前言：

通过对我国古代拱桥实物的考察，对其机械技术的发展现状进行了梳理，并对其起源、流变、演变、以及与之相关联的机械技术进行了初步的研究。研究发现，拱桥在许多方面都与现代力学原则相一致，并有其特有的计算方式，经过了春秋战国的酝酿，秦汉的兴起，隋唐的成熟，宋元的发展，明清的继承和普及。

拱桥所反映的受力层次

古代工匠用石头和木头搭建的拱桥，不仅线条优美，风格简单，还能经历数千年的风吹雨打而不倒，其中有不少还能用到现代，就是因为对系统进行了准确的力学分析，以及对结构进行了严格的设计。古时拱桥的受力机理，就是将竖向荷载所引起的轴向应力，由拱形向拱脚传导，转化为拱脚上的侧向推力，并在拱脚上形成竖向应力。

在建筑中，叠梁木拱的机械构造更为明显，比如《清明上河图》中所画的汴京虹桥，就是将一段一段的短木斜插而成，充分发挥了其纵轴压缩强度高的优点。将竖向桥梁荷载顺梁柱对角传力到梁柱及拱脚处。在这一点上，我们可以看到现代力学中的传力原理和静力学理论。

古拱桥有其自身的规律性，有其特殊的计算方法。首先，要把握全局，按照河道宽窄，确定需要开洞的数量，然后确定整个桥梁的比例。

其次，拱桥通常为单数，中孔为最大，其他从小到小，各拱桥之间的钢筋混凝土墙体尺寸一致，全部拱脚都在同一平面上；桥梁的斜率和拱门的斜率是一样的，根据前人的经验，明人不说暗话，单说暗话就是12%,30米以上的桥梁长度就是6.5%；桥墩的出、收部分通常为桩基础，或直接置于基岩中，或置于自然土壤中，其承载能力相匹配。

桥墩之间，紧贴着海堤的石头，石头下面，则是一块一块的石头，桥梁的两头，都是用石头砌成的，桥墩，海堤，码头都是在一个平面上的。这就构成了结构的力学对称，它拥有很强的整体稳定性。

此外，桥身刚度均匀，载荷所引起的应力不致集中，可以实现等安全度。桥面几百米长不是建造为平面，而是做成平缓曲面，这样不仅可以避免车辆难以通行，还有利于均衡拱券的载荷，降低券石的切应力，与现代的动载离心思想有着相似之处。同时，拱门的拱脚与拱脚的跨距成正比。

在内蒙地区，最早见到的一座拱门是公元前127年的一座基室砖石拱门。最早出现在图像材料中的是东汉时期的拱桥，例如：山东嘉祥武氏祠堂壁画中的三面折角拱木桥、邹城壁画中的圆拱石桥、河南新野壁画中的平拱木桥、四川彭县壁画中的平拱木桥等等。在这一时期，我们国家在力学理论和实践方面都有了长足的进步。

王充所著《论衡》一书，对机械实务的探讨，内容十分丰富和深刻。其中有“力重不能自称”“泉、育，古之多力者，身能负千钧，手能决角伸钩，使之自举，不能离地”，就是夏育，这两个人在古代都是赫赫有名的大力士，他们的身体可以负重，他们的双手可以折断一头牛的犄角，可以拉出一根铁链，但是他们的双臂，却无法将自己从地上抬起来。

这就是“千钧”与“大力神”之间的区别，前者是外力，后者是牛角折断，前者是被拉得笔直，后者是被拉长的铁钩，后者是用内力推动的，两者之间的力量达到了一个平衡，所以“大力神”才能稳稳当当地站在原地。王充以实例说明其道理，虽然表面上看起来很简单，但实际上却是对现代社会中“结构内部力量均衡”这一命题的呼应。

如果把它和拱桥联系在一起，就可以把它和桥梁、钢墙、码头、桩子和地面连接在一起，形成一个完整的体系，这样无论竖向荷载产生多大的内力，都可以相互抵消，维持体系的平衡。拱桥的施工和稳定，需要考虑到弹性和材料力学，这一点，单凭《论衡》中的力学知识，是远远不够的。但将文献资料和造桥术相结合，可以看出，在秦汉时代，机械已经发展到了一个相当高的程度。

在历史上，桥虽然不像历法、宫廷建筑那样举足轻重，但是它与军事、经济、民生等方面有着密切的联系，所以历来为统治者与民众所重视。商王朝以“钜桥”为名，建立了一座粮仓；洛阳天津桥是西京留守修葺而成，宋太祖曾“降诏褒美”，其后宋徽宗曾下令仿安济桥改建而成，并在此基础上重新修建；卢沟桥之修建乃为金章宗皇帝诏令而赐之。

因此，经过广泛挑选工匠，认真设计和建造，很多拱桥反映了当时民族的机械工艺水平。拱桥是由匠人建造的，而拱桥的技艺，就像武功和医术一样，都是由师傅和徒弟来建造的。因此，民间的专门组织就产生了，它的成员也要进行学习、调查、实验和研究，只不过他们是在孤立、封闭和保守的状态下进行的，而且实验也主要是通过实践来进行的。

如一名匠人收买了于浩的妻子，才能学到如何解决塔楼的稳定性问题。例如汴京长虹桥的修建，根据魏化基所提供的图纸进行试验，试验不成后，工匠们向青州的南阳桥学习，最终完工。因此，在一代代工匠的努力下，人们对拱桥的力学原理有了更深层次的理解，并在此基础上，提出了自己的理论和技术。

不过，在古代，人们只注重文治武，古籍中记载的大多是王朝兴衰，以及诗词歌赋，皇帝大多是权势滔天的权贵，百姓也都是愚昧的，所以，拱桥上的工匠，并没有得到太多的关注。

比如建造安济桥的李春，是在一百多年后，被唐代的尚书提到的，关于他的机械技术，他只说了一句：“它的结构很奇怪，没有人知道它是怎么做的。”又比如建造汴京的余昊，他的《木经》已经失传，没有人知道他是一个什么样的人。只有极少数的官员和学者，在书中看到过关于科学的记载，并在书中留下了自己的文字。

但因为他们大都是思想家，政治家，所以不可能真正地、深入地研究社会中的众多的机械实践。王充的《论衡》涉及面很广，沈括的晚年回忆录《梦溪笔谈》，李诚为监督统计材料而撰写的李诚的著作，都缺少了很多“为什么”。