張錚，張博恒，繆遠，李振,3

(1.福建工程學院 土木工程學院，福建 福州 350118；2.福建工程學院 城鄉(xiāng)與建筑規(guī)劃學院，福建 福州 350118；3.壽寧縣住房和城鄉(xiāng)建設局, 福建 寧德 355500)

木拱廊橋是一種“河上架橋，橋上蓋廊，以廊護橋，橋廊一體”的古老而獨特的橋廊類型，又稱“虹橋”和“虹橋式木拱廊橋”。而閩浙木拱廊橋是其中技術含量最高的一種，是我國古代木構橋梁的杰出代表。閩浙木拱廊橋與傳統木構橋相比，其獨特的編木形式不僅增大了橋的跨度，而且雙系統結構使廊橋銜接緊密，結構穩(wěn)固精巧，受力更加合理。為此國內學者對閩浙木拱廊橋展開了多方面研究，并取得一些成果。茅以升[1]、唐寰澄[2-3]、方擁[4]最早開始關注閩浙木拱廊橋，通過研究發(fā)現閩浙木拱廊橋和汴水虹橋結構類型的相似性，論述了木拱廊橋的發(fā)展過程，結構特征以及建筑史上的意義。之后，更多的學者對木拱廊橋進行了更為詳細的研究和結構分析，并從工藝傳承、營造技術、結構受力、工匠團隊等方面進行了研究。

近年來，木結構建筑受到學者越來越多的關注，特別是擁有特殊結構形式的閩浙木拱廊橋，研究多集中于廊橋宏觀的文物保護、建筑特色和人文影響，分析其文化藝術價值和建筑構造等，對廊橋結構性能的研究大部分為整橋結構，對廊橋節(jié)點轉動剛度和橫向荷載的傳力研究仍然不足，缺乏較為可靠準確的計算方法和設計規(guī)范，不利于廊橋的保護修繕和設計建造。本文以閩浙木拱廊橋的營造特點為基礎，從結構工程的研究視角，對國內外閩浙木拱廊橋結構性能的研究進行綜述，探討此類廊橋結構的受力體系、傳力路徑和影響因素，以期為今后此類廊橋體系在結構工程領域的科學研究與工程應用提供參考。

1 閩浙木拱廊橋的構造特點

閩浙木拱廊橋主要是由苗桿通過桿端的榫卯連接搭接而成的。以福建省寧德市壽寧縣犀溪鎮(zhèn)福壽橋為例(見圖1)，第一系統由一排三節(jié)苗組成，是主要的受力構件,第二系統由一排五節(jié)苗構成。兩系統相互交織，共同受力，荷載通過苗桿傳到底部橋臺上。同一系統的苗桿通過牛頭傳遞內力，牛頭側面鑿出卯口，苗桿端部鑿出榫頭與牛頭連接。為減小上橋坡度，架設橋板，兩側橋板苗與緊靠橋臺的將軍柱榫卯連接，中間其余的橋板苗搭接在將軍柱的畫眉梁上。

圖1 廊橋結構[5]

在橋板苗與下部苗桿拱架之間架設“馬腿”傳遞橋板荷載。為增加廊橋側向剛度，架設剪刀苗，此種構件類似框架結構中的斜撐。廊橋上部搭設廊屋，這既可以遮風避雨，給人們提供娛樂集會的場所也可以增加橋體重量，有利于提高廊橋的整體性和穩(wěn)定性。廊屋部分完成后，絕大多數廊橋會鋪設風雨板避免結構部分被雨水侵蝕。

2 閩浙木拱廊橋的材料性能

2.1 木材材性

木材是一種不均勻的各向異性材料，可看作是正交各向異性材料，由順紋縱向、橫紋徑向和橫紋切向3個互相垂直的材料主軸組成，3個方向物理力學性質差異很大。木材順紋方向的抗拉、抗壓強度都遠大于橫紋，所以木材適合做以軸壓為主的構件，如傳統古建中的柱和閩浙木拱廊橋拱架結構中的苗桿等。

楊娜[6]提出的只包含單一參數的纖維復合材料的本構模型，在假設材料為各向同性的條件下，提出一種包含雙參數的彈塑性木材本構模型。陳志勇[7]基于有限元軟件ABAQUS，模擬木材在復雜應力狀態(tài)下的力學性能，并建立了能夠反映木材正交各向異性的彈性、抗拉、抗壓強度不等、受拉受剪時發(fā)生脆性破壞和受壓時發(fā)生塑性變形的本構模型，見圖2。姜紹飛[8]考慮木材生長環(huán)境與長期荷載共同作用下的溫濕變形、蠕變、機械吸附蠕變以及塑性行為，推導并建立環(huán)境與荷載長期作用下的木材彈塑性模型。

圖2 木材的應力-應變關系[8]

杉木的樹干通直，枝小節(jié)小，材質軟，壓彎性能優(yōu)越，膨脹小，是閩浙木拱廊橋苗桿的主要材料，畢勝[9]從結構受力、自然環(huán)境、人文因素等方面闡述閩浙木拱廊橋使用杉木做構件的優(yōu)越性。陳瑞英[10]進行了杉木間伐材和天然杉木的物理力學性能研究，對杉木的物理性質、3個方向的抗壓強度、沖擊韌性和抗劈性能進行了試驗分析。王展光[11]以黔東南的杉木為對象，進行3個方向受壓、受拉和受彎性能的試驗，研究表明，杉木的抗彎性能很差，順紋的抗壓強度和抗壓彈性模量都遠大于橫紋徑向和弦向的抗壓強度和抗壓彈性模量。在結構受力方面，閩浙木拱廊橋拱架中的苗桿存在軸力，這充分利用了木材順紋抗壓、抗拉強度好的特點。

2.2 木材的老化與腐蝕

在廊橋長期使用過程中，木材由于長時間的風吹、雨打或微生物的侵害而朽爛，物理性能降低，最終使木構件破壞。很多學者對古建筑木材的老化腐蝕進行了研究，閩浙木拱廊橋苗桿多采用杉木等軟木，徐明剛[12]對古建筑中的舊杉木與新杉木進行材性試驗，得出舊杉木內部組織老化，各種物理性能衰減，與新杉木相比，舊杉木的橫紋抗壓強度、抗彎彈性模量、抗彎強度、順紋抗壓強度都有不同程度的降低。閩浙木拱廊橋牛頭是重要的節(jié)點構件，多采用松木等硬木，陳國瑩[13]對應縣古塔里的松木進行材性試驗，通過新舊木材的力學性質比較，分析得出舊松木的橫紋抗壓和抗拉強度顯著降低，硬度和剪切模量有所增加，力學性能的下降最終導致木結構構件的彎曲、劈裂、折斷。

木材受含水率影響較大，作為主要構件的木材使用前會進行露天曬干等方式控制其含水率，過濕會引起腐爛變形，過干也會引起龜裂松弛。新舊木材的強度隨著含水率的升高而降低，在一定范圍內兩者基本呈線性關系[12]，根據木結構設計規(guī)范[14]現場制作的圓木或方木結構的含水率不應大于25%。

廊橋殘損部位一般通過更換構件或增加支撐強化結構，對于廊橋多處損壞腐朽的構件，常常落架大修。廊橋構件表面刷生桐油漆以此來延長使用壽命，橋面鋪設鵝卵石、磚塊，并在其下層鋪以石灰木炭等防潮材料，以此達到防火和防潮的目的[15]。

3 閩浙木拱廊橋結構受力機理研究

3.1 荷載

(1)豎向荷載

廊橋承受的豎向荷載作用，包括廊屋靜荷載、橋面靜荷載、橋面活荷載等。

張鷹[16]提出了閩浙木拱廊橋在二維平面上僅考慮單榀三節(jié)苗、五節(jié)苗系統及其支點的受力狀態(tài)的力學結構模型，明確表示了在均布荷載作用下，三節(jié)苗與五節(jié)苗系統之間的作用力。歐加加[17]建立了三節(jié)苗單系統、五節(jié)苗單系統和三節(jié)苗+五節(jié)苗系統的三維力學結構模型，對比后發(fā)現在均布荷載作用下三節(jié)苗+五節(jié)苗系統發(fā)生整體變形，變形使五節(jié)苗中牛頭與三節(jié)苗斜苗接觸處脫空不受力，在非均布荷載作用下，脫空現象會更明顯，降低了結構利用率。若考慮輔助構件馬腿，橋面荷載將會通過馬腿作用在五節(jié)苗中牛頭脫空的反方向，這樣不僅可以避免牛頭脫空，還可以分擔橋面荷載，提高結構利用率。

閩浙木拱廊橋屬于輕型拱橋，不對稱荷載對廊橋結構的影響很大。王柏生[18]對浙江景寧縣的東坑下橋進行荷載試驗，對橋體施以均布荷載，分析橋體關鍵節(jié)點的撓度變形，通過試驗，得到東坑下橋的正常工作荷載，并通過有限元計算發(fā)現非對稱荷載對橋體的穩(wěn)定不利。季光耀[19]對閩浙木拱廊橋結構的簡化模型進行機動性分析，發(fā)現在對稱荷載下，廊橋是超靜定結構，但是在不對稱荷載下，結構未受荷一側牛頭與苗桿脫空，廊橋變?yōu)閹缀慰勺凅w，導致廊橋的剛度變小，容易失穩(wěn)。在非對稱荷載作用下，主拱結構會產生沿橋體方向的縱向位移，而且荷載作用側的位移更大[5]。淳慶[20]、劉妍[21]等人對浙江泰順的文興橋進行了結構分析，發(fā)現文興橋橋板剛度不足，加上長期不對稱荷載造成了文興橋橋肩一高一低的大變形。所以在廊橋設計時以非對稱荷載作為變形控制荷載。

廊屋荷載通過梁柱傳到橋面板上，橋板苗連接到五節(jié)苗上牛頭，五節(jié)苗橫苗是橋板的一部分，如圖3所示。豎向荷載直接作用在五節(jié)苗橫苗和三節(jié)苗牛頭上，三節(jié)苗上牛頭的荷載通過三節(jié)苗下斜苗傳到墊苗木。五節(jié)苗苗桿通過牛頭連接傳遞荷載，輔助構件馬腿將一部分橋面荷載直接傳遞到五節(jié)苗中牛頭，使五節(jié)苗中牛頭與三節(jié)苗斜苗緊密接觸，最終荷載通過五節(jié)苗下斜苗傳遞到墊苗木。墊苗木放置在橋墩上，荷載通過橋墩傳遞到地基里。在荷載傳遞過程中，節(jié)點除了傳遞軸力，是否還承擔一部分的彎矩和剪力，還需要通過實橋試驗進一步探究。

圖3 廊橋豎向荷載傳遞簡圖

(2)橫向荷載

廊橋承受的水平荷載作用，包括風荷載、洪水荷載等。

閩浙地區(qū)沿海多臺風，臺風對于廊橋的影響主要集中在廊屋部分，廊屋位于廊橋最高處，所受風力較大，風荷載作用下，廊橋的破壞往往始于廊屋的非結構部分。劉明暉[22]研究廊橋在風荷載下的結構特性，發(fā)現在水平荷載作用下，廊屋比橋體側移更大，跨中側移最大，剪刀苗可以顯著減小風荷載作用下的廊橋側移。風荷載作用下，還會形成使廊屋和橋面向上位移的頂推力，進而使廊橋失穩(wěn)破壞。但是劉明暉的廊橋模型沒有考慮將軍柱和橋墩的作用，這可能導致理論分析橋板的豎向和橫向位移都很大。此外，廊橋還采用上窄下寬的側腳處理限制橋體側向變形。

洪水是各種自然災害中對廊橋結構影響最大的，其破壞集中在橋體部分，洪水作用下整體性差、構件強度不高的廊橋極易倒塌。2016年，閩浙地區(qū)受臺風“莫蘭蒂”影響，洪水沖毀了兩地區(qū)“國寶級”廊橋6座，廊橋的防洪保護刻不容緩。張璇[23]在不同頻率洪水作用下，對有無風雨板兩種廊橋進行分析，研究表明有風雨板會大大增加廊橋所受到的側向力和豎向力。而且，洪水作用會削弱廊橋的自重效應，使橋身上浮，構件脫榫，最終導致整體結構的破壞和倒塌。此外，洪水的沖刷和浸泡還會直接或間接破壞橋墩地基，導致基礎位移，隨之上部結構遭到破壞[24]。

風雨板是木拱廊橋防風防雨的重要部件，但在水平荷載下風雨板對整體結構是不利的，風雨板增大了水平荷載的接觸面積，使原本抗側向力就很差的廊橋受到更大的水平力。所以，如何在風雨板傳統樣式和改進風雨板利弊之間進行取舍有待進一步研究。

3.2 結構體系

閩浙木拱廊橋結構體系包括三節(jié)苗、五節(jié)苗、橋板和廊屋4個受力系統，如圖4。三節(jié)苗作為主要受力構件組成第一系統，五節(jié)苗作為第二系統與三節(jié)苗相互編織傳力，組成整個廊橋拱架。橋板一開始只被作為輔助構件，劉妍[21]通過分析確立了橋板苗在整體結構穩(wěn)定方面的重要性，并將其歸為第三系統，與三節(jié)苗或五節(jié)苗牛頭連接。廊屋作為閩浙木拱廊橋的第四系統搭建在橋面板上。閩浙木拱廊橋各個系統之間是否能夠協同受力是決定廊橋整體結構穩(wěn)定的關鍵。

圖4 廊橋結構簡圖

3.2.1 三節(jié)苗+五節(jié)苗系統

唐寰澄[2-3]最早提出了木拱廊橋的兩個系統，并指出兩個系統之間的相互作用關系，如圖5所示。蘇旭東[25]對雙三節(jié)苗、三節(jié)苗+四節(jié)苗和三節(jié)苗+五節(jié)苗3種不同結構形式的廊橋進行分析，認定三節(jié)苗+五節(jié)苗廊橋是現存廊橋最為成熟的結構形式。楊艷[26]對福建省壽寧縣的溪南橋進行有限元受力分析，發(fā)現荷載作用下廊橋與兩鉸拱的變形和受力非常相似，具有拱結構的受力特征，可將閩浙木拱廊橋認為是拱結構。歐加加[17]通過有限元分析發(fā)現三節(jié)苗+五節(jié)苗系統不僅可以相互傳遞荷載，避免局部變形過大，并且增加了廊橋的整體性，通過三節(jié)苗和五節(jié)苗相互編織產生的協調變形共同承受外部荷載，三節(jié)苗或五節(jié)苗單系統的變形較大，有明顯的應力集中現象。李小午[27]通過探究發(fā)現五節(jié)苗系統在協調廊橋結構變形與內力分布中有著重要作用，三節(jié)苗和五節(jié)苗雙系統相互編織，傳遞荷載，避免了應力集中，增強了廊橋的結構性能。呂偉榮[28]對浙江麗水九龍國家濕地九龍木拱廊橋進行有限元分析，得出苗桿上存在軸力，彎矩和剪力很小，苗桿通過牛頭銜接相互交叉實現拱結構機制。

圖5 三節(jié)苗+五節(jié)苗系統受力簡圖

3.2.2 橋板系統

橋板系統是閩浙木拱廊橋除三節(jié)苗系統和五節(jié)苗系統以外不可忽略的第三系統。橋板對三節(jié)苗和五節(jié)苗有顯著的分擔荷載的作用，即使在橋板苗和五節(jié)苗下牛頭之間使用馬腿分擔橋面荷載，橋板苗所承受的彎矩仍然大于三節(jié)苗和五節(jié)苗。對于沒有“馬腿”的小型拱橋，橋板苗的結構作用將更加重要。季光耀[18]探討閩浙木拱廊橋主體結構具有互承特性，通過分析幾何構造，發(fā)現廊橋是有限次的靜定結構，橋板苗和廊橋主體結構不同的連接方式會使廊橋轉變?yōu)樗沧凅w系或者幾何可變體系，即使拱架系統中出現腐蝕和裂縫等局部損傷，結構的超靜定和良好的整體性使廊橋不至于毀壞。浙江泰順文興橋的橋板苗中間連接是三節(jié)苗牛頭，三節(jié)苗牛頭與五節(jié)苗上牛頭之間以短苗連接，見圖6(a),與傳統閩浙木拱廊橋橋板苗連接五節(jié)苗牛頭不同，見圖6(b)，這種做法導致橋板苗剛度嚴重不足，在長期非對稱荷載作用下，文興橋發(fā)生較大不對稱變形[20]。從廊橋結構的演變過程來看，其本質上是橋板系統和三節(jié)苗與五節(jié)苗系統的不同組合[21]。

圖6 橋板苗系統受力簡圖

3.2.3 廊屋系統

閩浙木拱廊橋橋板上搭設廊屋，除了防風擋雨的作用外，廊屋對結構受力也是有利的，結構簡圖見圖7。劉建新[29]通過對與廊橋結構相似的汴水虹橋進行荷載分析，發(fā)現虹橋有廊屋比沒廊屋的苗桿軸力值增大了一倍，彎矩值減小了40%，進一步分析表明，有廊屋的苗桿應力值總體上呈減小趨勢。通過廊屋增大橋面荷載使苗桿基本處于受壓狀態(tài)，這也減小了榫卯節(jié)點受拉能力不足的缺點。閩浙木拱廊橋的廊屋大部分為重檐屋頂，這種做法不僅為了裝飾美觀和神佛祭祀，從結構力學角度來看，橋面上的均布荷載會使橋面跨中發(fā)生向上撓曲的現象，向上撓曲處會產生負彎矩，這對于受力角度來說是不利的，所以加大橋跨中的荷載也在一定程度上減小向上撓曲現象，抵消跨中的負彎矩。所以，對于閩浙木拱廊橋這種輕型的拱式結構，增加橋面均布荷載是有利于結構受力的，非均布荷載作用下這種優(yōu)勢將更明顯。

圖7 廊屋系統

3.3 節(jié)點

牛頭是廊橋傳力的重要構件，牛頭與苗桿之間采取榫卯連接，以燕尾榫和直榫為主。橋梁結構領域對榫卯節(jié)點問題研究較少，但木結構古建筑方面對榫卯節(jié)點有較多的研究。因此在資料不足的情況下，可以參考木結構古建筑的榫卯節(jié)點研究成果。

在木結構古建筑節(jié)點研究中，梁柱榫卯節(jié)點一般作為半剛度連接。趙鴻鐵[30-33]通過低周反復荷載試驗，探究燕尾榫、半榫、透榫的半剛性連接特性和剛度退化規(guī)律。趙均海[34-35]研究不同轉動剛度對西安東門城樓動力特性的影響。隋允康[36]、康敏[37]從轉動剛度和半剛性方面進行了榫卯節(jié)點的有限元模擬，應鵬杰[38]從材性方面對榫卯節(jié)點進行精細化的有限元建模分析，李雙[39]進行了榫卯節(jié)點接觸特性的研究。

閩浙木拱廊橋榫卯節(jié)點與傳統木結構古建的梁柱榫卯節(jié)點并不完全相同，廊橋的部分榫卯節(jié)點搭接在下部苗桿，而且兩苗桿之間在榫卯連接處形成大于90°的夾角，牛頭上多處開口，對榫卯節(jié)點的受力、轉動剛度都可能產生影響，如圖8所示。所以在閩浙木拱廊橋力學性能研究中，張鷹[16]、淳慶[5]、劉妍[21]、李小午[27]、劉建新[29]等將廊橋的榫卯節(jié)點當作鉸接處理。

圖8 三節(jié)苗結構和五節(jié)苗結構

此外，有學者進行了廊橋鉸接和固接的比較研究。楊艷[40]進行了閩浙木拱廊橋節(jié)點剛度的整橋試驗，模擬廊橋節(jié)點的鉸接和固接形式，探究了鉸接、固接兩種節(jié)點形式的廊橋在不同荷載工況下的受力變形，研究發(fā)現非對稱荷載下鉸接對于廊橋整體的撓度影響比剛接更大。而且在不同荷載工況下，鉸接形式的廊橋的最大撓度是剛接形式廊橋撓度的2～5倍，因此不可忽略節(jié)點剛度對于廊橋受力變形的影響。

榫卯結構在傳統木結構建筑中常常被當作半剛性連接，所以歐加加[17]分析了閩浙木拱廊橋的廊橋節(jié)點剛度對于結構性能的影響，通過廊橋節(jié)點的縮尺試驗，分析得到節(jié)點剛度對廊橋的受力、變形有較大的影響，在非對稱荷載下節(jié)點剛度對廊橋構件的變形影響很大，而且榫卯連接處同時是薄弱位置，在施工階段就要保證榫卯節(jié)點的牢固和剛度，使廊橋具有良好的穩(wěn)定性和承載力。呂偉榮[28]通過Sap2000有限元分析探究到木拱廊橋的三節(jié)苗和五節(jié)苗上牛頭的彎矩和剪力很大，應保證牛頭節(jié)點處的剛度。

在節(jié)點加固措施上，熊俊峰[41]使用鋼木節(jié)點加強廊橋節(jié)點，以此避免傳統榫卯節(jié)點開孔對構件抗剪能力和剛度的影響，此種做法不僅提高了節(jié)點可靠度而且使廊橋修建高度標準化，提高了加工效率和安裝效率，降低了傳統榫卯節(jié)點營造技術對于傳統工匠的依賴，是廊橋節(jié)點加固的一種可行方案。

節(jié)點剛度對廊橋結構的受力變形有顯著的影響，廊橋節(jié)點擁有其構造的特殊性，在設計和后期加固維護措施上不能完全參照傳統木結構建筑的榫卯節(jié)點，需要對此類廊橋獨特的節(jié)點形式進行試驗和有限元的進一步研究。

4 結論

目前，閩浙木拱廊橋正在申請世界文化遺產，相關科研機構和地方政府對遺留下來的廊橋也進行了大量的研究和修復，近幾年民間也新建了大量的廊橋，深入開展廊橋的結構性能研究已經迫在眉睫。

1)廊屋等均布荷載對閩浙木拱廊橋的受力變形和結構穩(wěn)定是有利的，但廊橋抵抗非均布豎向荷載和橫向荷載的能力較弱，風荷載對廊屋的影響更大，如何提高廊橋側向剛度需要進一步的研究?，F階段缺少對于閩浙木拱廊橋水平荷載下的傳力分析以及地震荷載作用下的結構受力變形分析。

2)閩浙木拱廊橋結構是比較成熟的結構體系，有拱的受力特征，構件中主要存在軸力，各系統之間相互作用，共同受力，擁有良好的受力特征。三節(jié)苗系統和五節(jié)苗系統相互編織是廊橋主要承重結構，橋面系統加強廊橋整體的穩(wěn)定和剛度，廊屋系統加大橋面荷載，使廊橋整體結構受力更合理。

3)三節(jié)苗系統與五節(jié)苗系統是閩浙木拱廊橋最主要的受力系統，目前，對廊屋和橋板系統以及非主體結構的馬腿、剪刀苗等與主體受力系統之間相互作用的研究還不充分。為了達到更加良好的受力和變形性能，對閩浙木拱廊橋構件的布置優(yōu)化需要一個完善的研究理論方法。

4)閩浙木拱廊橋的結構多為宏觀角度分析，缺少榫卯節(jié)點構造、受力性能等細觀層次的分析。傳統木結構建筑與閩浙木拱廊橋的榫卯節(jié)點并不完全相同，對于閩浙木拱廊橋的節(jié)點研究大多參考的是傳統木結構建筑中的榫卯節(jié)點，這不能恰當地反映真實的廊橋節(jié)點特性。需要對閩浙木拱廊橋榫卯節(jié)點構造和受力性能進行更為系統的研究，探討理論分析的節(jié)點剛度與實際情況是否相符。

5)廊橋從開始修建到使用后的保護修繕，全靠以往的經驗積累，缺乏科學依據，這會導致資源浪費和無法保證安全性?；诂F代結構工程技術，給出廊橋體系的計算模型，并提出適用于廊橋的系統設計方法，這不僅是廊橋保護修繕的需要，也可對新建的廊橋進行規(guī)范性指導。