李春,隋代造桥匠师,现今河北邢台临城人士。李春设计和建造的赵州桥,开创了我国桥梁建造的崭新局面,为我国桥梁技术的发展作出了巨大贡献。
美国土木工程师学会将赵州桥选定为“国际历史土木工程的里程碑”,并在桥北端东侧建造了“国际历史土木工程古迹”铜牌纪念碑。
隋朝统一中国后,结束了长期以来南北分裂、兵戈相见的局面,促进了社会经济的发展。当时的赵州是南北交通必经之路,从这里北上可抵重镇涿郡,南下可达京都洛阳,交通十分繁忙。
可是这一交通要道却被城外的洨水所阻断,影响了人们来往,每当洪水季节甚至不能通行。为此,隋朝政府决定在洨水河上建设一座大型桥梁,以结束长期以来交通不便的状况。李春受命负责设计和大桥的施工。
李春监造的赵州桥又称安济桥,在石家庄东南的赵县城南2600米处,横跨洨水南北两岸。因桥体全部用石料建成,俗称“大石桥”。
赵州桥独特的建筑结构、新颖的创新设计,以及它特有的建筑特点,令古今中外无数人赞叹。
在选择桥址时,李春根据自己多年丰富的实践经验,经过严格周密勘查、比较,选择了洨河两岸较为平直的地方建桥。这里的地层是由河水冲积而成,地层表面是久经水流冲刷的粗砂层,以下是细石、粗石、细砂和黏土层。
根据现代测算,李春选的桥址,地层每平方厘米能够承受4至6千克的压力,而赵州桥对地面的压力为每平方厘米5至6千克,能够满足大桥的要求。选定桥址后在上面建造地基和桥台。自建桥后桥基仅下沉了5厘米,说明这里的地层非常适合于建桥。
桥址选好后,李春就地取材,选用附近州县生产的质地坚硬的青灰色砂石作为建桥石料。
在石拱砌置方法上,均采用了纵向即顺桥方向的砌置方法,就是整个大桥是由28道各自独立的拱券,沿宽度方向并列组合而成;拱厚皆为1米,每券各自独立、单独操作,相当灵活。每券砌完全合拢后就成一道独立拼券砌完一道供券,移动承担重量的“鹰架”,再砌另一道相邻拱。
这种砌法有很多优点,它既可以节省制作“鹰架”所用的木材,便于移动,同时又利于桥的维修,一道拱券的石块损坏了,只要嵌入新石,进行局部修整就行了,而不必对整个桥进行调整。
在保持大桥稳定性方面,为了加强各道拱券间的横向联系,使28道拱组成一个有机整体,连接紧密牢固,李春在建筑结构上采取了一系列技术措施:
首先,每一拱券采用了下宽上窄、略有“收分”的方法,使每个拱券向里倾斜,相互挤靠,增强其横向联系,以防止拱石向外倾倒;在桥的宽度上也采用了少量“收分”的办法,就是从桥的两端到桥顶逐渐收缩宽度,从最宽9.6米收缩到9米,以加强大桥的稳定性。
其次,在主券上均匀沿桥宽方向设置了5个铁拉杆,穿过28道拱券,每个拉杆的两端有半圆形杆头露在石外,以夹住28道拱券,增强其横向联系。在4个小拱上也各有一根铁拉杆起同样作用。
再次,在靠外侧的几道拱石上和两端小拱上盖有护拱石一层,以保护拱石;在护拱石的两侧设有勾石6块,勾住主拱石使其连接牢固。
最后,为了使相邻拱石紧紧贴合在一起,在两侧外券相邻拱石之间都穿有起连接作用的“腰铁”,各道券之间的相邻石块也都在拱背穿有“腰铁”,把拱石连锁起来。
而且每块拱石的侧面都凿有细密斜纹,以增大摩擦力,加强各券横向联系。这些措施的采取使整个大桥连成一个紧密整体,增强了整个大桥的稳定性和可靠性。
赵州桥的创新设计可谓独具匠心,有突出的特点:
一是采用圆弧拱形式设计。赵州桥的拱用于跨度比较小的桥梁比较合适,而大跨度的桥梁选用半圆形拱,就会使拱顶很高,造成桥高坡陡、车马行人过桥非常不便。
同时,半圆形拱石砌石用的脚手架就会很高,增加施工的危险性。为此,李春和工匠们一起创造性地采用了圆弧拱形式,使石拱高度大大降低。
赵州桥的主孔净跨度为37米,而拱高只有7米,拱高和跨度之比为1:5左右,这样就实现了低桥面和大跨度的双重目的,桥面过渡平稳,车辆行人非常方便,而且还具有用料省、施工方便等优点。当然圆弧形拱对两端桥基的推力相应增大,需要对桥基的施工提出更高的要求。
二是采用敞肩设计。这是李春对拱肩进行的重大改进,把以往桥梁建筑中采用的实肩拱改为敞肩拱,即在大拱两端各设两个小拱,靠近大拱脚的小拱净跨为3.8米,另一拱的净跨为2.8米。
这种大拱加小拱的敞肩拱具有优异的技术性能。其一,可以增加泄洪能力,减轻拱可洪水季节由于水量增加而产生的洪水对桥的冲击力,大大降低洪水对大桥的影响,提高大桥的安全性。
其二,敞肩拱比实肩拱可节省大量土石材料,减轻桥身的自重。据计算4个小拱可以节省石料26立方米,减轻自身重量700吨,从而减少桥身对桥台和桥基的垂直压力和水平推力,增加桥梁的稳固。
其三,增加了造型的优美。4个小拱均衡对称,大拱与小拱构成一幅完整的图画,显得更加轻巧秀丽,体现建筑和艺术的完整统一。
其四,采用敞肩也符合结构力学理论。敞肩拱式结构在承载时使桥梁处于有利的状况,可减少主拱圈的变形,提高了桥梁的承载力和稳定性。
三是采用单孔设计。我国古代的传统建筑方法,一般比较长的桥梁往往采用多孔形式,这样每孔的跨度小、坡度平缓,便于修建。但是多孔桥也有缺点,如桥墩多,既不利于舟船航行,也妨碍洪水宣泄;桥墩长期受水流冲击、侵蚀,天长日久容易塌毁因此,李春在设计大桥的时候,采取了单孔长跨的形式,河心不立桥墩,使石拱跨径长达37米之多。这是中国桥梁史上一个空前的创举。
除了建筑原理和创新设计之外,赵州桥还具有“三绝”:
一是“券”小于半圆。我国习惯上把弧形的桥洞、门洞之类的建筑叫做“券”。一般石桥的券,大都是半圆形。但赵州桥跨度很大,从这一头到那一头有37.04米。如果把券修成半圆形,那桥洞就要高18.52米。
这样车马行人过桥,就好比越过一座小山,非常费劲。赵州桥的券是小于半圆的一段弧,这既减低了桥的高度,减少了修桥的石料与人工,又使桥体非常美观,很像天上的长虹。
二是“撞”空而不实。券的两肩叫“撞”。一般石桥的撞都用石料砌实,但赵州桥的撞没有砌实,而是在券的两肩各砌一两个弧形的小券。这样桥体增加了4个小券,大约节省了180立方米石料,使桥的重量减轻了大约500吨。
而且,当洨河涨水时,一部分水可以从小券往下流,既可以使水流畅通,又减少了洪水对桥的冲击,保证了桥的安全。
三是洞砌并列式。它用28道小券并列成9.6米宽的大券。可是用并列式砌,各道窄券的石块间没有相互联系,不如纵列式坚固。
为了弥补这个缺点,建造赵州桥时,在各道窄券的石块之间加了铁钉,使它们连成了整体。用并列式修造的窄券,即使坏了一个,也不会牵动全局,修补起来容易,而且在修桥时也不影响桥上交通。
赵州桥建成后,成为我国北南交通的要冲,有“坦途箭直千人过,驿使驰驱万国通”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,为洨水两岸人员来往提供了便利条件。
这座大桥从605年建成到现在,已有1400多年的历史,经历了10次水灾,8次战乱和多次地震。1963年的水灾大水淹到桥拱的龙嘴处,据当地的老人说,站在桥上都能感觉桥身很大的晃动。
特别是1966年邢台发生7.6级地震,赵州桥距离震中只有40多千米,都没有被破坏。著名桥梁专家茅以升曾经说:先不管桥的内部结构,仅就它能够存在1400多年就说明了一切。
李春在设计和施工中创下许多技术成就,把我国古代建筑技术提高到一个全新的水平,也为中国在桥梁建筑上赢得了全世界的赞誉。
[旁注]
赵州 即今石家庄市赵县,位于华北平原中南部,太行山东麓。现存最早、保存最完整的单孔敞肩石拱桥,被誉为“世界桥梁鼻祖”和“天下第一桥”。
拱券 一种建筑结构。简称拱,或券,又称券洞、法圈、法券。它除了竖向荷重时具有良好的承重特性外,还起着装饰美化的作用。其外形为圆弧状,由于各种建筑类型的不同,拱券的形式略有变化。
跨度 建筑物中,梁、拱券两端的承重结构之间的距离,两支点中心之间的距离。在建筑工程中,按设计图标注的相邻两横向定位轴线的跨距。
洨水 古水名,亦称洨河。源出河北井陉东南,东南流至宁晋南合槐河。据《水经注》说:“首受蕲水干今安徽宿县北,东南流与涣水合流入淮。”相当今沱河。洨水以赵州石桥而名闻天下。
圆弧拱 圆弧拱是取某圆周的一部分构成巷道拱部的形状。拱形圆滑一致,在巷道周围压力作用下不易产生应力集中,支护结构受力状态好。此断面利用率较高,可减少开挖工程量,施工技术亦较简单,是采用较多的一种断面形式。
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赵州桥有一段美丽的传说:相传赵州桥是鲁班所造。这座大桥建成后,“八仙”之一的张果老约了柴王爷一同来试桥。张果老倒骑毛驴,驴背褡裢里装着日、月;柴王爷推上小车,运载着五岳名山,行至桥中央,将桥压得摇摇欲坠。
鲁班见状不妙,纵身跳入水中,用手将桥托住,石桥安然无恙。于是,桥面上留下了清晰的驴蹄印、车道沟;桥底留下鲁班的手印。当然这只是人们编造的一个神话故事,以纪念古代的能工巧匠。