地震科普｜千年古桥的抗震秘籍

地震科普｜千年古桥的抗震秘籍

赵州桥坐落于河北省赵县城南洨河之上，距今已有1400余年的历史了，该桥全长64.4米，主拱由28道拱券纵向并列砌筑，桥身造型拱上加拱，玲珑秀丽，气势恢弘。然而，赵州桥除了结构新奇、造型美观之外，在抵御自然灾害方面还有独特的神奇之处。

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气势恢宏的赵州桥

据史料记载，赵州桥自建成起共经历了10次水灾、8次战乱和多次地震，在大大小小的地震中，对其产生直接影响的有6次之多。尤其是1966年3月22日发生在河北宁晋的7.2级地震，震中距离赵州桥仅不足40千米，地震影响烈度达到7度，而赵州桥安然无恙。

赵州桥之所以有牢固的抗震能力，最主要的原因是：一选址得当；二地基稳定；三设计合理。下面我们就从这三个角度出发，一一解析赵州桥千年不坠的抗震秘籍。

选址得当，没有建在纵横交错的活动断层上

相关研究表明，赵州桥周围几十千米范围内，地下存在多条大小不等、走向不一的断层，而赵州桥恰恰落在多条断层缝隙之中，明显避开了那些纵横交错的断层。

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赵州桥周边断层分布

以往的震例表明，在活断层通过的位置，建筑物的破坏往往比其它建筑物要大很多，这不仅是因为沿着断层，地震的能量传播更“畅通”一些，更重要的是，断层运动直接造成地表发生变形，使得坐落在断层之上的建筑物一同发生基础变形、失稳，从而发生更大的破坏、倒塌。而赵州桥避开了活动断层，也就有效减轻了地震造成的伤害。

基础稳定，地基土以密实粉质粘土为主

现代科学认为，桥梁受到地震损害的直接起因之一是：地震时河床砂土液化，地基失效，桥梁墩台基础大量下沉或不均匀下沉。

而赵州桥的桥址区域地形平坦，地貌单一，地层分布稳定，地基土主要以密实的粉质粘土为主，中间有粉土和砂土夹层，是比较理想的修建这种特大跨度单孔桥梁的场所。根据化验分析，这种土层基本承载力为34吨／平方米，并且粘土层压缩性小，地震时不会产生砂土液化，属良好天然地基。数据表明，赵州桥地基的承载力约3700吨，赵州桥的重量约2800吨，所以建在这样地基上的赵州桥尽管经历了1400年的风风雨雨，地基下沉非常少。

设计合理，首次应用敞肩圆弧拱式桥型

赵州桥良好的抗震性还有一个重要原因就是敞肩圆弧拱式桥型的发明与应用，桥梁的主拱和桥面之间的三角地带被称作是桥肩，所谓敞肩就是把桥肩挖空，在中央主拱两侧的桥肩上分别挖开了两两对称的四个小拱，做成“空撞券”。

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“空撞券”示意图

“空撞券”的建筑形式敞开了肩部，节省了石料，更重要的是减轻了桥身自重，分散了桥身对桥台地基的垂直压力，消除了拱轴线截面上的拉应力，使赵州桥更加稳固耐用。

此外，建筑者还在敞肩的四个小拱拱石外围，铺设了一层16到30厘米的护拱石，这使拱券各个横载面上能均衡受压，通俗讲就是运用材料力学的弹性拱原理造桥，可以将受力点的力分散到桥的每一个横截面上。

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小拱上方有护拱石

不仅如此，赵州桥的建造方法也很独特，站在桥的主拱下抬头往上看，可以发现，顺着桥的纵向延伸方向是一道又一道的拱券，就像人的手指并在一起，这叫作纵向并列砌筑法。

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竖向拱券

赵州桥的主拱和4个小拱都是由28道独立拱券纵向并列砌成，从古至今，人们大都采用横向并列法建造桥拱，但是纵向造拱可以化整为零，节省人力、物力，并且由于每道拱券独立，所以假如有一道拱券发生损坏时，对其它拱券和整体桥身没有直接影响，便于单独对它进行维修。

但纵向并列砌拱，由于各拱之间缺乏横向联系，也最容易倾倒。为了加强石料之间的横向联系，建造者们还创造性地采用铁拉杆横穿在大桥拱背里。铁拉杆是几段铁杆勾挂连接而成的，一共9根，主拱背上有5根，4个小拱背上各一根，用来紧固整个桥体拱券。

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铁拉杆示意图

千年不坠的赵州桥凝聚着老一辈科学家的心血和智慧，“月魄半轮沉水底，虹腰千丈驾云间”，这座古桥在时光流逝中显露出愈加坚韧的魅力。


参考文献：

1.梁思成，《赵县大石桥即安济桥》，中国建筑工业出版社，1982；

2.江成，吕吉应，许志强，赵州桥抗震性能的初步研究[J]；

3.河北省赵县文物旅游局，赵州桥志[Ｍ]，人民交通出版社；

来源：震知卓见（ID：dizhen_sd）

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