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摘要：我国现存的且仍能正常使用的传统桥梁结构大多为石拱桥。而现代桥梁建设中用到最多的就是预应力混凝土梁桥。鉴于此，本文从材料性能、结构受力和施工工艺三个方面结合工程实例，分别从基础和承重结构两方面对传统石材和现代预应力钢筋混凝土进行对比研究。研究结果表明，两种材料均为抗压材料，预应力混凝土的强度和抗弯拉能力远高于远高于石材，故其跨度和承载能力较大。石材的耐久性好，施工工艺简单，故石拱桥使用年限更长。
关键词： 耐久性 应力水平 强度 施工工艺
0 引言
我国有许多保存至今的古代石拱桥，其中许多是我们国人引以为豪的骄傲。如苏州宝带桥、泉州五里桥和洛阳桥等。当然，最著名的还是位于河北石家庄赵县安济桥，也就是我们常说的赵州桥。赵州桥建于公元605年，由著名的匠师李春设计和建造，长50.82米，跨径37.02米，高7.23米，是一座石拱桥。相比而言，现代桥梁多为梁桥。梁桥一般为连续梁桥，只有在跨度较小或者有特殊要求时采用简支梁桥。鉴于此，为了解预应力钢筋混凝土与石材在性能上的区别，本文以赵州桥和现代梁桥为例，从材料性能、结构受力和施工工艺三个方面进行比较研究。
1 基础部分
1.1 材料性能
修建赵州桥基础是由五层石条砌成高1.55米的桥台。由于建造该基础的石材为石灰石，石灰石块的主要成分是碳酸钙，有良好的抗化学性。除了酸以外，许多侵蚀性物质都不能侵蚀或只能缓慢侵蚀石灰石。而大气中主要的酸性气体就是二氧化碳，很难石灰石发生反应。另外，其抗压强度高达100Mpa[1]，所以，材料强度远远满足要求。由于其住所用的石材为天然石料，内部孔隙率较小，故其抗冻性较好。因此，赵州桥的基础材料具有良好的耐久性。
桥墩用混凝土的强度一般较低，但由于桥墩直径较大，属于大体积混凝土，故一般在硅酸盐水泥中掺入混合料，如矿渣、火山灰和粉煤灰等作为胶凝材料，以降低混凝土硬化产生的的水化热并减少氢氧化钙的含量，减小由于二氧化碳造成的碳化效应。由于桥墩属于大体积混凝土，一般要求在拌合混凝土时加入适量的缓凝剂以减缓凝结速度从而降低水化热。且当于河流中时会长期被水冲刷，因此，需加入适量的减水剂和引气剂从而在满足混凝土施工和易性的同时减少水的用量，以提高混凝土的密实度。
1.2 结构受力
李春在进行基础的设计时，经过严密的勘查、比较和计算，选择在河道平直处建桥。这里的地层由河水冲积而成，地表是粗砂层，经历了很长一段时间的流水冲刷，以下是细石、粗石、细砂和粘土层。根据测算，这里的地层的地基承载能力能够满足大桥的要求。建桥至今，桥基仅下沉了5厘米，说明这里的地层的沉降量小，适合建桥。修建的基础是用5层条石砌成的，基础直接放置在地基上。由于该桥是拱桥，桥梁的基础主要承受对地基的压力和基础背侧的水平推力（被动土压力）通过简单的受力分析我们就很容易知道该桥的基础处于静态的平面受压平衡状态，不承担拉力。而前边已经指出，该石材的抗压强度高达100Mpa，而地基所承受的轴向压力仅为5～6Mpa，安全余量充足。所以，赵州桥的基础很牢固，这也是它历经上千年依旧能够正常使用的前提。
对于现代连续梁桥而言，其基础一般为桩基础。桩上边一般会有一个承台，再接着是桥墩、墩帽，有时在并排的桥墩之间还会有用来增加两个桥墩整体性的连梁。桥墩一般只承受轴向压应力，配有纵向钢筋和箍筋。纵向钢筋主要用于帮助混凝土受压、承受可能残在的小偏心受压引起的弯矩以及防止结构发生脆性破坏。箍筋主要分为一般箍筋和螺旋箍筋。配有一般箍筋的混凝土轴心受压构件可按照下式进行计算[3]：
式中， 为结构的重要性系数， 为轴向力的组合设计值， 为稳定系数， 为混凝土的轴心抗压强度， 为混凝土的毛截面积， 为纵向受压钢筋的截面积， 为钢筋的屈服强度。
由上式可以看出，在进行桥墩的设计时，混凝土中的应力接近其抗压强度，即使结构设计留有一定的安全余量，但由于混凝土结构的不均一性，可能导致混凝土构件的局部承载力不足。
1.3 施工工艺
赵州桥的基础部分为五层条石，条石之间用砂浆砌筑，而条石之间主要传递压应力，对施工工艺得要求并不高，只要砂浆曾平整即可。而现代梁桥桥墩的建设对施工工艺的要求就相对较高。
首先，桩基础部分包括基桩和承台，按照施工方法可分为沉入装、钻孔灌注桩和人工挖孔桩。桩基础的施工过程中有放线定位，按照要求打桩，做钢筋笼，将钢筋笼放入桩孔并浇注混凝土几步。这一过程需要技术人员、机械、民工的緊密配合。这对施工工艺的要求就比较高。如放线定位过程中微笑的误差就可能导致桥墩位置的侧移，从而可能产生较大的偏心受压引起的弯拉应力。其次，在桥墩的施工过程中，出一般混凝土浇注所需的立模、浇注和养生外，还需在立模后先搭建一个浇注平台，用于浇注混凝土。另外，由于桥墩属于大体积混凝土，在施工过程中既要保证混凝土具有足够的施工和易性，又必须保证不能产生过大的水化热，同时还应保证混凝土的强度和减小拌合单位用水量，以保证其耐久性和抗冻性。保证这些性质的前提是工程技术人员和施工人员以及施工器械之间的紧密有序配合。这无疑给施工过程增加了很多不确定性。赵州桥桥基所用的石材的均一性、耐久性明显比混凝土的要好，故为结构的长期使用提供了保障。
2 承载部分
由于赵州桥的主要承重石拱结构仍为石材，而现代梁桥的梁也大都为高强混凝土，在石拱砌置时，李春沿顺桥方向进行砌置。具体砌筑方式为，28道并排的拱券各自独立、单独砌筑。首先，用木头做成架子来承担砌筑拱券所用石材的重量。工人们只需要把石块按照顺序码放在架子上拱券就能修好了，这样，就使得施工比较简单，易于操作。拱券完全合拢后，公权本身就具有了自己的承载能力，从而可以移动承担重量的架子，再砌另一道相邻拱券。这种砌筑方法由于架子承受的重量最多仅为一道拱券的重量，架子可以做的比较小，从而节省了所用的木材。另外，由于拱券相互独立，使得维修比较方便，而且由于各道窄券的石块间没有相互联系，即使坏了一个，仍能正常使用，在修桥时也不影响桥上交通。
3 结束语
通过对传统石拱桥和现代梁桥两者的基础和主要承载结构的材料性能、结构受力和施工工艺对比，可知：（1）传统石拱桥的材料强度远远高于其所能承载的最大外荷载的强度，且石材的耐久性和密实性较好，但造成了材料的浪费；现代混凝土结构为了满足工程要求，其承载能力接近材料的极限强度，充分利用了材料，但由于材料的不均一性，可能导致局部破坏，因而材料的耐久性不好。（2）传统结构的设计偏于安全，结构自身的稳定性较好，但由于结构类型的原因，结构的承载能力较小，且跨度也相对较小；现代结构的跨度大，承载能力强，但结构的设计安全余量较小。（3）传统石拱桥对施工工艺的要求较低，施工过程中不可控因素较少，从而质量更容易得到保证；现代结构对施工工艺的要求较高，而且要求各方的协同配合，不可控因素也较多，因此，工程的质量可能与设计存在一定的偏差。
参考文献：
[1] 苏达根.土木工程材料[M]. 高等教育出版社.
[2] 高东光.桥涵水文[M]. 人民交通出版社.
[3] 叶见曙.结构设计原理[M]. 人民交通出版社.
作者简介：
王帅，男，郑州大学土木工程学院，交通工程专业本科生。
闵博，男，郑州大学土木工程学院，交通工程专业本科生。
关键词： 耐久性 应力水平 强度 施工工艺
0 引言
我国有许多保存至今的古代石拱桥，其中许多是我们国人引以为豪的骄傲。如苏州宝带桥、泉州五里桥和洛阳桥等。当然，最著名的还是位于河北石家庄赵县安济桥，也就是我们常说的赵州桥。赵州桥建于公元605年，由著名的匠师李春设计和建造，长50.82米，跨径37.02米，高7.23米，是一座石拱桥。相比而言，现代桥梁多为梁桥。梁桥一般为连续梁桥，只有在跨度较小或者有特殊要求时采用简支梁桥。鉴于此，为了解预应力钢筋混凝土与石材在性能上的区别，本文以赵州桥和现代梁桥为例，从材料性能、结构受力和施工工艺三个方面进行比较研究。
1 基础部分
1.1 材料性能
修建赵州桥基础是由五层石条砌成高1.55米的桥台。由于建造该基础的石材为石灰石，石灰石块的主要成分是碳酸钙，有良好的抗化学性。除了酸以外，许多侵蚀性物质都不能侵蚀或只能缓慢侵蚀石灰石。而大气中主要的酸性气体就是二氧化碳，很难石灰石发生反应。另外，其抗压强度高达100Mpa[1]，所以，材料强度远远满足要求。由于其住所用的石材为天然石料，内部孔隙率较小，故其抗冻性较好。因此，赵州桥的基础材料具有良好的耐久性。
桥墩用混凝土的强度一般较低，但由于桥墩直径较大，属于大体积混凝土，故一般在硅酸盐水泥中掺入混合料，如矿渣、火山灰和粉煤灰等作为胶凝材料，以降低混凝土硬化产生的的水化热并减少氢氧化钙的含量，减小由于二氧化碳造成的碳化效应。由于桥墩属于大体积混凝土，一般要求在拌合混凝土时加入适量的缓凝剂以减缓凝结速度从而降低水化热。且当于河流中时会长期被水冲刷，因此，需加入适量的减水剂和引气剂从而在满足混凝土施工和易性的同时减少水的用量，以提高混凝土的密实度。
1.2 结构受力
李春在进行基础的设计时，经过严密的勘查、比较和计算，选择在河道平直处建桥。这里的地层由河水冲积而成，地表是粗砂层，经历了很长一段时间的流水冲刷，以下是细石、粗石、细砂和粘土层。根据测算，这里的地层的地基承载能力能够满足大桥的要求。建桥至今，桥基仅下沉了5厘米，说明这里的地层的沉降量小，适合建桥。修建的基础是用5层条石砌成的，基础直接放置在地基上。由于该桥是拱桥，桥梁的基础主要承受对地基的压力和基础背侧的水平推力（被动土压力）通过简单的受力分析我们就很容易知道该桥的基础处于静态的平面受压平衡状态，不承担拉力。而前边已经指出，该石材的抗压强度高达100Mpa，而地基所承受的轴向压力仅为5～6Mpa，安全余量充足。所以，赵州桥的基础很牢固，这也是它历经上千年依旧能够正常使用的前提。
对于现代连续梁桥而言，其基础一般为桩基础。桩上边一般会有一个承台，再接着是桥墩、墩帽，有时在并排的桥墩之间还会有用来增加两个桥墩整体性的连梁。桥墩一般只承受轴向压应力，配有纵向钢筋和箍筋。纵向钢筋主要用于帮助混凝土受压、承受可能残在的小偏心受压引起的弯矩以及防止结构发生脆性破坏。箍筋主要分为一般箍筋和螺旋箍筋。配有一般箍筋的混凝土轴心受压构件可按照下式进行计算[3]：
式中， 为结构的重要性系数， 为轴向力的组合设计值， 为稳定系数， 为混凝土的轴心抗压强度， 为混凝土的毛截面积， 为纵向受压钢筋的截面积， 为钢筋的屈服强度。
由上式可以看出，在进行桥墩的设计时，混凝土中的应力接近其抗压强度，即使结构设计留有一定的安全余量，但由于混凝土结构的不均一性，可能导致混凝土构件的局部承载力不足。
1.3 施工工艺
赵州桥的基础部分为五层条石，条石之间用砂浆砌筑，而条石之间主要传递压应力，对施工工艺得要求并不高，只要砂浆曾平整即可。而现代梁桥桥墩的建设对施工工艺的要求就相对较高。
首先，桩基础部分包括基桩和承台，按照施工方法可分为沉入装、钻孔灌注桩和人工挖孔桩。桩基础的施工过程中有放线定位，按照要求打桩，做钢筋笼，将钢筋笼放入桩孔并浇注混凝土几步。这一过程需要技术人员、机械、民工的緊密配合。这对施工工艺的要求就比较高。如放线定位过程中微笑的误差就可能导致桥墩位置的侧移，从而可能产生较大的偏心受压引起的弯拉应力。其次，在桥墩的施工过程中，出一般混凝土浇注所需的立模、浇注和养生外，还需在立模后先搭建一个浇注平台，用于浇注混凝土。另外，由于桥墩属于大体积混凝土，在施工过程中既要保证混凝土具有足够的施工和易性，又必须保证不能产生过大的水化热，同时还应保证混凝土的强度和减小拌合单位用水量，以保证其耐久性和抗冻性。保证这些性质的前提是工程技术人员和施工人员以及施工器械之间的紧密有序配合。这无疑给施工过程增加了很多不确定性。赵州桥桥基所用的石材的均一性、耐久性明显比混凝土的要好，故为结构的长期使用提供了保障。
2 承载部分
由于赵州桥的主要承重石拱结构仍为石材，而现代梁桥的梁也大都为高强混凝土，在石拱砌置时，李春沿顺桥方向进行砌置。具体砌筑方式为，28道并排的拱券各自独立、单独砌筑。首先，用木头做成架子来承担砌筑拱券所用石材的重量。工人们只需要把石块按照顺序码放在架子上拱券就能修好了，这样，就使得施工比较简单，易于操作。拱券完全合拢后，公权本身就具有了自己的承载能力，从而可以移动承担重量的架子，再砌另一道相邻拱券。这种砌筑方法由于架子承受的重量最多仅为一道拱券的重量，架子可以做的比较小，从而节省了所用的木材。另外，由于拱券相互独立，使得维修比较方便，而且由于各道窄券的石块间没有相互联系，即使坏了一个，仍能正常使用，在修桥时也不影响桥上交通。
3 结束语
通过对传统石拱桥和现代梁桥两者的基础和主要承载结构的材料性能、结构受力和施工工艺对比，可知：（1）传统石拱桥的材料强度远远高于其所能承载的最大外荷载的强度，且石材的耐久性和密实性较好，但造成了材料的浪费；现代混凝土结构为了满足工程要求，其承载能力接近材料的极限强度，充分利用了材料，但由于材料的不均一性，可能导致局部破坏，因而材料的耐久性不好。（2）传统结构的设计偏于安全，结构自身的稳定性较好，但由于结构类型的原因，结构的承载能力较小，且跨度也相对较小；现代结构的跨度大，承载能力强，但结构的设计安全余量较小。（3）传统石拱桥对施工工艺的要求较低，施工过程中不可控因素较少，从而质量更容易得到保证；现代结构对施工工艺的要求较高，而且要求各方的协同配合，不可控因素也较多，因此，工程的质量可能与设计存在一定的偏差。
参考文献：
[1] 苏达根.土木工程材料[M]. 高等教育出版社.
[2] 高东光.桥涵水文[M]. 人民交通出版社.
[3] 叶见曙.结构设计原理[M]. 人民交通出版社.
作者简介：
王帅，男，郑州大学土木工程学院，交通工程专业本科生。
闵博，男，郑州大学土木工程学院，交通工程专业本科生。