1400前的隋代,赵州洨河上建成了世界上第一座敞肩型圆弧石拱桥
赵州桥又名安济桥,位于河北赵县城南2.5公里处,南北飞架于洨河之上。赵县古称赵州,故世人多称“赵州桥”、“赵州大石桥”。赵州桥建于隋代开皇至大业年间(595-605年)。据唐代中书令张嘉贞《石桥铭序》记载:“赵郡洨河石桥隋匠李春之迹也”,距今已有1400年的历史。1933年,著名建筑学家梁思成率领中国营造学社的专业人员,对赵州桥做详细的调查和测绘,鉴定其为隋代李春所造,为世界上最早敞肩型石拱桥。
赵州桥不仅是中国而且是世界上现存最早保存最好、科学技术水平极高、艺术形象极美的大型石拱桥。在国际建筑史上占有十分重要的地位,对世界上后来的桥梁建筑产生了极其深远的影响,尤其是“敞肩圆弧拱”的成功运用,实为世界桥梁史上之首创。
1961年国务院公布赵州桥(安济桥)为全国第一批重点文物保护单位。1991年美国土木工程师学会,选定其为第12处“国际土木工程历史古迹”。赵州桥为大型独跨弧形敞肩石拱桥,全长64.4米,拱脚处宽9.6米,拱顶宽9米,高8.65米(拱脚以上),主体由28道拱券纵向并列砌筑而成,跨径37.02米。主拱两端靠近桥堍的两个小拱跨径3.81米,近桥中央的两个小拱跨径2.85米。
赵州桥的建筑结构奇巧,具有高度的科学性,它改变了以前的“半圆拱”惯例,采用了“圆弧拱”,这是拱桥发展的一个飞跃。所谓“圆弧”,是利用小于半圆的弧段作为拱桥的承重结构,在相同跨度的情况下,可以较“半圆拱”大幅度地降低桥梁高度,使桥面更趋平坦。赵州桥为古代“圆弧拱”大跨度之首,且中间无墩台,桥上行车过人,桥下航船竞舸,相当便利,而且还节省了建桥石料,增大了泄洪功能。
赵州桥“敞肩圆弧拱”的巧妙应用,获得了一系列良好的综合性效果。
第一,拱肩敞开减轻了桥身自重,既节省了材料,又能减轻桥基负担,同时也利于下部结构的简化。从计算中得知,赵州桥因此面比实肩拱节约石料15.3%,重约700吨,由于桥身自重的减轻,从而大大减少了对桥台和地基的垂直压力和水平推力,可以使桥台造得更加轻巧。
第二,“敞肩拱”的设计符合结构力学的科学原理。据验算,赵州桥由于在主拱肩上设了四个小拱,使拱轴线(即拱圈的中心线)和恒载压力线甚为接近,造成拱圈各个横截面上均受压力和受到很小的拉力。科学地利用小拱对大拱的“被动压力”,增强了大桥的稳固性能。
第三,“敞肩拱”可以辅助渲泄洪水(安济桥四小拱大约可增加过水面积16.5%),从而减轻水流冲击对大桥的平推力。正如唐张嘉贞所谓“两涯嵌四穴,盖以杀怒水之荡突,虽怀山而固护焉”。
桥梁采用“纵向并列砌筑法”。这种砌法可以使每一道拱券自成体系,便于逐次施工,日后修复也比较容易。同时,为了使拱圈能够加强横向间的联络,采用了九道铁拉杆横穿拱背(主拱背上五道,四小拱上各一道)的做法,还在相邻的拱石之间均以双银锭形腰铁横向、纵向相卡,又在护拱石、长条勾石的砌筑及采用两侧逐渐收分,共同形成桥体牢固的横向联结,使整座桥梁浑然一体。
如此巨大的石拱桥,其基础到底有多大?这曾是一个千古不解之谜。历代传说桥体是“圆”的,下面挖不到底。故清代有诗云:“谁掷瑶环不记年,半沉河底半高悬”。就是现代工程界的一些人士都猜测桥台必然是既深且大的后座型,基础结构也应是很复杂的,很可能有柱基等等。然而通过1979年的机械钻探和人工坑探表明:桥下并没有埋置半圆,并且基础也不是人们所想象的那样又深又大,而是低拱脚、浅基础、短桥台。基石由五层排石垒成矩形,每层排石厚度不一,自下而上依次递薄,总厚度仅1.57米,南北长度约5米左右,大大出乎了世人的意料。桥的地基部分也并未作任何加固处理,为第四纪冲积层(即亚粘土层),地层稳定,土质均匀,是良好的天然地基。但能在如此简单的地基上营造这样巨大的坦拱石桥,这在中外建桥史上实属罕见,并且历千年余且下沉甚微,完全说明了中国古代建桥匠师在技术上对水文、地质、结构力学已经能够综合掌握,熟练运用。
赵州桥结构奇巧,具有高度的科学性,而且造型艺术也十分优美。它那宏大的跨度、坦缓的曲弧和敞肩的布局,给人以雄伟壮观、巨身空灵、轮廓清晰、匀称秀逸、曲线美丽的直观效果。由远而望,犹如“苍龙飞架”,又似“初月出云”,即若“长虹腾空”,又如“玉环半沉”,是建筑的技术与艺术巧妙结合的杰出典范。故宋代文人墨客赞曰:“驾石飞梁尽一虹,苍龙惊蛰背磨空”;元代刘百熙也留下“水从碧玉环中过,人在苍龙背上行”等佳句。美国建筑学家伊丽莎白?莫斯克在其《桥梁建筑艺术》一书中,称赵州桥“结构如此合乎逻辑和美丽,使大部分西方古桥在对照之下显得笨重和不明确。”
赵州桥巧天工,造型优美,它的建成标志着中国造桥技术达到了一个高新水平,是桥梁建筑发展的里程碑,其影响是极其深远和巨大的。