编木拱桥在中国有着悠久的历史, 这种结构形式最早发现于宋代, 早在12世纪北宋著名画家张择端创作的《清明上河图》画卷中, 就有一座大型木拱桥——汴水虹桥。它是由多节大木拱骨组成的折梁体系, 桥梁沿横向共有三折拱骨和四折拱骨两个系统, 两个系统交错搭置, 纵横相架, 相互承托, 形成一个形似彩虹的近似于拱形的结构。这种结构的主要巧妙之处在于以直代曲, 以便于用原木来搭建拱形桥梁。由于木拱桥材质较轻, 对地基承载力要求低, 非常适合当年汴梁城的地质情况。继北宋以后, 在近代闽浙一带也出现了采用这种编木拱技术搭建的廊桥。至今, 这种形似长虹卧江的编木拱桥梁仍然有非常好的观赏价值和文化价值。

　　 在20世纪50年代, 著名桥梁学家唐寰澄推测出汴水虹桥梁木穿插别压而成的结构体系, 并用火柴棍搭建出汴水虹桥主拱的结构模型, 通过考察研究, 认为分布在闽浙两省的木拱廊桥就是在汴水虹桥基础上进行了结构和技术上的改进, 演变出来的廊桥结构。这种结构形式也被编入了茅以升主持编著的《中国古桥技术史》^[1]一书中。2009年10月“中国木拱桥传统营造技艺”被联合国教科文组织列入首批“急需保护的非物质文化遗产名录”。在现代, 学界对古老的编木拱虹桥的结构形式展开了大量研究。杨士金^[2]分析了叠梁拱的结构特征及受力特点, 并将这种结构形式拓展到钢结构。张成等^[3]对汴水虹桥和闽浙两省的木拱廊桥的结构形式进行了比较研究。覃池泉等^[4]将虹桥的结构机制归结为互承结构。刘君平等^[5]对中外木拱结构进行了对比, 认为中国编木拱桥的优势是化整为零, 可利用较短木材构造大跨桥梁, 以直代曲, 减小了弯曲工艺, 但缺点是节点复杂。杨艳等^[6]对中国编木拱桥进行了有限元数值分析及荷载试验对比, 两者结果基本一致, 证明利用有限元设计编木拱桥的方法是可靠的。编木拱构造复杂, 它依赖于具有特殊技能且手艺精湛的木匠, 至今这些木匠已经很稀少, 这种编木拱建造工艺正在消失, 因此将传统的编木拱技术与现代木结构建造新工艺新技术相结合, 尽量减少对技术工匠的依赖, 才能够使编木拱结构重新得到推广。在2019北京世园会园区内, 采用现代桥梁设计方法及建造技术修建了一座具有传统民族风格的青杨洲编木拱虹桥, 本文主要对此桥的结构设计和施工新技术进行介绍, 为以后类似桥梁的设计施工提供参考。

　　 青杨洲编木拱虹桥是2019北京世园会园区内的一个景观桥梁 (图1) , 为单孔编木拱桥, 桥梁全长14.4m, 净跨距13.6m, 宽3.8m。桥梁主体结构由编木拱支撑系统和桥面拱肋组成 (图2, 图3) 。编木拱支撑系统由直方木杆件连接组成, 节点采用钢连接板连接;桥面拱系统由弧形方木杆件连接组成, 杆件之间通过螺杆连接。为方便施工和降低自重, 桥面铺装采用等厚形式。编木拱横木两端分别雕刻图案, 造型美观, 同时反映了中国的传统桥梁特色和民族风格。

　　 青杨洲编木拱虹桥相对于传统贯木拱桥主要不同之处是, 它融入了现代木结构的加工、制作和建造工艺, 从而达到了省工省时便于施工的目的。它的特征主要体现在:第一, 结构材料采用经过炭化处理的户外防腐花旗松胶合木, 这种现代胶合木技术突破了由于木材生长差异性带来的限制, 尺寸、强度等方面都较为稳定, 有助于采用现行设计规范进行计算分析, 便于采用标准化工业化技术加工和处理, 加工效率高, 质量可控。第二, 用方木代替了圆木, 施工方便, 并且提高了材料利用效率, 因为方木比圆木具有更大惯性矩, 从而减小了截面, 节省了材料。第三, 用钢连接板代替了传统的榫卯节点, 从而提高了节点工艺的标准化, 减小了节点部位加工和施工的难度, 节省了成本, 提高了效率。并且现代钢连接节点较传统榫卯节点开洞较小, 具有更好的抗剪承载能力。第四, 结构采用了现代装配式技术, 采用标准化预制件提高了加工效率和质量, 并且将大部分需要高空作业的工作转移到地面, 提高了施工安全性。

　　 青杨洲编木拱虹桥模型采用MIDAS/Civil计算软件分析, 各杆件几何位置及空间关系与设计施工图相同, 计算模型如图4所示。编木拱系统和桥面拱肋均采用花旗松胶合木结构, 为TC13 A类木材, 弹性模量1.00×10⁷kN/m², 容重6.0kN/m³。结构拱脚与拱座的连接方式为铰接, 拱肋、横梁、立柱与桥面系之间的连接方式为刚接。计算中恒载考虑主体结构、桥面铺装层及栏杆自重, 活载考虑5kN/m²均布静压力人群荷载, 一共考虑三个工况, 工况一是全桥满布人群荷载, 工况二是半跨满布人群荷载, 工况三是半桥偏载布置人群荷载, 恒载分项系数取1.2, 活载分项系数取1.4。

　　 有限元分析结果充分证明, 编木系统1与编木系统2相互约束, 结构整体性良好, 且上述2个系统的拱骨均为全截面受压, 桥面受弯, 结构成拱效应良好。结构在最不利工况下的最大应力如表1所示。由表1可见, 结构应力满足要求。

　　 结构的稳定性分析结果表明, 结构的一阶和二阶失稳模态均为主拱拱肋面内失稳, 结构一阶失稳临界荷载系数为387, 结构二阶失稳临界荷载系数为406, 结构具有较高的稳定性。采用Lanzos法进行模态特征值分析, 结构竖向自振基频发生在二阶, 频率为18.56Hz, 远大于《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) 第3.4.6条大跨度公共建筑的允许值3Hz。

　　 青杨洲编木拱虹桥的建造 (工厂预制加上现场拼装) 仅耗时了63d, 因为此桥的建造融入了现代工业化加工制作及建造技术, 将复杂结构进行合理地拆分, 以标准化的材料、构件规格、节点构造和加工工艺, 实现规模化生产和装配式施工, 从而简化了工艺, 减小了工期。青杨洲编木拱虹桥的模块化设计、装配式施工的过程如图5～13所示。

　　 图5 在地面加工构件及节点

　　  

　　 图6 吊装前节点位置金属件的安装

　　  

　　 图7 编木系统1的吊装

　　  

　　 图8 编木系统1的安装

　　  

　　 图9 方木立柱的安装

　　  

　　 图10 在地面安装盖梁的金属节点

　　  

　　 图11 盖梁的架设

　　  

　　 图12 弧形方木桥面的安装

　　  

　　 图13 虹桥栏杆安装以后

　

　　 模块化设计是一个运筹学问题, 它的主要工作是将拟建造的青杨洲编木拱虹桥进行合理的模块化拆分。它是施工的逆向思维, 因为施工研究的是如何“建”, 而模块化设计研究的是如何“拆”。由于青杨洲编木拱虹桥建造分为三个阶段, 第一阶段是在工厂生产标准化的预制件, 将加工完成后标准化的预制件运输至现场的预加工场地;第二阶段是在现场预加工场地将标准化的预制件拼装成构件;第三阶段是将构件整体吊装并安装成型。因此青杨洲编木拱虹桥的模块化拆分共分为两次:第一次拆分是将现场一次性吊装能力、一次性吊装刚度限制、现场场地空间限制等因素作为约束条件, 将建筑拆分成尽可能大的单位构件, 以减少高空作业的工作量;青杨洲编木拱虹桥第一次拆分可划分为下列构件:编木系统1、编木系统2、横梁、方木立柱、盖梁、弧形方木桥面、横向拉杆、钢筋混凝土桥面、预应力稳定索、桥面铺装、栏杆。第二次拆分是将一次性运输能力、工厂生产能力、连接刚度及难度等因素作为约束条件, 将构件再次拆分成尽可能标准化的预制件及标准节点。　  

　　 因此虹桥的施工顺序是:在工厂内加工标准化的预制件和节点连接件, 并对连接件及零部件进行编号, 将上述构件运输至现场预加工场地后合理放置。在预加工场地安装各个部件的钢节点, 并通过钢节点及紧固件将部件拼装成整体的构件, 具体过程为:将编木系统1整体吊装到位后与基础上预埋的角钢连接, 以编木系统1为平台, 吊装及拼装编木系统2及横梁, 形成主拱体系;然后, 将方木立柱安装在主拱体系上, 并在立柱上架设盖梁, 然后在盖梁上安装弧形方木桥面, 并安装横向螺杆, 使方木桥面变成一个整体;最后, 依次施工钢筋混凝土桥面, 桥面铺装及栏杆。

　　 节点连接的可靠性是青杨洲编木拱虹桥装配式施工的关键, 并同时要使节点易生产、易安装。传统榫卯节点生产程序复杂, 对工匠技术要求较高, 并且因开孔开槽较大而影响抗剪能力和刚度。相对而言, 本工程应用的现代木结构中的钢连接节点更适合于装配式施工, 它能够做到高度标准化, 提高加工效率及安装效率, 降低对技术工匠的依赖, 同时也提高了节点的可靠度。

　　 青杨洲编木拱虹桥采用了现代钢木节点替代传统榫卯节点, 代表性的搭接节点与对接节点如图14～16所示。钢木节点连接机理是将带螺栓孔的钢板插入需要连接的木构件槽内, 然后安装螺栓完成节点安装。这种连接方式的先进性在于, 开槽时采用电锯一锯成型, 省时省工, 钢板置于木构件内部, 在外观上这种钢节点也是被隐藏起来的, 与传统榫卯节点几乎无视觉上的差异。

　　 (1) 青杨洲编木拱虹桥的工程实践, 首次将现代木结构建造技术应用于修建传统贯木拱桥梁工程, 成功地应用了装配式技术和现代钢木节点, 这种方式施工效率很高, 精度控制好, 未出现返工现象。大大减少了工期, 降低了成本。

　　 (2) 青杨洲编木拱虹桥的三维有限元分析结果表明, 编木系统1与编木系统2相互约束, 整体性良好, 上述2个系统拱骨均为全截面受压, 表明结构成拱效应良好。结构设计满足强度及稳定性要求。

　　 (3) 总结了模块化设计及装配式施工的方法, 此方法降低了对传统工匠的依赖, 使构造复杂的传统编木拱结构能够被标准化地复制, 为这种正在消亡的传统编木拱桥梁结构寻求一条新的出路。