图片来自网络） 赵州桥位于河北省石家庄市赵县城南洨河之上，因赵县古称赵州而得名。当地人称之为大石桥，以区别于城西门外的永通桥（小石桥）。赵州桥建于隋代（西元595~605年），由匠师李春设计建造，后由宋哲宗赵煦赐名安济桥，并以之为正名。 赵州桥为敞肩圆弧拱，跨径约37m，拱高7.23m，高跨比1:5，拱圈横向有向内“收分”（两端宽9.6m，中间宽9.0m）；主体采用青色砂岩。 据《赵郡南石桥铭并序》所述，安济桥的建造历时约12年，耗费众多资材得以建成。另有考据，自隋代以降的唐、宋、明、清、民国、新中国对其进行过多次修缮维护。 1961年，安济桥被列为全国重点文物保护单位，人们对这一古桥进行了彻底修缮。现在已经禁止机动车通行，好像已经被围起来作为景点。 赵州桥的敞肩圆弧拱形式是中国劳动人民的一大创造，西方在14世纪才出现敞肩圆弧石拱桥，已经比中国晚了600多年。英国著名中国科学技术史专家李约瑟（Joseph Needham，1900~1995）在其著作《中国科学技术史》（Science and Civilisation in China）中曾经列举了26项从1世纪到18世纪先后由中国传到欧洲和其他地区的科学技术成果，其中的第18项就是弧形拱桥。 赵州桥建成后成为中国北南交通的要冲，有“坦途箭直千人过，驿使驰驱万国通”（杜德源，宋）的美誉。舟船在桥下航行，人马车辆从桥上驶过，大大方便了交通运输和人民生活，为洨河两岸人员来往提供了便利条件。 该桥建至今成已有1400多年，承载了无数次的车马、行人通过；饱经风霜雨雪的侵蚀，地震、战争的考验，却仍巍然屹立在洨河上。 贰、问题探讨 那么，如何看待历经千年岿然屹立这个事实呢？ 1、幸存者偏差 经典案例是二战期间技术人员对受伤返航的轰炸机数据进行研究，以确认哪些部位容易被击中，最需要加强。军方的结论是，机翼是最容易被击中的位置，“应该加强机翼的防护，因为这是最容易被击中的位置”。而一位工程师认为，仅分析返航飞机样本时，那些弹着点少的位置才是最危险的；因为击中这些位置的飞机很少能成功返航。 历史上人们建造了不计其数的桥梁，大多已经损毁磨灭，消失在历史长河之中，而历经千年剩下的屈指可数。对于感受的对照组，所谓“经常”看到桥梁损毁，实际上是众多桥梁中的很小部分。[中国在役公路桥梁100多万座(不含铁路桥梁)] 2、建造的安全理念 隋代建造桥梁有“安全要求”，但应该没有明确的“安全水平”要求。现代工程建造中对结构安全水平的度量方法比较复杂，此处略过。拿一个已经基本被淘汰，但也还在使用的“安全系数法”简单陈述道理。工程师根据使用目标计算出荷载数值，然后用K倍数值的结构承载力去建造。这个K就叫做安全系数，通常取1.5~2.0。 用挑担子打比方：需要挑100斤的担子，那么就找一个能挑200斤担子的人来完成，用2倍作为储备以应对波动和意外。 现在工程界常用的极限状态法虽然与“安全系数法”有别，但安全水平大致还在这个范围内，并未偏离太多；只是针对材料、荷载、承载力等的变异性和组合概率进行了更合理的处置。 或许有人认为2倍是个大值，很浪费。其实并不算大，这是在权衡支出与收益的关系，并无绝对“正确”。这和购买商品时的思考过程并无二致。用这个逻辑去计算，安济桥在建造时的安全系数应该远高于现代工程的要求。 那么，为什么呢？ 3、材料 安济桥主体采用了“青色砂岩”。岩石在自然界中通过亿万年的地质作用所形成，其耐久性通常远超现代建筑材料所用的钢材、混凝土等。石材抗压性能好，但抗拉性能不好且开凿使用成本高，这限制了结构形式和使用规模。 安济桥采用拱结构，并做了横向“收分”，且主体受力拱圈基本落在了“合理拱轴线”上。这充分运用了材料的抗压性能。 或许有人会提及石板桥，石板桥主体是受弯（拉）结构，所以跨径通常很小，耐久性也不可能与拱桥相提并论。 现代桥梁结构常用材料是钢材和混凝土，钢材的抗拉性能优良，所以才能建造斜拉桥、悬索桥这样的结构；因此，桥梁跨度也才有了极大的突破。斜拉桥最大跨径已经超过1000米，悬索桥最大跨径已经超过2000米。混凝土和石材同属抗压优良的材料，混凝土胜在塑形容易，不需要艰难的凿刻，与钢材配合使用可以达成数百米跨径的现代拱桥。但仅从材料耐久性而言，混凝土的耐久性却远不及天然石材。 （想一想，为啥安济桥没有使用强度和耐久性更好的花岗岩或玄武岩？） 4、选址 桥梁的选址是大中型桥梁建造时的关键内容，而中小桥梁通常因为要服从道路的总体需求而选址并非最优。 隋代工匠建造安济桥时，一定会选择河道较窄、平直、山洪影响小、地质构造稳定的区域来建桥。一来，这是举国上下的重大工程，道路走向等其他因素都要服从桥梁建设的限制条件；二来，河多桥少，可选桥址多。或许是技术超群或许是运气太好，又或许是二者兼而有之，反正安济桥的寿命，足以证明桥址选择是妥当的。 仅从工程选址角度说，比萨斜塔可以算是失败的案例；如果它被建造在稳定的地基上，就不会因为地基的不均匀沉降而倾斜了。说起斜塔上海的天马山顶也有一座（护珠塔，其外部木结构已经损毁，现存砖砌结构）。 关于桥梁选址再举个例子是，二战时期的滇缅公路。 从大理到腾冲需要跨越澜沧江，当时的修桥技术、物资和时间都不可能选择大跨度桥梁方案，于是不得不让道路绕行到上游的江面狭窄处建桥通过。现在技术进步了，桥梁可以匹配道路总体走向，于是在澜沧江下游，用桥梁和隧道直接穿越天堑，节省了绕行线路和运行成本（以更大的工程代价换取了较短的线路，且回避了通过沟壑时的上下坡）。 当然，即便以当下的建造技术，高铁通过此处的“大柱山隧道”也因为遇到了复杂地质带来的困难，而开凿了12年。 “艰苦卓绝12年！“最难掘进铁路隧道”大柱山隧道贯通” （在自然面前，人类总是如此之渺小） 5、荷载水平 所谓荷载就是指施加在结构上的外力。 对于桥梁结构分析通常将荷载分为两大类：恒载、活载。 简单来说，恒载就是建成后不变的结构自重；活载就是运行的汽车、人群等。 （为了陈述问题，简化了其中专业的部分，不严谨，但差不多） 在荷载下结构破坏通常有三种状态： 限状态破坏 疲劳破坏 失稳破坏 用挑担子打比方， 极限状态破坏就是，担子太重，压折了腰； 疲劳破坏就是，担子较重，长期下来腰肌劳损； 失稳破坏就是，担子不重，但是某种原因，一个趔趄摔得仰八叉。 如前述， 安济桥的安全系数很高，亦即担子并不算重。 安济桥的活载与恒载之比较小，应力幅小，所以疲劳破坏概率极低，这是长期不倒的一个重要方面。亦即不存在“腰肌劳损”。比如，轻轻弯折曲别针，它永远不会断（应力幅小）；如果使劲弯折曲别针，数次之后就会断（应力幅大）。 安济桥的整体造型和构建尺寸比较“敦实”，一般不存在失稳的问题。 反观现代结构，其安全系数通常没有那么高，活载与恒载之比较大，不同程度的存在“腰肌劳损”（应力幅较大）。 或许有人要问，那么咱们的“安全系数”再取高点不行吗？ 当然可以，但是安全水平的提升是需要代价的，简单说就是造价更高。假设安全系数提高1倍，造价也提高1倍，现在中国公路通车里程约540万公里。 选择题是：当下安全系数的540万公里和安全系数提高1倍的270万公里。选哪个？ 最佳平衡点在哪里？这是个问题。如若能给讲明白了，全球工程师都服你。 6、结构寿命 大家是否想过，自家起房造屋是否在一开始就确定了使用年限（结构设计寿命）？ 现代工程界通常会根据结构的使用功能在安全水平和结构寿命上给出一些规定。 比如，桥梁结构的设计使用年限通常有5、15、30、50、100、120年等。结构重要性越高，其设计寿命一般就越长，造价越高。对于设计寿命，通常指考虑了设计使用年限中必要的维修保养。这和大家熟知的汽车需要定时去保养、更换配件一样。也和人生病了需要吃药、看医生一样。当然，如若先天不足，那么后期维保可就辛苦了。 7、建造工期的影响 这个角度说来话长，但是很重要，简单总结一句。 合理的建造工期，是工程质量的保障。不合理的建造工期会严重影响工程质量。 比如，土体沉降固结的过程除了时间，其他的方法都不是很理想； 比如，某些结构的冬季户外施工不仅成本高，而且会导致各种缺陷。 …… 8、偶发事件 偶发事件可以大致分为两种： 一是，完全不可预料的“意外”； 二是，还算是可预料的“可能”。 大家通常所说的百年一遇洪水位、百年一遇地震烈度就属于后者。然而即便是后者，仅仅是准确预测就足够困难。以至于，截至目前仍然不能预测地震发生的时间和地点。 那么，在建造结构时如何考虑这种偶发事件的风险呢？ 以桥梁结构抗震为例，对于重要桥梁结构的抗震要求，在设计时通常是遵循“小震不坏、中震不倒、大震可修”的原则来控制。 至于何为小、中、大？用什么方法应对？需要多少代价？又是一个说来话长的话题。 在现代土木工程专业中，有专门的结构动力学分支，其下通常又分为抗风、抗震方向…… 有众多的工程师和研究人员还在不懈的努力。 说起完全不可预料的“意外”。 比如，据说历史上安济桥就有一次是因为有人在桥下烧火导致桥梁受损而进行维修的。 叁、小结 本文从技术层面简单聊了“为啥赵州桥千年不倒？”的话题。 从“幸存者偏差、建造的安全理念、材料、选址、荷载、结构寿命、建造工期、偶发事件”等方面进行了简述。实际上，安济桥的建造技艺中还有很多成功的方法，比如横向拉结整体、拱脚处地基处理妥当以应对水平推力和变形等等，此类文章很多，有兴趣的读者可以自行查阅。 当然，这是一个宽泛的问题，必然有众多视角可以去探讨。这里仅一家之言，未必妥当，欢迎大家在评论区探讨。 扩展阅读： 安全无上限，资源有上限
安济桥位于非岩石地基上的拱脚基础，千年之中居然没有显著水平位移，乃是神奇。 相较于陡拱结构，坦拱水平推力较大，拱脚处若有水平位移，对于拱桥来说是致命的，现代拱桥要么在选址上将拱脚落在基岩上，要么采用水平拉杆来平衡推力。而安济桥或许得益于12年建造过程中拱脚处地基处理后的自然固结时间充分，大部分土体蠕变已经在建造过程中发生，建成之后就比较小。又或许得益于桥头的压重建筑有效平衡了拱圈的水平推力。或者二者兼有，且还有其他综合因素所致。 根据所查阅的资料，桥址处土层对于只有竖向力的桥梁结构来说，算是好地基；而对于有水平推力的桥梁结构来说，却算不上。当然，安济桥仅37米跨度，也是一个重要前提，否则，这样的非岩石地基，在更大跨径的坦拱之下，恐怕就会发生难以克服的水平位移了。 |
2000.11.1，老北京网自创办之日起，已经运行了 天 | 老北京网
GMT+8, 2024-11-22 22:00 , Processed in 1.099190 second(s), 8 queries , MemCache On.
道义 良知 责任 担当
CopyRight © 2000-2022 oldbeijing Inc. All Rights Reserved.
