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电控张拉技术造拱桥

2018-06-20王若雨

科学Fans 2018年5期
关键词:条石拱桥电控

王若雨

桥是人类跨越山河天堑的技术创造,从公元前6世纪巴比伦人建造的木桥,到罗马人用石头和混凝土建造的石拱桥,再到1779年出现在英国的第一座铁桥,虽然材质不断更替,但无疑都给人类带来了生活的进步和交通的便利。而拱桥就像天上的彩虫一样,总能引起人们的美好联想。拱桥的起源

拱桥是指以拱作为主要承重结构的桥梁,而拱算是人类在结构领域最早也是最伟大的发明了。这是因为,最早的拱仅仅应用天然材料,就能够承受轴向压力并由两端支点推力而维持平衡。

拱最早出现在公元前2000年的美索不达米亚的砖建筑中,而最早的拱形屋顶建筑,是修建于公元前1250年左右的希腊阿伽门农墓,该墓顶为悬臂拱结构,墓室内高13.5米,底部跨度14.5米。现存最古老的石拱桥则是约公元前1300年的迈锡尼文明的Arkadiko bridge。

中国的拱桥始建于东汉中后期,差不多有1800多年的歷史了。虽然一直在发展,但无疑它们外形都是曲的,所以古时常称为曲桥。在古文献中,还有“囷”“窌”“窦”“瓮”等字来表示拱。拱桥分为单孔拱桥和多孔拱桥,单孔拱桥如北京颐和园玉带桥,拱券呈抛物线形,桥形如垂虹卧波。多孔拱桥常见的为三、五、七孔,著名的颐和园十七孔桥则有十七个孔洞,长约150米,宽约6.6米,是连接昆明湖东岸与南湖岛的一座长桥。河北赵州桥的“敞肩拱”(就是在大拱的两肩添加小拱,形成拱上拱)是中国首创,在园林中模仿此形式的很多。

优美赵州桥

赵州桥不仅科技水平很高,而且造型十分优美,具有独特的民族艺术风格。如“水从碧玉环中过,人在苍龙背上行。”它的结构:主拱由28道相互独立的拱券并列而成,建桥时先砌中间的,再砌两边的,每道拱券宽约35厘米,每石长度不同,自70厘米至109厘米不等,各块条石之间用两个“腰铁”相连。每条拱券坏了可单独修理,因外侧的拱券易风化损坏,明代时桥西侧的5道拱券塌落,在明清时重修。1955年对东侧塌落的5道拱券进行了重修,中间18道拱券还是隋代建筑的。

为了防止拱券向外倒,另外还采取了以下方法:

1.上窄下宽。为了防止拱券向外倾斜,拱脚宽9.5米,拱顶宽9米。

2.用9个铁连杆横向连接28道拱券。在拱券中用几根一头是孔,一头是钩的铁连杆将28道拱券连起来,在最外边的拱券处有一个铁冒头。在主拱上共有5处铁拉杆,每个小拱上各有一个铁拉杆。

3.用形似锯子的腰铁将各块石料加固,每块石料相连处用两个腰铁。

4.用6个条石钩拉住外侧桥拱,用1.8米长,头部长出5厘米曲尺形的条石放在桥拱的外侧,利用长出部分起到一个向内拉住桥拱的作用。因每道桥拱宽35厘米,条石可压住外侧5道桥拱。但它的作用是有限的,如桥东西两侧的桥拱都曾塌落,两侧外边的5道桥拱都是后修的。

电控张拉技术造拱桥

20世纪30年代,预应力技术和高强度钢材技术相继出现,拱桥获得了突飞猛进的发展,特别是为方便交通航行的大跨度单孔桥。通过张拉钢结构拱桥的下弦杆使拱桥成形,但张拉过程非常复杂,张拉控制不易实现。

通过在物理中的学习,并查阅大量资料,我终于总结出了一套简便的张拉及张拉控制方法。

张拉钢结构拱桥的下弦杆使拱桥成形:利用钢结构材料通电发热、热胀冷缩的原理,在钢结构拱桥的下弦杆中接入电流,杆发热膨胀伸长,固定杆的两端,再降温,拱桥的下弦杆回缩张拉拱桥成形。具体计算公式如下:

△L=α×△T×L

其中△L是下弦杆伸缩尺寸,α是下弦杆线膨胀系数,△T是温差,L是下弦杆原长度。

钢结构拱桥下弦杆变形伸长量控制:利用钢结构拱桥的下弦杆长度变化与其电阻变化的相关性,通过测定下弦杆在拉伸过程中的电流变化确定其长度变化,进而达到张拉控制的目的。具体计算公式如下:

R=ρL/S

R是电阻,ρ是电阻率,L是物理长度,S是物体横截面积。

电控张拉成形拱桥张拉成形过程示意图如下:

结语:

拱桥造型优美,曲线圆润,富有动态感,但复杂的建造过程始终制约着其推广应用-发展,希望在不久的将来,我的发现——电控张拉成形拱桥能与电子信息技术、人工智能相结合,应用于土木工程建设,应用于现代桥梁建设,使张拉成形过程更简单、更便利、更科学,为大跨度拱桥施工建造提供—种全新、便捷的建造模式。

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