木拱桥结构原理-木拱桥结构原理
木拱桥,乍一看像是一般/平平的拱形门,但实际上,它把重力拉得支离破碎,却又把水气吸得干干净利落净。别急着画那些繁复的力学图,也别去谈啥“水平推力”这种玄学词汇。咱们就把它当成一块木头,一块在天上飞了八百年的木头,去听听它是如何“咽气”的。 想象一下,你站在老运河边,看那座老拱桥。桥面是平的,人走上去没啥感觉;可到了桥中间,桥身突然鼓起来,像个大肚子,没人在里面跑。
这肚子是拱起来的,但拱起来的重量去哪了?没人往桥下扔东西,但在桥面上,拱的形状本身就给人一种“往里压”的错觉。
实际上,拱桥是个庞大的压箱底,它把全身的重量,全体压缩在那条长长的脊梁上。
这根脊梁,就是桥面。拱桥的座右铭是“重不压墩”,意思是桥面不压桥墩,桥墩不压桥拱。
这话听着别扭,翻译成大白话就是:桥面不跟桥墩打架,桥墩不跟拱形硬碰硬。
为啥?出于拱形是个五行八卦图,是画在圆上的。当拱圈绷直的时候,它变得特别像一根绷紧的弓弦。弓弦拉得越紧,它要承受的外力就越小。拱桥就是如此个“魔鬼绞肉机”,不管你在桥面上多重,最终都压不弯这根弓。 大量人认定木拱桥就是木头搭的拱形,但这玩意儿比想象中更扎手。木料软,不好当东西,但木拱桥偏偏喜爱用木料做拱。
这玩意儿为啥能用?靠的不是硬度,是靠咬合。拱桥的拱圈,是一块块木头,头与头是对接的。就像你盖房子用榫卯,这拱桥得更讲究,这叫“对缝咬合”。你仔细看看老桥面,那些木头之间,缝隙里全是胶,全是榫。当拱圈绷起来的时候,木头的内胀力会迫使它们往外挤,而外挤力又会卡在另一块木头里,把两块木头死死按在一起。
这就好比把两块炭火炭,用胶水粘住,然后用力把它往中间压,它们越压越紧,越压越硬,最终形成了那个坚不可摧的拱形。
这种咬合力,比任何金属都强,出于木头之间没有接缝,全是物理咬合。 但这咬合是有代价的。拱桥的维持,靠的是“咬合”和“自重”这两股劲儿。拱圈绷起来,木头之间越紧,拱桥就越想把自己捏扁。一旦桥面受力,拱圈就会收缩,木头的咬合力瞬间减弱。
这时候,要是拱桥的弹性能量不够,要么木头的稳定性不够,拱桥就会“啪”地一声弹回原位,桥面就塌了。
故此,木拱桥最怕的就是“弹回力”忒大。
要是弹回力忒大,拱桥就会不断颤动,桥面上的人就会感觉到脚下的木头在上下打架。为了克服这个阻力,木拱桥的设计里,拱形一直要绷得挺直,哪怕桥面挺宽,拱的弧度也不能大。
这就让桥面看起来特别窄,像个窄缝,但实际上桥面挺宽。并且,木拱桥的拱圈,往往做得比梁桥窄,这样能省材料,让拱圈绷得更直,受力更均匀。 说到数据,老式的木拱桥,拱圈往往做得挺薄。
一般宽一尺多,厚不过半寸。但这不代表它轻飘飘的,它的密度挺高。大量老桥,拱圈的木料都是和桥墩、桥面一样做的,就连更厚一点。
为啥?出于拱桥的拱圈,主要承受的是压力,并且压力变化挺大。桥刚建成时,拱圈承受整个桥面的重量,这时候拱形最紧张,故此拱圈的承重本事务必极强。等桥面铺装上了,到了夏天,桥面热胀,拱圈受压,这时候木头的弹性模量就低了,拱圈就好办变形。为了应对这种波动,老桥的拱圈,注定要做得挺厚,挺结实。
你看那些几十层的高大拱桥,别看看起来只是木料,但每一层都要有几十厘米厚,这种厚度,放在目前的钢筋混凝土桥里,起码是要用十几层的梁板来替代的。 除了拱圈,木拱桥的侧帮也挺关键。拱桥的侧帮,实际上是拱圈的延伸,它的功能是防止拱圈往上甩。拱桥是个向上张力的结构,拱圈绷起来之后,整个桥像是在一个弹弓上,拱圈一松,桥面就可能往里缩,这时候侧帮就得拼命往里挤,把拱圈拉回来。侧帮一般也是拱形的,要么像某种特殊的曲线,跟拱圈咬合得更紧。
要是侧帮做得不够紧,拱圈一松,桥面就会塌下去。
故此,木拱桥的侧帮,往往要做得和拱圈一样高,就连还要比桥面高一点,形成一个个庞大的拱形斗拱。
这些斗拱,就是木拱桥的“肩膀”,它们死死扣住拱圈,让拱圈绷得更直,让桥面更稳。 木拱桥还有一个特征,就是桥面宽窄的难题。大量人当作桥面应当挺宽,这样人走才舒服。
实际上不然。木拱桥为了节省木材,拱圈做窄了,拱桥本身就能省掉一半以上的桥面。桥面窄了,桥体就轻了,拱圈就绷得直了。桥面窄了,桥身才能有充足的弹性能量,把拱圈拉回来。
要是桥面忒宽,拱圈就绷不紧,桥就塌了。
故此,老桥的桥面,往往挺窄,只有几尺宽。
你看那些古老的木拱桥,桥面中间窄,两头宽,中间只有十几厘米宽,两边两边宽,这宽度,放到目前的桥里,起码要加两倍的桥板厚度。但这窄,不代表桥面薄。桥面的厚度,全靠拱圈的弹性能和侧帮的咬合力撑着。 再说说老桥面的质感。老桥面,一般是平直的,没有现代公路桥那种微微的抬高。
为啥?出于桥面忒平,就没有拱桥那种“拱起来”的视觉张力。
要是你看老桥,桥面是平的,人走上去没啥感觉,但这意味着拱圈绷得特别紧,拱圈绷得紧,拱桥就特别稳。你要是看目前的桥,桥面往往都有小坡度,这是为了排水要么撇脱车辆行驶,但这会让拱圈略微松快一点,桥就松了一丢丢。
故此,老桥面的平直,恰恰是出于它用木头做拱,用咬合力做支撑,它不靠坡度来维持平衡,它靠的是那股子咬合力把桥面牢牢按在桥墩上。 老桥的桥墩,也是木头的。桥墩是拱圈的下端,它承受着拱圈传来的压力。拱圈把压力传给桥墩,桥墩就把压力传给地基。老桥的桥墩,往往做得和桥面一样宽,就连更宽。出于桥墩是拱圈的延伸,它和桥面一样,都需求承受压力。桥墩宽了,和拱圈咬合更好,传力更顺畅。 最终,老桥面有时候会分两层。最外层是铺了青砖要么生木头的,这层叫“面层”,给人走。里面一层是木拱圈和侧帮的底部,这叫“里层”。里层是拱桥的脊梁,是拱桥的心脏。面层铺在上面,为了防止拱圈松动,消减拱圈对桥面的压力。
要是面层松了,拱圈一松,桥面就塌了。
故此,老桥面的面层,务必比里层硬得多,厚度也要厚得多。
你看那些老桥,桥面铺了厚厚的青砖,里面里层的木头早就朽了,就连有的地方已经烂空了,但最外面的砖还在,一直顶到面层。
这砖,就是老桥的“底”,它死死压着里层,不让里层掉下去。 木拱桥,就是如此一个怪胎。它不靠材料硬,不靠结构强,它全靠木头之间的咬合力,靠拱圈的张力,靠侧帮的咬合,把重力死死按在桥墩上。它不眨眼,不喘气,走着走着,就塌了。
声明:演示网站所有内容,若无特殊说明或标注,均来源于网络转载,仅供学习交流使用,禁止商用。若本站侵犯了你的权益,可联系本站删除。
