题目

谁有关于桥的科学原理啊?（力学,或与科学有关的）

提问时间：2021-12-13

答案

赵州桥,是一座弧型单孔石拱桥,全长64.4米,拱顶宽9米,结构坚固,雄伟壮观.它的设计完全合乎科学原理,施工技术堪称巧妙绝伦.古人说它“制造奇特,人不知其所为”.从整体来看,是一座单拱桥.拱长达37.4米,在当时可算是世界上最长的石拱.桥洞不是普通半圆形,而像一张弓,桥面平坦宽阔,兼顾了水陆交通,方便了车船运行,这种形式被称为“坦拱”.这一石拱是由28道拱圈纵向并列砌成,每道拱圈可独立站稳,自成一体,既便于施工,又便于单独修补.这样大跨度的坦拱,对桥台水平推力很大,建造难度高.而桥台却是既浅又小的普通矩形,厚度仅1.529米,由五层排石垒成.其地基是承载力较小的亚黏土.在这样的地基上,用这样的小桥台,建这样大跨度的石拱桥,在世界上是罕见的.
赵州桥最大的科学贡献,则在于它的“敞肩拱”的创造.在大拱的两肩,砌了四个并列的小孔,既增大流水通道,节省石料,减轻桥身重量,又利于小拱对大拱的被动压力,增强了桥身的稳定性.这就有力地保证了安济桥在1400多年的历史中,经受住无数次洪水冲击,8次大地震摇撼,以及车辆重压,至今仍巍然挺立在河之上.
赵州桥至今仍是世界上现存最早、保存最完善的古代敞肩石拱桥.赵州桥结构所取的方式,表现出一种极近代化的进步的工程精神.

□本报记者张红波／采访整理

赵州桥建于隋代大业年间（公元605-618年）,由著名匠师李春设计和建造,距今已有1400年的历史.赵州桥的地理位置,在古代“吞齐跨赵”,地处兵家必争之咽喉要路,交通任务十分繁重.自大桥建成之后,就一直作为实用性交通大桥而使用,直到1955年修缮前,仍在通行现代载重汽车.
赵州桥全长64.4米,拱顶宽9.6米,跨径37.02米,弧矢（拱顶到两拱脚的连线）高度是7.23米.直到1958年,它一直是我国跨度最大的石拱桥,且至今仍是世界上现存最早、保存最完善的古代敞肩石拱桥.古人称赞其“制造奇特,人不知其所为”.早在七十多年前,梁思成先生经过实地勘察和计算后惊讶地说：“赵州桥结构所取的方式,对于工程力学方面竟有非常的了解——表现出一种极近代化的进步的工程精神.”
为何设计成拱形
国家文物局古建筑专家罗哲文：
《石桥铭》中是这样说的：“两涯嵌四穴”,就是两边四个洞,“以***怒水之荡突”,就是说减小洪水对桥身的冲击,它的科学价值就大在这儿.这种结构名为敞肩拱,英语名为Openspan-drel,这是赵州桥最突出的特点.
清华大学土木工程系副教授张崇厚博士：
赵州桥最突出的技术成就,是创建了世界上第一座敞肩圆弧拱.国外圆弧拱的应用,虽较我国为早,但矢跨比（拱高与跨径的比值）较大,接近于半圆,而且为实腹拱.真正的敞肩圆拱,在西方迟至十九世纪才出现.在欧洲,直到1883年,法国在亚哥河上修建的安顿尼特铁路石拱桥和卢森堡建造的大石桥,才揭开欧洲建造大跨度敞肩拱桥的序幕,比赵州桥晚了近1300年.知道赵州桥的西方桥梁专家也都认为,赵州桥敞肩拱建筑,堪称现代许多钢筋混凝土桥梁的祖先,开了一代桥风.
赵州桥的“券”小于半圆,采用圆弧拱.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.二是“撞”空而不实,即敞肩型.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两个弧形的小券.这样桥体增加了四个小券,大约节省了一百八十立方米石料,使桥的重量减轻了大约500吨（减少自重15%%）.而且,当河流涨水时,一部分水可以从小券流过,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.
为何千年不坠
中国历史协会秘书长马执斌教授：
赵州桥选址合理,桥基坚实稳固.李春凭借丰富的施工经验,通过周密勘察,大胆使用天然桥基,把桥台建筑在河床密实的粗沙层上.桥台由五层石料砌成.根据解放后验算,一般粗沙地基的“许可耐压力”为每平方厘米4.5~6.6公斤,而赵州桥对地面的压力是每平方厘米5~6公斤.现代科学证明,这里的天然地基完全能够承受住大桥的载荷.据测量,自建桥至今,两边桥基下沉水平差只有五厘米.这充分说明桥址选择是多么符合科学原理!古代中国人的卓越才智,实在令人钦佩.
清华大学土木工程系副教授张崇厚博士：
赵州桥的桥台及基础构造十分巧妙.自重为2800吨的赵州桥,根基只是五层石条砌成高1.55米的桥台,直接建在自然砂石上.按现代力学理论验算,基底压应力与地基允许应力相接近,既安全又经济,古代匠师凭实践经验得出如此精确的结果,简直令人难以置信；另一方面,桥台很短,非常经济.另外赵州桥的拱轴线（即拱券的中心线）和恒载（一般为自重）压力线非常接近,充分考虑了石材耐压不耐拉的特点.由赵州桥结构本身提出的二线要重合这一重大课题,直到近代运用现代力学原理才得以解决,而我国早在1400年前已在实践中得到应用,确实令人称奇.再者,赵州桥的拱顶比拱脚窄60厘米,以防止券石倾斜,保持桥体稳定,其筹划可谓周密精详.
联合国教科文组织顾问、著名建筑考古学专家杨鸿勋教授：
赵州桥在保持大桥稳定性方面采取了许多严密措施.赵州桥的拱圈共有二十八道,三十五厘米宽的石头,二十八条、一块块石头叠成一个又一个三十五厘米的拱圈,二十八条这样的拱圈并在一起,它总是向中间凹进去就出来,就产生一个向内的水平分力,使这二十八条拱圈结合得更紧密,所以这个桥两边宽,中间窄,建筑史上有人把它叫做巴比伦式,因为古巴比伦文明发源于两河（幼发拉底河和底格里斯河）流域,石头建筑发展得很早,他们做了很多圈,包括门洞,包括桥洞.各块条石之间用两个形似锯子的“腰铁”相连,腰铁也叫“细腰”.腰铁镶进去以后,它互相错了位也拔不出去了,所以这个桥的整体性,虽然是二十八条单独的拱圈并列着,但是互相之间是有连接的,再加上顶面的石头,把这些石头再连上,它就把它拉在一起了.
为何会有驴蹄印
中国历史协会秘书长马执斌教授：
为什么桥身上会有传说中的驴蹄子印及桥腹上传说的鲁班的手掌印呢?据现代桥梁专家罗英先生按照工程原理推测,这些痕迹是行车指标和工程指标.由于赵州桥是采取纵向并列砌筑法修建的,两边如行重车,桥就容易损伤.桥面的驴蹄印都在东侧1/3的位置.这就是说,重载过桥如果太靠边,石拱券容易变形外倾发生危险,应当走中间.桥腹上的手掌印应当是一种工程指标,表示万一桥发生裂痕,可在手掌印处暂时支撑,以免立刻坍圮,可以从容维修.
完美实用的典范
国家文物局古建筑专家罗哲文：
我们中国的古建筑的技术水平,是非常之高的.比如说在秦汉时候,就有建设一百多米高楼的记载.我想当时在隋代,或者隋代以前,也许还有比赵州桥更大、更好的工程.但是仅仅就从赵州桥的科学水平、艺术水平来说,那是了不起的.公元七世纪初的中国正处于隋王朝时代,当时的建筑技术日趋成熟而又富有创造性,精美的桥梁建筑随处可见,而赵州桥为破译古人建桥技术提供了最好的实例.隋代的设计师与建造者们驾轻就熟地使用着石拱券这种古老而又坚固的建筑结构,同时又采用难度极大的大跨度弧线,巧妙地使这座巨大的石砌建筑看上去是如此地轻巧与和谐.正如著名的桥梁专家茅以升先生所说的那样：“我国古桥比起外国古桥来,如罗马、希腊、埃及、波斯古桥,都显得格外均匀、对称与和谐”.特别应该指出的是,聪明的中国人使用了拱上加拱的这种特殊设计,这在当时的世界上是个了不起的发明.
清华大学土木工程系副教授张崇厚博士：
正是由于赵州桥在世界桥梁史上的划时代地位,1961年3月4日,国务院公布赵州桥为第一批全国重点文物保护单位.1991年10月下旬,赵州桥被美国土木工程师学会选定为世界第十二处也是我国唯一一处“国际历史土木工程里程碑”,并赠送铜牌立碑纪念.这标志着赵州桥已与埃及金字塔、巴拿马运河、巴黎埃菲尔铁塔等世界著名历史古迹并称而齐名.