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中國古代橋梁技術的發(fā)展
2010-06-04 來源:中國橋譜


    據(jù)考古發(fā)掘分析,中國真正意義上的橋梁誕生于氏族公社時代,也就是距今4000 至6000 年前。經過數(shù)千年的發(fā)展,在東漢時期,基本形成了梁橋、拱橋、吊橋、浮橋四種橋梁基本體系。進人隋、唐、宋時期,古代橋梁建筑技術達到了巔峰,隨后的元、明、清三代,將前代的造橋技術進行了全面總結,初步形成了各種橋型的設計、施工規(guī)范。19 世紀后期,隨著工業(yè)革命成果的傳播,以磚、木為主要材料的古代橋梁漸漸淡出歷史舞臺。

    梁橋

    梁橋以其結構簡單、建造方便,在橋梁史上最早出現(xiàn)??脊虐l(fā)現(xiàn),陜西省西安的半坡村遺址已有獨木、排木梁橋存在的可能。由此上溯兩千年,浙江省河姆渡遺址就已經有了木構梁橋存在的跡象。原始公社時代生產力低下,因使用的工具絕大部分是石制工具,又稱石器時代,只能對木材進行粗糙的加工,以木梁橋跨越天塹是唯一的選擇。

    經過了漫長的數(shù)千年,鐵器時代的來臨,才使加工大型石料成為可能,石材成為主要的建筑材料,石梁橋才應運而生。同時,鐵制工具對木材的加工也更為精細,許多規(guī)模宏大,加工精美的木梁橋開始出現(xiàn)。建于公元22 年的灞橋,計67 跨,以石為墩,以木為梁,是石木完美結合的代表作。幾乎與此同時,廣西、浙江等地出現(xiàn)了兩三塊條石鋪就的石墩石梁橋。

    東漢以后,尤其是隋、唐、宋三代拱橋的異軍突起,一度使梁橋黯然失色,但石梁橋仍以它結構簡潔、穩(wěn)定,石材加工簡單,建造方便,造價低廉的優(yōu)勢,在許多運輸便利,石料充足的地區(qū)廣泛采用,其技術成就和藝術成就同樣達到了極高的水準。如山西省太原晉祠的魚沼飛梁,其建造之精美,結構之獨特,在中國橋梁史上絕無僅有。在福建沿海地區(qū),長大的跨海橋梁也多采用石梁結構,長十余米,重達數(shù)噸的石梁,依仗著便利的水上運輸送達橋址,再利用潮汐的漲落架設石梁,建成了長達千余米,甚至兩千余米的長橋,其中,福建省泉州市的洛陽橋、安平橋最負盛名,值得一提的是洛陽橋,不僅首開中國跨海石梁橋的先河,還首創(chuàng)了以牡礪膠結基礎的“殖礪固基”法和穩(wěn)固的筏型基礎,這一發(fā)明保證了橋梁在近千年驚濤駭浪、滄海桑田的洗禮之后仍屹立不倒。

    木梁橋由于材料的耐久性差,在石梁橋興起之后建造的越來越少。但在大型石材采集、運輸不便的地方,人們發(fā)明了一種更為新穎、實用的木梁廊橋。在唐、宋時代建筑技術全面進步的基礎上,橋上蓋屋,以瓦覆之,不僅保護了木梁不受風雨侵蝕,也避免了路人櫛風沐雨之苦。浙江省的百梁橋、熟溪橋當屬此類的佼佼者;后世的廣西壯族自治區(qū)三江程陽橋更是以其規(guī)模宏大,設計奇巧,風格獨樹一幟而聞名于世。
 

簡支梁橋由于受材料實用尺寸的限制,不可能建造大跨徑橋梁,為了增大跨徑,減少墩臺,懸臂梁橋應運而生。懸臂梁是在木梁一端施以重壓,另端伸向對岸,節(jié)節(jié)伸出,然后在兩個懸臂端之間架簡支梁,從而達到增加跨徑的目的。前文提到的熟溪橋、程陽橋也都是懸臂木梁橋的佳構杰作。木“虹”橋的出現(xiàn)的確有點匪夷所思,它的結構與以往的橋式和任何建筑結構都少有繼承關系,與石拱橋的受力方式也頗有區(qū)別。它由兩組木排穿插疊架在一起,形成兩個受力系統(tǒng)組成的“木拱”。據(jù)分析,此類橋梁外型酷似拱橋,也具備一些拱橋的受力特征,但從兩套木排梁的角度分析,在承受荷載時,木梁受彎而不受壓,不像拱券石受壓而不受彎,受力特點更接近斜撐木懸臂梁橋。據(jù)專家對《 清明上河圖》 中所繪沛梁虹橋的分析推算,該橋長192 米,凈跨16 . 5 米,寬8 至9 米,并列有21 組圓木。圓木直徑約40 厘米,分兩個系統(tǒng),外面一組構成第一系統(tǒng),由2 根長圓木和2 根短圓木組成,里面一組為第二系統(tǒng),由3 根等長圓木組成,共11 組第一系統(tǒng)和10 組第二系統(tǒng)組成在兩個系統(tǒng)的交會點,設置橫貫全橋的橫木,共有5 根,橫木起到了聯(lián)系兩個系統(tǒng)、穩(wěn)定結構、橫向分配活載的作用,用條石砌筑兩岸橋臺,承擔“拱”的推力,臺前還留有纖道,不僅結構合理,設計也頗為周到。在北宋時期,能達到16 . 5 米跨徑的石橋也不多見。據(jù)史料記載,最大跨徑的木“虹”橋可達40 米,超過了趙州橋的跨徑。木“虹”橋降低了自重,增大了跨徑,但由于材料的原因,不易長久,以致這一技術一度失傳,保存到今天的更是鳳毛麟角。如甘肅省的溺陵橋由于地處干燥的西北地區(qū),又有橋廊庇護,員經600 余年風雨至今尚存。

    除懸臂木梁之外,懸臂石梁也不鮮見。懸臂梁橋對現(xiàn)代梁式體系中的許多橋式產生了深遠影響。

    拱橋

    拱橋在橋梁史上出現(xiàn)的時間最晚,但是流風所及,不僅主導了古代橋梁的發(fā)展走向,也在現(xiàn)代橋梁體系獨樹一幟。

    磚的發(fā)明有人認為始于東漢,但據(jù)考古發(fā)掘,中國早在戰(zhàn)國時期(公元前475 年至公元前221 年)就已經出現(xiàn)了磚墓室。磚的發(fā)明是建筑史上的一次革命,磚與石、木不同的不僅僅在于它是人造建材,更在于它便于成型,外觀整潔,尺寸規(guī)范,易于施工,這就為拱的發(fā)明提供了物質基礎。世界上對拱結構的起源眾說不一?;蛘J為起源于自然界溶洞天然拱,或認為起自崩落的堆石拱,或認為由于砌墻開洞,逐漸由“假拱”演變而成。在中國,拱的起源據(jù)文獻記載始于公元前2 世紀末的西漢王朝。漢武帝元朔二年(公元前127 年)所建的麻彌圖一號墓墓室就是磚券頂,凈跨達到1 . 64 米。“券”即現(xiàn)代漢語的拱圈之“圈”,是“拱”的意思,“法券”、“卷甕”都是中國古代的建筑術語,意為“砌拱”。更早的記載還有《 禮記》 “蓬戶甕牖”之說,即用破壇子砌造窗戶。陶甕則是一種更早的人造“建筑材料”,當然那時所砌的并不是真拱,更不是拱橋,只是拱的雛形。從墓葬結構及僅存實物來看,自東漢(公元25 至220 年)起,券頂、彎頂都比較完善,磚拱技術已十分成熟?,F(xiàn)存有文字記載最早的橋梁― 方順橋是一座石拱橋,建于公元309 年,晚于東漢磚拱頂100 多年,規(guī)模已相當宏大,長13 米,寬8 米,大拱跨徑達13 . 3 米,遠遠超出了同時代石梁橋的跨徑。
 
    石拱橋是在墩臺之間以拱形構件承重,構件在承受荷載時,墩臺支點處產生水平推力,使拱內產生軸向壓力,減小了跨中彎矩,使石材的耐壓特性得以充分發(fā)揮,因此石拱的跨越能力大大高于石梁橋,從而提高了橋梁跨徑。石拱橋的出現(xiàn)使中國古代橋梁進人了一個新紀元。

    這個新紀元的扛鼎之作― 趙州橋,一舉將中國古代石拱橋技術提高到一個令人瞠目的程度。建于隋朝的趙州橋是一座單孔空腹坦拱石拱橋,主橋孔凈跨37 . 02 米,凈矢高7 . 23 米,矢跨比達到l 比5 . 12 ,是一座很坦的圓弧拱橋,全橋長50 . 83 米,寬9 米,主拱圈并列28 道,拱厚1 . 03 米,拱石長1 米,最大重量為l 噸。在主拱圈之卜,鑲有自拱腳處厚度為24 厘米、拱頂處厚度為16 厘米的變厚度護拱石。護拱石在空腹段為滿鋪,實腹段僅鑲于橋的兩側。拱圈外形尤如變截面拱。為減輕橋梁自重,大拱之上,兩側各伏有兩個小拱??拷澳_處的小拱,凈跨為3 . 8 米,另一小拱凈跨為2 . 85 米,圈石厚65 厘米。每個小拱圈的東西兩外側,各鋪設一層厚約16 厘米的護拱石。小拱亦為并列砌筑。趙州橋的石拱橋跨徑紀錄,直到1959 年湖南黃虎港橋的建成才被打破,長達1300 余年。趙州橋制作精良,結構獨創(chuàng),造型上既穩(wěn)重又輕巧,正如橋頭關帝閣兩楹對聯(lián)所寫:“船從碧玉環(huán)中過,人在蒼龍背上行”。趙州橋的建成令當時相當杰出的小商橋、橋樓殿橋都黯然失色,不僅如此,其橋式成為后世建造單孔空腹坦拱石拱橋的范本。

    厚墩聯(lián)拱石拱橋的出現(xiàn)略晚于空腹式石拱橋。從技術結構上講,厚墩聯(lián)拱是單拱的集合體,每拱單獨受力,一拱受力或受損,不及其他,墩臺粗大厚重,承重能力很強,特別適合北方以車為主要交通工具地區(qū),此外,這種橋式還具有較強的抵御洪水沖擊能力,因此在南方山區(qū)亦很實用。著名的北京市的盧溝橋、云南省的雙龍橋均屬此列。北京市頤和園十七拱橋也采用這種橋式,可能是要體現(xiàn)皇家園林的氣派,昭示帝王基業(yè)的穩(wěn)固,并無實際價值。
 

與厚墩聯(lián)拱相對應的是薄墩聯(lián)拱石拱橋,多見于南方軟基水網地區(qū),一般采用木樁基礎的柔性墩臺,一孔受力,引起橋墩變形,將力傳遞到相鄰拱圈,令體拱協(xié)助受力,分解了作用在墩臺上的水平推力,這種結構減少了墩臺重量和體積,不僅降低了水下工程量,也便利船只航行。此類橋式在以水運為主要交通方式的江浙地區(qū)非常多見,其中最著名的是建于唐朝的蘇州寶帶橋。

    石拱橋是中國古代橋梁建設中最普遍采用的結構形式,拱圈類型也多種多樣,浙江省嵊縣公元1836 年建成的玉成橋,其石拱已呈現(xiàn)代拱橋常用的懸鏈線狀,接近現(xiàn)代拱橋,中國古代拱橋的技術成就由此可見一斑。

    吊橋

    吊橋又稱索橋,是跨越能力最強的橋式,多見于中國西南高山峽谷、水流湍急的地區(qū)。吊橋種類很多,根據(jù)索材,可分為藤索吊橋、竹索吊橋和鐵索吊橋等;根據(jù)結構,可分為單索、雙索、三索、多索,單跨、雙跨和多跨等等。其中多索單跨、雙跨鐵索橋最為常見。

    藤索吊橋出現(xiàn)的年代最早,但由于橋的規(guī)模較小,又地處深山峽谷,少有文獻記載。專家根據(jù)科技發(fā)展規(guī)律判斷:無須過多加工,耐拉能力很強的天然藤條應該是人類最早利用的索材。有些藤條自然生長攀越峽谷,形成天生吊橋,但無論天生吊橋還是人工藤索橋都是簡易橋梁,牲畜都很難通過,可謂吊橋的雛形。

    竹索橋的出現(xiàn)晚于藤索橋,顧名思義是以竹蔑為索材。公元前3 世紀,西蜀太守李冰在成都附近建造七橋,其中一座為竹索吊橋,后世文獻多有記載,可見規(guī)模不小,且至少存在了600 年。最著名的竹索橋是四川省都江堰安瀾橋,始建年代不詳,宋代前名珠浦橋,宋初用竹索建吊橋,改名“評事橋”,明末改橋為渡,名“伏龍渡”,清朝嘉慶八年(公元1803 )用竹索重修索橋,名為“安瀾橋”,20世紀70年代改建為鋼索橋。關于竹索吊橋,在西南竹鄉(xiāng)有不少記載,由于索材易腐,現(xiàn)已很難見到。

   
    在冶鐵技術成熟以前,許多地方就地取材,建成了各種各樣的吊索橋。最特殊的要數(shù)西藏自治區(qū)日喀則以牛皮為主索的彭錯嶺索橋,它建于1800 年前,長達230 米,利用地形在江心設墩,飛渡雅魯藏布江,吊索以牛皮擰搓而成,涂以酥油,歷久不腐,直到20 世紀七十年代才更換成鐵鏈,值得一提的是其江心石墩,以亂石干砌,底部以巨木為樁,插于江心,迎千年激流而不潰,在世界橋梁史上堪稱一絕。

    隨著冶鐵技術的普及,以鐵索為主要索材的鐵索橋才使吊橋真正成為一個獨立橋式,與梁橋、拱橋比肩而立。中國鐵索橋最早的記載出現(xiàn)在唐朝,但留存至今的大部分為明朝所建。建于1475 年的霽虹橋,位于云南省保山永平縣博南古道的蘭津渡口,跨瀾滄江,是中國最早的有詳細文字記載的鐵索橋之一。據(jù)茅以升主編的《 中國古橋技術史》 記載:“古以舟渡,兩岸高險,橫亙大竹索為梁,上布簣,簣上實板,其穿索石孔相傳為孔明所鑿。元• 元貞年間(公元1295 至1297 年)也先不花西征,易以巨木,后改舟渡。明• 成化中(公元1465 至1487 年)僧了然建鐵索橋,清• 順治年間(公元1644 至1661 年)重修。兩端系鐵纜16 根,覆板纜上,南北筑四座關樓,橋西崖題曰西南第一橋。清代屢經重修,置鐵索18 根,橋凈跨57 . 3 米,兩岸橋臺長56 . 1 米,總長1 13 . 4 米。”1986 年,東岸橋臺毀于洪水。據(jù)《 中國公路》 雜志2000 年17 期載文《 重建霽虹橋記事》 報道:云南保山洞經協(xié)會募捐重建,歷時3 年,募資10 萬元,于1999 年底建成。新橋位于舊橋上游20 米處,為鋼索吊橋。

    中國最著名的鐵索吊橋是四川省甘孜的瀘定橋,跨徑達100米,是中國古橋中跨徑最大的橋梁之一,由13根鐵鏈組成,4根為兩側護欄,9根底索并排橫越大渡河,上鋪木板成為橋面,寬達3米,鐵索兩端繞過石砌橋臺頂部,錨固于橋臺背后底部,這種錨固形式在古代鐵索橋中最為常見。

    中國古代吊橋數(shù)量不多,但建造工藝非常領先,這也為現(xiàn)代懸索橋提供了寶貴啟示。

    浮橋

    浮橋是在江河之上聯(lián)結可浮體的一種特殊橋型,又稱舟橋、橋航。一般為臨時橋梁,適用于寬闊的大江大河,在黃河、長江上曾建過不少,但現(xiàn)已不存。

    浮橋以船為主體,以竹纜、鐵鏈聯(lián)結,上鋪木板,供行人車馬通行,為加強穩(wěn)定性,竹纜、鐵鏈需在兩岸錨定。山西省蒲津渡浮橋以竹索系船,始建于公元前257 年,是有記載的第一座固定式浮橋,至唐開元十二年(公元724 年)改竹索為鐵鏈。在東岸和河心洲上各鑄4 牛4 人以錨掛鐵鏈,再系上巨船成浮橋。1989 年在山西省永濟發(fā)掘出唐代蒲津浮橋東岸,錨錠浮橋鐵索的4 頭各10 多噸重的4 個真人大小的鐵人,鑄造精良,氣韻生動。因鐵牛鑄于唐朝開元年間,故稱“開元鐵牛”,此橋當時是黃河上的重要通道。

    浮橋歷史悠久,但由于其本身穩(wěn)定性差、阻礙通航、易于損壞,現(xiàn)在已很少建造,大多因軍事用途而臨時搭建,不能成為主流橋型。

    總之,中國古代輝煌的造橋技術,特別是石拱橋的建造技術,為現(xiàn)代橋梁建設奠定了良好的基礎,許多工藝、經驗和理論仍在現(xiàn)代橋梁建設中得以運用。

 


 


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