电控张拉技术造拱桥

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。