赵州桥如何扛过1400年8场地震
2017-10-12
赵州桥如何扛过1400年8场地震
赵州桥修建之后,直到新中国成立,中国人再也没有修出跨度超过赵州桥的石拱桥。西方拱桥造桥技术不断进步,中国的拱桥在跨度上却仿佛进入了停滞时期,再也没有如李春那般的工程师敢于尝试跨径如此巨大的石拱了。
历经10次水灾8次地震
河北省石家庄市赵县现在是一座普通甚至稍显破败的县城,虽然距离省会石家庄仅有40公里,但是省会的繁华似乎对这里没有影响。县城的面貌仿佛仍然停留在了上世纪90年代。赵县以石头出名,全县有三处古代中国的石质建筑——赵县陀罗尼经幢,永通桥和俗称“赵州桥”的安济桥。
从唐代到明朝,赵州桥屡见于文献,其“安济桥“的名字为宋朝哲宗皇帝所赐,取意为“安渡济民”,而民间的俗称为“大石桥”。赵州桥也是世界上现存最古老的桥梁,它已有1400多年的历史,故有“桥王”之称,“寿星桥”之誉。
赵州桥建于隋代开皇十一至十九年(公元591-599),由建筑大师李春主持建造,是一座空腹式的圆弧形石拱桥,是世界上现存最早、保存最好的巨大石拱桥。桥长50.82米、跨径37.02米、券高7.23米、两端宽9.6米,扁平率(拱高/跨度之半)仅为0.38。平桥如果没有桥墩支撑或者用吊索拉住是无法横跨水面的,同样的拱桥越接近平桥,设计和施工的难度就越大,或者说扁平率越低,拱桥的造桥水平越高。欧洲到十四世纪早期,跨度在24米以上的大跨度拱桥,扁平率都在0.7以上,看上去圆拱都很高。
它跨越河北省赵县城南5里处的洨河,南连东都洛阳,北达涿郡燕京,成为“坦途箭直千人过,驿使风驰万国通”的要津,不仅为一般老百姓所使用,更为皇家官宦出行提供了方便。
赵州桥在1400余年里历经10次水灾,8次战乱和地震,仍巍然屹立,堪称一座跨越千年的奇迹。
取得世界性的突破
中国石桥众多,然而多数人所熟悉的石桥是所谓小桥流水人家中的明清江南风格石桥,它们一般有一个高高的半圆形拱,陡峭的桥面上铺设台阶以方便行人登桥。但这样的拱桥并不适合赵州桥所处的环境。
赵州桥地处陆路交通要道,要在宽度达到30米以上的洨河上修建高拱,则上下桥必然得经过陡坡,给过往车辆造成极大麻烦。更为要紧的是,洨河两岸的土质以沙土为主,修建高拱石桥意味着两侧桥脚会承受更大的重量,在松软的沙土地,这样的重量会让桥梁发生严重沉降,最终导致桥梁变形坍塌。
赵州桥大拱的两肩上,各有两个小拱,少石料,桥身轻,增加排洪量,减少洪水对桥身的冲击。图为赵州桥全景
如何稳定地筑拱一直是中国建筑技术的一大短板。中国古代建筑材料使用一直以木料为主,对石料性能和力学的掌握较为薄弱。中国东汉时期墓砖上就有石拱桥,然而罗马石拱桥至今尚存900余处,中国同时代的石拱桥已经几乎看不到。眼前的赵州桥已是中国现存历史最早的石拱桥。
然而赵州桥却在石拱这个中国建筑技术的弱项上取得了世界性的突破。
赵州桥的设计者、工匠李春将石拱设计成弓形的坦拱,桥面坡度平缓,还解决了沉降变形问题。平坦的弓形拱意味着拱高和拱跨之比已经低于1比5,对拱圈承载能力和稳定性是极大的考验。
古罗马公元前62年的一座跨度为24.8的拱桥,扁平率达0.83,基本就是半圆拱,但在比赵州桥还早650多年的时候,能有那样的工艺成就是相当了不起的;1187年法国圣贝内泽桥,跨度33.7米,扁平率0.70;1306年法国罗拿河上的St Esprit桥,跨度34米,扁平率为0.51,无论跨度或扁平率都不及赵州桥。直到14世纪中叶,佛罗伦萨的老桥落成(跨度29.9米、扁平率0.37),才在扁平率上达到赵州桥的水准,但跨度上还是逊色一大截。可以这样说,赵州桥的工艺水平至少比欧洲早了750年,是世界上保存完好的最古老大跨度单孔敞肩坦弧圆弧拱桥,是中国古代傲视全球的石拱桥。
另外还值得大书一笔的是,在拱圈两肩各设有二个跨度不等的小拱,即敞肩拱,这样既能减轻桥身自重、节省材料,又便于排洪、增加美观。如此精妙的设计和工艺,不仅在我国古桥是首屈一指,而且类似的敞肩拱桥设计在欧洲到十九世纪中期才出现,比赵州桥晚了1200多年。这种“敞肩”的设计,减轻了桥身五分之一的重量,发大水时还可以起到分洪作用,减轻了洪流对桥身的冲击。跨度长达37米弧形的主拱得以稳固千年不倒。大拱上设置小拱的做法,更是世界桥梁史首创。
在小拱和拱顶填石的帮助下,赵州桥的拱轴线和恒载压力线极其接近,拱券横截面基本均受压力或极小压力,符合19世纪才形成的弹性拱理论中拱的理想状态。在一千多年前的隋朝,李春能够凭借自己的经验和智慧修成赵州桥这样科学的石拱桥,堪称奇迹。
世界文化交流的沟通桥梁
不仅如此,赵州桥在工程难度如此巨大的情况下,仍然留足了富余能力。明朝末年,已经使用了千年的赵州桥二十八道拱券中西侧的五道发生坍塌。兵荒马乱下无人有余暇主持修复。一般的桥发生如此大的问题很有可能当场彻底毁损。
尽管如此,赵州桥在拱券残缺,力学结构发生改变,剩余拱券扭成S形的状况下还硬是撑到了清朝乾隆年间的修缮。在此期间,这座伟大的石桥以残缺之躯承载两岸交通达百多年之久。恐怕连李春自己也不可能料到他的杰作竟会如此坚固。
这是因为建桥石料就近选用质地坚硬的青灰色砂石,采用了纵向(顺桥方向)砌置方法,整个大桥由28道拱券拼成,拱券向里倾斜,相互挤靠,增强其横向联系,以防止拱石向外倾倒;每道拱券都能独立支撑上面的重量,共同组成了弓形的拱桥,这种设计便于车辆通行,也利于桥的维修,一道拱券的石块损坏了,只要嵌入新石,进行局部修整就行了,而不必对整个桥进行调整。
此外,赵州桥设计上还采用腰铁、拉杆、收分法等措施,使整座桥身连成一个紧密整体,增强了稳定性和可靠性。西方学者李约瑟称:“在西方圆弧拱桥都被看作是伟大的杰作,而中国的杰出工匠鲁班(代指李春),约在610年修筑了可与之辉映,甚至技艺更加超群的拱桥。”桥梁专家福格·迈耶则评价说:“罗马拱桥属于巨大的砖石结构建筑……独特的中国拱桥是一种薄石壳体……中国拱桥建筑,最省材料,是理想的工程作品,满足了技术和工程双方面的要求。”
赵州桥修建之后,直到新中国成立,中国人再也没有修出跨度超过赵州桥的石拱桥。西方拱桥造桥技术不断进步,中国的拱桥在跨度上却仿佛进入了停滞时期,再也没有如李春那般的工程师敢于尝试跨径如此巨大的石拱了。但对赵州桥的设计者,伟大的土木工程师李春,我们除了知道他的名字以及他和李通等工匠共同设计建造了赵州桥外一无所知。这座宏伟的桥梁连接了洨河两岸,也让李春青史留名,却也暴露了中国古代对工程师的不重视。
1400多年来,赵州桥不仅见证了中国社会历史的变迁,成为隋朝以来历朝历代文化交流的重要沟通桥梁,更见证了中国与世界的历史文化交往活动。
1392年,21岁的玄奘法师在赵州柏林禅寺虔诚学习《诚实论》10个月后,就是跨过这座桥踏上了西域取经的漫漫长路。明朝时期,我国以赵州桥为代表的石拱桥建筑技术流传到日本等国,对这些国家的桥梁建筑产生了深远的影响,促进了世界各国人民的文化交流并增进了彼此之间的友谊。如今的赵州桥作为世界文化交流的使者,在展现着古老东方神韵的同时,还依旧焕发着新的生机。
(新华社2016.9.27等)