電控張拉技術(shù)造拱橋

王若雨

橋是人類(lèi)跨越山河天塹的技術(shù)創(chuàng)造，從公元前6世紀(jì)巴比倫人建造的木橋，到羅馬人用石頭和混凝土建造的石拱橋，再到1779年出現(xiàn)在英國(guó)的第一座鐵橋，雖然材質(zhì)不斷更替，但無(wú)疑都給人類(lèi)帶來(lái)了生活的進(jìn)步和交通的便利。而拱橋就像天上的彩蟲(chóng)一樣，總能引起人們的美好聯(lián)想。拱橋的起源

拱橋是指以拱作為主要承重結(jié)構(gòu)的橋梁，而拱算是人類(lèi)在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最早也是最偉大的發(fā)明了。這是因?yàn)?，最早的拱僅僅應(yīng)用天然材料，就能夠承受軸向壓力并由兩端支點(diǎn)推力而維持平衡。

拱最早出現(xiàn)在公元前2000年的美索不達(dá)米亞的磚建筑中，而最早的拱形屋頂建筑，是修建于公元前1250年左右的希臘阿伽門(mén)農(nóng)墓，該墓頂為懸臂拱結(jié)構(gòu)，墓室內(nèi)高13.5米，底部跨度14.5米。現(xiàn)存最古老的石拱橋則是約公元前1300年的邁錫尼文明的Arkadiko bridge。

中國(guó)的拱橋始建于東漢中后期，差不多有1800多年的歷史了。雖然一直在發(fā)展，但無(wú)疑它們外形都是曲的，所以古時(shí)常稱為曲橋。在古文獻(xiàn)中，還有“囷”“窌”“竇”“甕”等字來(lái)表示拱。拱橋分為單孔拱橋和多孔拱橋，單孔拱橋如北京頤和園玉帶橋，拱券呈拋物線形，橋形如垂虹臥波。多孔拱橋常見(jiàn)的為三、五、七孔，著名的頤和園十七孔橋則有十七個(gè)孔洞，長(zhǎng)約150米，寬約6.6米，是連接昆明湖東岸與南湖島的一座長(zhǎng)橋。河北趙州橋的“敞肩拱”（就是在大拱的兩肩添加小拱，形成拱上拱）是中國(guó)首創(chuàng)，在園林中模仿此形式的很多。

優(yōu)美趙州橋

趙州橋不僅科技水平很高，而且造型十分優(yōu)美，具有獨(dú)特的民族藝術(shù)風(fēng)格。如“水從碧玉環(huán)中過(guò)，人在蒼龍背上行?！彼慕Y(jié)構(gòu)：主拱由28道相互獨(dú)立的拱券并列而成，建橋時(shí)先砌中間的，再砌兩邊的，每道拱券寬約35厘米，每石長(zhǎng)度不同，自70厘米至109厘米不等，各塊條石之間用兩個(gè)“腰鐵”相連。每條拱券壞了可單獨(dú)修理，因外側(cè)的拱券易風(fēng)化損壞，明代時(shí)橋西側(cè)的5道拱券塌落，在明清時(shí)重修。1955年對(duì)東側(cè)塌落的5道拱券進(jìn)行了重修，中間18道拱券還是隋代建筑的。

為了防止拱券向外倒，另外還采取了以下方法：

1.上窄下寬。為了防止拱券向外傾斜，拱腳寬9.5米，拱頂寬9米。

2.用9個(gè)鐵連桿橫向連接28道拱券。在拱券中用幾根一頭是孔，一頭是鉤的鐵連桿將28道拱券連起來(lái)，在最外邊的拱券處有一個(gè)鐵冒頭。在主拱上共有5處鐵拉桿，每個(gè)小拱上各有一個(gè)鐵拉桿。

3.用形似鋸子的腰鐵將各塊石料加固，每塊石料相連處用兩個(gè)腰鐵。

4.用6個(gè)條石鉤拉住外側(cè)橋拱，用1.8米長(zhǎng)，頭部長(zhǎng)出5厘米曲尺形的條石放在橋拱的外側(cè)，利用長(zhǎng)出部分起到一個(gè)向內(nèi)拉住橋拱的作用。因每道橋拱寬35厘米，條石可壓住外側(cè)5道橋拱。但它的作用是有限的，如橋東西兩側(cè)的橋拱都曾塌落，兩側(cè)外邊的5道橋拱都是后修的。

電控張拉技術(shù)造拱橋

20世紀(jì)30年代，預(yù)應(yīng)力技術(shù)和高強(qiáng)度鋼材技術(shù)相繼出現(xiàn)，拱橋獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是為方便交通航行的大跨度單孔橋。通過(guò)張拉鋼結(jié)構(gòu)拱橋的下弦桿使拱橋成形，但張拉過(guò)程非常復(fù)雜，張拉控制不易實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)在物理中的學(xué)習(xí)，并查閱大量資料，我終于總結(jié)出了一套簡(jiǎn)便的張拉及張拉控制方法。

張拉鋼結(jié)構(gòu)拱橋的下弦桿使拱橋成形：利用鋼結(jié)構(gòu)材料通電發(fā)熱、熱脹冷縮的原理，在鋼結(jié)構(gòu)拱橋的下弦桿中接入電流，桿發(fā)熱膨脹伸長(zhǎng)，固定桿的兩端，再降溫，拱橋的下弦桿回縮張拉拱橋成形。具體計(jì)算公式如下：

△L=α×△T×L

其中△L是下弦桿伸縮尺寸，α是下弦桿線膨脹系數(shù)，△T是溫差，L是下弦桿原長(zhǎng)度。

鋼結(jié)構(gòu)拱橋下弦桿變形伸長(zhǎng)量控制：利用鋼結(jié)構(gòu)拱橋的下弦桿長(zhǎng)度變化與其電阻變化的相關(guān)性，通過(guò)測(cè)定下弦桿在拉伸過(guò)程中的電流變化確定其長(zhǎng)度變化，進(jìn)而達(dá)到張拉控制的目的。具體計(jì)算公式如下：

R=ρL/S

R是電阻，ρ是電阻率，L是物理長(zhǎng)度，S是物體橫截面積。

電控張拉成形拱橋張拉成形過(guò)程示意圖如下：

結(jié)語(yǔ)：

拱橋造型優(yōu)美，曲線圓潤(rùn)，富有動(dòng)態(tài)感，但復(fù)雜的建造過(guò)程始終制約著其推廣應(yīng)用-發(fā)展，希望在不久的將來(lái)，我的發(fā)現(xiàn)——電控張拉成形拱橋能與電子信息技術(shù)、人工智能相結(jié)合，應(yīng)用于土木工程建設(shè)，應(yīng)用于現(xiàn)代橋梁建設(shè)，使張拉成形過(guò)程更簡(jiǎn)單、更便利、更科學(xué)，為大跨度拱橋施工建造提供—種全新、便捷的建造模式。