趙州橋的建筑藝術
2011-11-28 來源：作者：趙振偉 來源：中國橋梁網
趙州橋是世界上現(xiàn)存最古老，跨度最大的單孔圓弧敞肩石拱橋。材質為青石。全長64.4米，高8.65米，寬9米，跨度37.02米，拱矢7.23米，矢跨比為1:5.12。拱腹線的半徑為27.31米，拱中心夾角85度20分33秒，橋面坡度6.5%。
趙州橋主拱由28道拱券并列砌筑，拱石厚1.03米，主拱上覆有自拱腳處厚度為24厘米，拱頂處厚度為16厘米的變厚度護拱石。主拱之上兩端各設兩個小拱，靠近拱腳處的兩個小拱凈跨為3.81米，近橋中央的兩個小拱凈跨為2.85米，四個敞肩拱亦均由28拱券并列砌成。拱券石厚65厘米，小拱之上護拱石厚16厘米。相鄰的拱石之間均嵌有雙角銀錠形腰鐵聯(lián)結。主拱背和四個小拱背共橫穿九根帶圓帽頭的鐵拉桿。橋兩側各置1.8米外頭向下延伸的鉤聯(lián)石六塊，以加強橋體橫向連結力。
主拱外側與拱圈平行分布三條凸線，四小拱稍作收回，各起線兩條，在主拱頂部浮雕龍頭圖案（吸水獸，也稱撞拱石）
橋頂兩側各置一道橋檐石，也檐38厘米，上面和外面?zhèn)雀〉癜税晟徎▓D案。
橋面兩側各設欄板21間，望柱22根，均兩面浮雕圖案，共分兩種類型，兩側中部各5間欄板，皆高浮雕，居中為饕餮，其余為各式蛟龍圖案，配以6根蟠龍竹節(jié)望柱。兩側南北各8間為斗子卷葉圖案欄板，亦為浮雕。地栿和尋杖間設盒唇一道，卷葉數為2、3、4不等，配以竹節(jié)寶珠望柱16根。
趙州橋的科學技術成就首先是創(chuàng)建了世界上第一座敞肩圓弧拱橋。
國外對圓弧拱的應用，雖較我國為早（如意大利的羅馬時代建筑的法勃利克（Fabricus）橋，建于公元前62年，為圓弧拱），但矢度比較大，接近于半圓。橋墩上有小拱但不疊于大拱之上，大拱仍為實腹拱。法國境內，羅馬時代的加樂德（PontduGard）水道橋，建于公元前167—158年。最上層為小拱，疊砌于下層拱之上，雖似小拱疊大拱，但仍非敞肩，而且拱均為半圓拱。法國的賽蘭特（Pontdece′ret）橋，建于公元1321—1339年，是敞肩圓拱，其下大拱接近半圓。真正的敞肩弧拱，在西方遲至十九世紀才出現(xiàn)。法國工程師保爾（Mpaulse′iou-rne′）第一次應用敞肩圓弧型于阿道爾夫橋，時為公元1889—1903年。
趙州橋敞肩圓弧拱的出現(xiàn)，是石拱橋建筑史上的里程碑，是富有重要意義的偉大發(fā)明創(chuàng)造，給予拱橋的向前發(fā)展以巨大的生命力。趙州橋敞肩弧拱的應用，獲得了一系列良好的效果：
第一， 拱肩敞開，減輕了橋身自重，既節(jié)省了材料，又能減輕橋基負擔，也利于下部結構的簡化。從計算得知，安濟橋因此而比實肩式拱節(jié)約石料15.3%（重約500噸），由于橋身自重的減輕，從而大大減少了對橋臺和地基的垂直壓力和水平推力，可以使橋臺造得輕巧。并直接建在天然地基上，亦可使橋臺走動甚少，地基下降甚微，這樣，拱圈內部應力的增加就不大。這是安濟橋千年不墜的重要原因。經實地鉆探表明，安濟橋的橋臺結構相當簡單，兩端橋臺雖經千年使用重壓，僅有極微小的走動和沉陷的現(xiàn)象，說明敞肩的設計是起了很大的作用的。
第二， 敞肩設計符合結構力學原理。據驗算，安濟橋由于拱肩上加設了四個小拱和采用16—30厘米的薄護拱石，使拱軸線（即拱圈的中心線）和恒載壓力線甚為接近，造成拱圈各個橫截面上均受壓力和受到極小的拉力。眾所周知，拱石抗壓強度極高，單單受壓是壓不壞的。這是安濟橋主拱圈千年不墜的又一重要原因。
第三， 敞肩拱可以輔助渲泄洪水（安濟橋四個小拱大約可增加過水面積16.5%）而減輕水流對大橋的平推力。正如唐張嘉貞所謂“兩涯嵌四穴，蓋以殺怒水之蕩突，雖懷山而固護焉。”1963年特大洪水，洪峰水位距主拱頂僅一米多，四個小拱全部過水，大大增加了泄洪能力。
趙州橋為古代圓弧拱大跨度之首，打破了以前半圓拱的慣例，這是拱橋發(fā)展的一個飛躍。所謂圓弧，是利用小于半圓的弧段，作為拱橋的承重結構。于是在相同跨度的情況下，可以較半圓拱大幅度的降低橋梁高度；反之，在相同的橋梁高度時，可以較半圓拱更大的跨度。兩者結合，使拱橋技術克服障礙產生飛躍。
趙州橋正是這樣的典范，其跨徑37.02米，拱矢7.23米，矢跨比為1：5.12，跨度很大，弧形平緩（即坦拱），故形成橋面坡度為6.5%，橋面較平坦，便利車輛通行，橋下行船也很方便。
趙州橋的橋臺座落在天然地基上，如此巨大的石拱橋，而且又是坦拱橋，橋身自重對橋臺的水平推力很大，對橋臺結構和地基的要求就要相應提高。現(xiàn)代工程界一些不了解安濟橋基礎的人士都猜測該橋的橋臺必然是既深又大，是后座型式?；A結構也必然是很復雜，很可能有樁基等等。然而，通過1979年的機械鉆探和人工坑探，鉆探的結果表明：安濟橋為低拱腳、淺橋臺。橋臺是由五層排石壘成，呈鉅形，總厚度僅1.57米，南北長度僅有5米左右，真是大大出乎人們的意料之外。橋的地基也并未作任何加固處理，是第四紀沖積層（亞粘士層），地層穩(wěn)定，地質均勻，是良好的天然地基。河水從上游所挾泥砂到此逐漸淤積，河床淤積大于沖刷，對保護橋基也有很好的作用。但在這樣簡單的地基上建造如此巨大跨度的坦拱石橋，這在中外建橋史上實屬罕見。說明中國古代建橋匠師對水文、地質、結構力學已經有了較深的認識，能夠綜合掌握運用。
趙州橋主拱圈和四個小拱均采用縱向并列砌筑法，這種砌筑方法可以使每一道拱圈獨立站穩(wěn)，自成體系。便于一道一道拱券逐次施工，架橋期間如遇洪水也安然無恙。倘若日久某道拱券損壞，便于單獨修補。
趙州橋還采用鐵拉桿橫穿，雙銀錠形腰鐵嵌聯(lián)，長條鉤石，護拱石以及兩側收分等措施，以加強橫向連接。
綜上所述，趙州橋的建成，標志著我國造橋技術達到了新的水平，趙州橋具有重大的科學價值。其影響是巨大的，深遠的，自趙州橋建成后，爭相仿造者比比皆是，首先在趙州附近及至近鄰省份相繼出現(xiàn)了仿例。
趙縣境內的永通橋（唐），沙河店橋（年代不詳），濟美橋（明）。
欒城東門外凌空橋（金），寧晉縣的古丁橋，行唐縣的升仙橋（宋），山西晉城景德橋（金），淳縣迎恩橋（金），井陘蒼巖山橋樓殿（隋），井陘天威軍橋，原平縣普濟橋（金），義同鎮(zhèn)來宣橋（金）等。
這些在趙州橋影響下所建造的古橋，在規(guī)模上均未超過趙州橋，新中國成立后，國內石拱橋技術得到了發(fā)揚光大。根據國家基本建設的需要，修建了許多規(guī)模超過趙州橋的石拱橋，拱橋，如云南省盤江長虹橋，跨徑112米，首次突破了百米關，把我國的敞肩坦拱石橋的設計和施工技術提高到更新的水平。四川省豐都縣用小石子混凝土砌石和片石建成的九溪溝大橋，跨徑116米，是目前國內外最大跨度的石拱橋，成昆鐵路一線天鐵路橋，跨徑54米，是古為今用的生動范例，而后來的雙曲拱橋，則是趙州橋型的推陳出新。
趙州橋在世界橋梁建筑史上占有極其重要的地位，在國外的影響是很大的。英國的李約瑟，日本的祐島貸，成瀨泰雄，山口祐造等對橋梁史有精深研究的國外學者，教授，都給予趙州橋高度的評價，中國弓形敞肩拱橋確實優(yōu)先千年以上，國外至鐵路時代（十九世紀七十年代），西方才出現(xiàn)了一些可以相比的橋梁。并認為，“趙州橋創(chuàng)造的敞肩拱學派，對古今世界的橋梁工程產生巨大的深遠的影響。李春的敞肩拱橋建筑成了現(xiàn)代許多鋼筋混凝土橋的祖先”，“它們廢除了拱圈和橋面之間的所有填料，而僅以一些直柱或一個網狀的混凝土桿件結構連結起來。”
