颐和园十七孔桥始建于清乾隆年间,永定河上的卢沟桥始建于宋代,四川达州的大丰高拱桥建于清同治七年,这些桥梁数百年来屹立不倒。
01儿泉结构
仔细观察这些桥梁的结构,就会发现它们有一个共同的特点:拱形结构。为什么拱形的桥梁如此坚固,以至于几百年后我们仍能见证它们的存在?
那我们就不得不提到悬链线了。悬链线出现在建筑领域,最早是由17世纪英国杰出的科学家罗伯特·胡克提出的,他认为悬链线自然下垂时,是最稳定的状态,反之,如果将悬链线置于相反方向,也应该是一种稳定状态。后来,悬链拱由此演变而来。
在物理学中,悬链线是指由于均匀的重力作用而悬挂在两个水平点之间的软绳形状。那么,为什么悬链线被认为是最稳定的呢?
这里就不得不提费马原理,科学家费马发现,任何一个稳定状态,都可以找到一个对应的最小作用量,也就是说钢管混凝土拱桥与钢结构拱桥和混凝土拱桥的对比,有最小作用量,才能呈现出最稳定的状态。
对于一根绳子来说,当它的两端固定,中间自然垂下时,它的重心最低,受到重力均匀吸引,此时它的重力势能最小[EP=mgh],所以作用量最小,处于最稳定状态。
02桥梁建设
我们以世界最大跨度钢拱桥广西平南三桥为例。
首先,需要做好拱桥施工的前期准备工作,然后按顺序安装各节拱肋,并通过计算选择合适的温度进行拱圈闭合;
然后向拱肋管内浇注混凝土,浇注完成后从两侧向中间对称安装桥面梁;
中段进行合龙作业,随后进行桥面施工及先前辅助设施拆除;
然后进行桥梁建设的收尾工作。桥梁全部建成后,进行负载测试,最后整座桥梁通车。至此,整个桥梁建设完成。
03桥梁建筑材料
当然,拱桥主体除钢结构外,还可以采用其他材料建造。
例如德渝高速公路乌江大桥是世界最大跨度上承式钢管混凝土拱桥,大桥全长1834米,其中主桥长504米。
还有丹河桥,为全空心变截面板岩拱桥,桥栏杆上镌刻有反映晋城市历史文化的石刻200余处,石狮约300只。
幸福胥江桥建于苏州胥江古运河上,是国内最大的重型木拱桥,其桩基虽为高强度混凝土钢管混凝土拱桥与钢结构拱桥和混凝土拱桥的对比,但桥身为木结构,可承重195吨。