基于汴水虹橋和閩浙木拱橋的結(jié)構(gòu)探究

黃 蕾

（武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，福建 武夷山 354300）

汴水虹橋和閩浙木拱橋，均為我國古代橋梁建筑行業(yè)的經(jīng)典之作。

1 汴水虹橋

1.1 汴水虹橋簡介

汴水虹橋是我國虹橋結(jié)構(gòu)的典范之作，雖然其建筑實(shí)體已不復(fù)存在，但因?yàn)槊嫛肚迕魃虾訄D》中對其有體現(xiàn)，所以依然聞名于行業(yè)之中。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料《東京夢華錄》以及《澠水燕談錄》中的描述，汴水虹橋完全具有虹橋的兩個重要特點(diǎn)，即結(jié)構(gòu)上的“虛架無柱”以及形態(tài)上的“宛如長虹”。在結(jié)構(gòu)方面，汴水虹橋的采用的是無柱設(shè)計(jì)，對船只的順利通行起到了保障作用，同時(shí)其“長虹”的形態(tài)，也為橋梁良好的跨度起到了重要的保障作用。

1.2 汴水虹橋的結(jié)構(gòu)模型

在文獻(xiàn)《湮滅了九百多年》一文中，汴水虹橋的主拱由橫梁和縱骨兩部分組成，該模型可簡化成為二維結(jié)構(gòu)簡圖（如圖1所示），從而能夠更加直觀的對汴水虹橋的主拱結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行體現(xiàn)。

圖1 汴水虹橋二維結(jié)構(gòu)簡圖

由圖1可以看出，在汴水虹橋的主拱結(jié)構(gòu)之中，包含兩個縱骨系統(tǒng)以及橫梁。三節(jié)等長的木桿件也可被稱為“三節(jié)苗”，其共同組成第一系統(tǒng)；四節(jié)等長的木桿件也可被稱為“四節(jié)苗”，其共同組成第二系統(tǒng)。對橫梁進(jìn)行應(yīng)用，其主要作用就是與兩個縱骨系統(tǒng)進(jìn)行搭接，從而形成主拱系統(tǒng)的整體完整。

在圖1之中，左數(shù)的第一根橫梁的搭接固定構(gòu)成為三節(jié)苗的斜苗、四節(jié)苗的短斜苗以及四節(jié)苗的長；左數(shù)的第二根橫梁的搭接固定構(gòu)成為三節(jié)苗的斜苗、三節(jié)苗的平苗以及四節(jié)苗的長斜苗；左數(shù)的第三根橫梁的搭接固定構(gòu)成為四節(jié)苗的兩根長斜苗以及三節(jié)苗的平苗；左數(shù)的第四根橫梁的搭接固定構(gòu)成與左數(shù)的第一根橫梁相同；左數(shù)的第五根橫梁的搭接固定構(gòu)成與左數(shù)的第二根橫梁相同。

1.3 虹橋的受力分析

根據(jù)圖1，兩個縱骨系統(tǒng)均為由橫梁進(jìn)行搭接所形成的整體，可以將其搭接處視為節(jié)點(diǎn)。主拱系統(tǒng)接收到橋面板上的荷載時(shí)，在第二、第四節(jié)點(diǎn)處（即圖1中第二、第四根橫梁），第一系統(tǒng)于此將荷載傳遞至第二系統(tǒng)，在其余的節(jié)點(diǎn)處，，第二系統(tǒng)則能夠?qū)⒑奢d傳遞至第一系統(tǒng)，也就是說，以橫梁為媒介，兩個系統(tǒng)相互對荷載進(jìn)行傳遞，并且共同對來自于面板的荷載進(jìn)行承擔(dān)，最終實(shí)現(xiàn)將荷載傳輸至基礎(chǔ)地面。

2 閩浙木拱橋

2.1 閩浙木拱橋簡介

閩浙木拱橋主要可以分為兩個部分，分別是拱形的橋體以及橋上的廊屋，其具有“橋上有廊、廊下為橋”特點(diǎn)，將橋與廊進(jìn)行充分結(jié)合，其與周圍的景物相互進(jìn)行映襯，充分的體現(xiàn)除了我國園林設(shè)計(jì)中“道法自然”的設(shè)計(jì)原則。

2.2 閩浙木拱橋結(jié)構(gòu)分析

在主拱結(jié)構(gòu)方面，閩浙木拱橋與虹橋具有較高的相似度，同樣由兩個縱骨系統(tǒng)與橫梁（可稱其為“牛頭”）進(jìn)行交叉搭接組成，并且其主體結(jié)構(gòu)同樣為拱形，并且其第一系統(tǒng)由三節(jié)苗所構(gòu)成，第二系統(tǒng)由五節(jié)苗所構(gòu)成。但是與虹橋不同的是，在閩浙木拱橋之中，其三節(jié)苗體系的組成為斜苗與平苗由兩個大牛頭進(jìn)行搭接并形成一個整體結(jié)構(gòu)，五節(jié)苗體系的組成則是斜苗與平苗由四個小牛頭進(jìn)行搭接并形成一個整體結(jié)構(gòu)。兩個系統(tǒng)相互進(jìn)行穿插，并形成一個主拱系統(tǒng)，與此同時(shí)，對剪刀苗、馬腿以及將軍柱進(jìn)行架設(shè)，不僅能夠增強(qiáng)橋體的結(jié)構(gòu)，還能夠有效避免橋體發(fā)生側(cè)移。

2.3 閩浙木拱橋的受力分析

閩浙木拱橋的外部荷載主要為橋面上的車、馬、行人以及橋上廊屋的自重，通過橋面苗，荷載能夠被傳輸至主拱結(jié)構(gòu)當(dāng)中。與虹橋相似的是，在相互進(jìn)行穿插的兩個縱骨系統(tǒng)之間，其荷載力同樣能夠相互進(jìn)行傳遞，最終能夠傳輸至基礎(chǔ)部分，之后，基礎(chǔ)部分所產(chǎn)生的反作用力，實(shí)現(xiàn)橋體的受力平衡。

對剪刀苗和馬腿進(jìn)行應(yīng)用，主要目的是分擔(dān)桿件的軸向力，將剪刀苗和馬腿抵架在將軍柱上，以保證橋體的軸向穩(wěn)定性。

3 使用SAP2000 軟件實(shí)施模擬分析

應(yīng)用專業(yè)軟件SAP2000 進(jìn)行，借助靜力分析法對梁單元進(jìn)行模擬，并將兩種模型簡化成平面體系。在平面體系之中，將橫梁視為桁架，將節(jié)點(diǎn)使用鉸接進(jìn)行代替，使用木材作為主要材料；與此同時(shí)，為了對不同結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行更加直觀的展示，提高對比分析工作的便利性，將兩種模型的跨度設(shè)置為20m，按照比例對其他尺寸進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；全部荷載在結(jié)構(gòu)上均勻分布，荷載大小為5KN，共有5 處。根據(jù)sap2000 所生成的不同模型的彎矩圖、剪力圖及最大撓度，可以得到：（1）汴水虹橋：彎矩為2.88 KN·M，剪力為1.98 KN，撓度為8.58mm；（2）閩浙木拱橋：彎矩為4.8 KN·M，剪力為2.87 KN，撓度為11.48 mm。

可以發(fā)現(xiàn)，在相同跨度以及相同荷載的情況下，虹橋結(jié)構(gòu)模型在彎矩、剪力以及撓度方面的數(shù)據(jù)均小于閩浙木拱結(jié)構(gòu)。

4 總結(jié)

在本文中，筆者首先對汴水虹橋以及閩浙木拱橋的結(jié)構(gòu)以及受力原理進(jìn)行了深入的分析。通過應(yīng)用SAP2000 軟件對橋梁模型進(jìn)行相應(yīng)的分析，認(rèn)為在相同跨度以及相同簡單豎向荷載作用的情況下，虹橋表現(xiàn)出更大的剛度。