趙州橋的結構特點
趙州橋又名安濟橋,建于隋大業(公元605-618)年間,是著名匠師李春建造。橋長64.40米,跨徑37.02米,弧矢7.05m,弧半徑27.7m。兩小拱的半徑分別為2.3m和1.5m,跨度分別為3.81m和2.85m。小拱厚度為0.66m,大拱厚度為1.32m。是當今世界上跨徑最大、建造最早的單孔敞肩型石拱橋。因橋兩端肩部各有二個小孔,不是實的,故稱敞肩型,這是世界造橋史的一個創造(沒有小拱的稱為滿肩或實肩型)。
趙州橋距今已1400年,經歷了10次水災,8次戰亂和多次地震,特別是1966年邢臺發生的7.6級地震,距趙州橋僅有40多公里,趙州橋都未被破壞,著名橋梁專家茅以升說,先不管橋的內部結構,僅就它能夠存在1300多年就說明了一切。據記載,趙州橋自建成至今共修繕8次。古時缺少計算工具,計算理論也很欠缺,而且中國上下五千年肯定不乏像李春這樣的能工巧匠,可唯獨趙州橋能屹立千年而不倒,在工程和美學上都堪稱是古橋之中的魁首。這里面不能排除歷史的巧合的因素。但更重要的,還是有賴于古代匠師的定性分析能力,和工程經驗。
1. 伏拱敞肩
趙州橋首次在主拱的兩肩上各建兩個小拱——稱伏拱。挖去部分填肩材料,稱敞肩。敞肩有幾大益處。
第一,減輕了橋身自重,節省材料,也減輕了橋身對橋臺的垂直壓力和水平推力。使橋身變輕巧,下部結構變簡單。
第二,敞肩的四個小拱在洪災時能起到很好的泄洪作用,據橋梁專家推算,大約可增加過水面積16.5%。
第三,通過敞肩調整荷載分布,使恒載壓力線和大拱的軸線極為接近。拱的構造經濟合理。
2. 坦拱
趙州橋采用了現代橋梁學上的所謂坦拱,橋身跨度大而弧形平。這樣便于車馬通過,也兼顧了航運。但拱平會使拱對橋臺的水平推力變大,對橋臺和地基的要求較高。李春一方面采用敞肩減輕橋自重,另一方面采用縱向并列砌筑的施工方法,使每到拱券自成一體,如果一道拱券損壞不會影響全橋。
3. 采用天然地基上的淺基礎
按照常理推斷,趙州橋的坦拱形式,對橋臺和地基的要求較高。許多人猜測趙州橋的橋臺肯定會采用長后座型式的基礎,還可能有樁基。然而,橋梁專家們在1979年5月對趙州橋進行人工坑探后發現,趙州橋的橋臺是厚度僅1.549米的既淺又小的普通矩形,橋臺直接安放在輕亞粘土與亞粘土組成的第四紀沖積層上,這種天然地基土質均勻穩定,完全能承受大橋的荷載。這充分體現了以李春為代表的中國古代匠師的全局設計思想。