電控張拉技術造拱橋

王若雨

橋是人類跨越山河天塹的技術創造，從公元前6世紀巴比倫人建造的木橋，到羅馬人用石頭和混凝土建造的石拱橋，再到1779年出現在英國的第一座鐵橋，雖然材質不斷更替，但無疑都給人類帶來了生活的進步和交通的便利。而拱橋就像天上的彩蟲一樣，總能引起人們的美好聯想。拱橋的起源

拱橋是指以拱作為主要承重結構的橋梁，而拱算是人類在結構領域最早也是最偉大的發明了。這是因為，最早的拱僅僅應用天然材料，就能夠承受軸向壓力并由兩端支點推力而維持平衡。

拱最早出現在公元前2000年的美索不達米亞的磚建筑中，而最早的拱形屋頂建筑，是修建于公元前1250年左右的希臘阿伽門農墓，該墓頂為懸臂拱結構，墓室內高13.5米，底部跨度14.5米。現存最古老的石拱橋則是約公元前1300年的邁錫尼文明的Arkadiko bridge。

中國的拱橋始建于東漢中后期，差不多有1800多年的歷史了。雖然一直在發展，但無疑它們外形都是曲的，所以古時常稱為曲橋。在古文獻中，還有“囷”“窌”“竇”“甕”等字來表示拱。拱橋分為單孔拱橋和多孔拱橋，單孔拱橋如北京頤和園玉帶橋，拱券呈拋物線形，橋形如垂虹臥波。多孔拱橋常見的為三、五、七孔，著名的頤和園十七孔橋則有十七個孔洞，長約150米，寬約6.6米，是連接昆明湖東岸與南湖島的一座長橋。河北趙州橋的“敞肩拱”（就是在大拱的兩肩添加小拱，形成拱上拱）是中國首創，在園林中模仿此形式的很多。

優美趙州橋

趙州橋不僅科技水平很高，而且造型十分優美，具有獨特的民族藝術風格。如“水從碧玉環中過，人在蒼龍背上行。”它的結構：主拱由28道相互獨立的拱券并列而成，建橋時先砌中間的，再砌兩邊的，每道拱券寬約35厘米，每石長度不同，自70厘米至109厘米不等，各塊條石之間用兩個“腰鐵”相連。每條拱券壞了可單獨修理，因外側的拱券易風化損壞，明代時橋西側的5道拱券塌落，在明清時重修。1955年對東側塌落的5道拱券進行了重修，中間18道拱券還是隋代建筑的。

為了防止拱券向外倒，另外還采取了以下方法：

1.上窄下寬。為了防止拱券向外傾斜，拱腳寬9.5米，拱頂寬9米。

2.用9個鐵連桿橫向連接28道拱券。在拱券中用幾根一頭是孔，一頭是鉤的鐵連桿將28道拱券連起來，在最外邊的拱券處有一個鐵冒頭。在主拱上共有5處鐵拉桿，每個小拱上各有一個鐵拉桿。

3.用形似鋸子的腰鐵將各塊石料加固，每塊石料相連處用兩個腰鐵。

4.用6個條石鉤拉住外側橋拱，用1.8米長，頭部長出5厘米曲尺形的條石放在橋拱的外側，利用長出部分起到一個向內拉住橋拱的作用。因每道橋拱寬35厘米，條石可壓住外側5道橋拱。但它的作用是有限的，如橋東西兩側的橋拱都曾塌落，兩側外邊的5道橋拱都是后修的。

電控張拉技術造拱橋

20世紀30年代，預應力技術和高強度鋼材技術相繼出現，拱橋獲得了突飛猛進的發展，特別是為方便交通航行的大跨度單孔橋。通過張拉鋼結構拱橋的下弦桿使拱橋成形，但張拉過程非常復雜，張拉控制不易實現。

通過在物理中的學習，并查閱大量資料，我終于總結出了一套簡便的張拉及張拉控制方法。

張拉鋼結構拱橋的下弦桿使拱橋成形：利用鋼結構材料通電發熱、熱脹冷縮的原理，在鋼結構拱橋的下弦桿中接入電流，桿發熱膨脹伸長，固定桿的兩端，再降溫，拱橋的下弦桿回縮張拉拱橋成形。具體計算公式如下：

△L=α×△T×L

其中△L是下弦桿伸縮尺寸，α是下弦桿線膨脹系數，△T是溫差，L是下弦桿原長度。

鋼結構拱橋下弦桿變形伸長量控制：利用鋼結構拱橋的下弦桿長度變化與其電阻變化的相關性，通過測定下弦桿在拉伸過程中的電流變化確定其長度變化，進而達到張拉控制的目的。具體計算公式如下：

R=ρL/S

R是電阻，ρ是電阻率，L是物理長度，S是物體橫截面積。

電控張拉成形拱橋張拉成形過程示意圖如下：

結語：

拱橋造型優美，曲線圓潤，富有動態感，但復雜的建造過程始終制約著其推廣應用-發展，希望在不久的將來，我的發現——電控張拉成形拱橋能與電子信息技術、人工智能相結合，應用于土木工程建設，應用于現代橋梁建設，使張拉成形過程更簡單、更便利、更科學，為大跨度拱橋施工建造提供—種全新、便捷的建造模式。