论文赵州桥拱桥结构探究模型设计，本文是模型设计方面有关专升本论文范文和赵州桥和拱桥和模型相关论文范本.
［摘 要］针对苏教版通用技术必修模块“技术与设计2”第一单元第四节《经典结构的欣赏》中对赵州桥介绍不够清晰完整,导致学生无法全面了解赵州桥结构特点的问题,教师可根据赵州桥的结构特点,设计坦拱形的拱桥模型,供学生探究坦拱的水平推力产生的原因、赵州桥桥台能承受桥身水平推力的原因、赵州桥维修的方法等,有助于学生全面了解赵州桥的结构.
［关键词］赵州桥结构；探究实验；模型
［中图分类号］ G632.4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-6058（2018）15-0075-02
赵州桥拱桥结构是苏教版通用技术必修模块“技术与设计2”第一单元第四节《经典结构的欣赏》的教学内容.
一、设计背景
课本介绍了赵州桥的功能、结构设计、施工技术等内容.其中,从施工技术的角度看,课文是这样介绍赵州桥的：赵州桥的石拱由28道拱圈纵向并列砌成,每道拱圈可独立站稳,自成一体,既便于施工,又利于单独修补.这样大跨度的坦拱,对桥台水平推力很大,建造难度高.而桥台却是既浅又小的普通矩形,厚度仅为1.549m,由5层排石垒成,其地基是承载力较小的亚黏土.在这样的地基上,用这样小的桥台,建这样大跨度的石拱桥,在世界上是罕见的.
上述这段文字提及四个没有解答的技术问题：
1.赵州桥的桥体材料——条石之间是如何连接的？
2.石拱是如何进行单独维修更换的？
3.坦拱对桥台水平推力很大,这个水平推力是如何产生的？
4.地基是亚黏土,其承载力较小,桥台又是如何维持1400年不倒的？
这4个问题涉及赵州桥结构中除了敞肩拱以外的另一个关键结构：腰铁和铁拉杆.
腰铁镶嵌在同一个拱圈相邻的两块条石中,将两块条石连接成整体,如此两两相连,构成完整的拱圈.铁拉杆横穿28道拱圈,将所有拱圈连接成一个整体.
通过腰铁、铁拉杆,赵州桥形成完整的一个整体,其强度得到极大提高,同时对桥台的水平推力也极大降低,保证了桥台的安全,使坦拱的设计成为现实.
赵州桥的结构设计中,敞肩拱是创造性的特点,而腰铁和铁拉杆则是基础性的结构.显然,如果学生没有了解腰铁和铁拉杆的作用,就无法真正理解赵州桥能屹立1400年不倒的原因,这不利于培养学生的技术素养.
二、探究实验的器材和设计
为了让学生理解坦拱的力学特性,全面了解赵州桥的结构并提高技术分析能力,教师有必要还原赵州桥的力学结构,让学生通过探究的方式研究课本未给出的答案.
笔者利用3D打印机制作了自己设计的赵州桥结构探究模型,供学生探究赵州桥的水平推力产生原因和腰铁、铁拉杆的作用,如图1.
探究模型为两组拱形,根据赵州桥内拱和外拱的特点而设计,每组拱形分别由六个拱块组成,用腰铁形的插销连接.两组拱之间可以用铁杆连接.每组拱长27cm,宽3cm,拱高8.5cm,拱块厚度2.5cm.如图2、3、4、5、6.
三、探究实验设计
探究实验1：拱桥模型所受压力与水平推力大小的关系实验.实验情形如图7.
步骤1：在拱的两个基座挂上弹簧秤,将拱砌好,拱块之间不用插销连接.
步骤2：观察弹簧秤读数并记录.
步骤3：在拱的中间轻轻压上50g的钩码,观察弹簧秤读数并记录.
步骤4：逐步增加钩码的数量直至拱倒塌,观察弹簧秤读数.
本实验中,拱桥模型利用基座与桌面的摩擦力、弹簧秤的拉力维持了拱的形状.压上钩码后,拱受到的压力会转换成向外的水平分力,即水平推力,使基座向外移动,随着压力的增大,拱块之间逐渐错位,最后倒塌.弹簧秤的读数揭示了水平推力的产生和变化关系.
探究实验2：用插销连接拱桥模型,用钩码对拱桥施压,观察拱桥的状况.
步骤1：在拱的两个基座挂上弹簧秤,将拱砌好,拱块之间用插销连接.
步骤2：观察弹簧秤读数并记录.
步骤3：在拱的中间轻轻压上50g的钩码,观察弹簧秤读数并记录.
步骤4：逐步增加钩码数量,观察弹簧秤读数.
本实验中,插销将拱桥模型连成一个整体,施加在拱桥上的压力被插销和拱块中的燕尾槽所承担,只要这个结构不被破坏,拱桥就不会垮塌.
探究实验3：用铁拉杆固定两套拱,研究维修赵州桥的施工方法.
实验情形如图9.
步骤1：将两组拱砌好,拱块之间用插销连接.
步骤2：用铁杆连接两组拱.
步骤3：学生尝试用按压、扭曲等手段验证拱桥模型的强度.
步骤4：学生在保持两组拱不散架的情况下将其中一个拱块拆除,再复原.
本实验揭示了赵州桥更换桥石的原理：利用插销和铁拉杆将赵州桥各个拱连成一个整体,28道拱相互支撑,缺少几块拱石也不会引起桥梁崩塌.更换其中一块桥石时,只需要将该拱石的插销或铁拉杆取下,换上相同尺寸的拱石,再将插销或铁拉杆复原,就能完成更换桥石的工作.
四、探究实验的意义
通过使用拱桥模型进行探究实验,学生能很好地理解以下三个问题.
1.让学生理解坦拱产生水平推力的原因,并能理解为什么全世界很少保存有坦拱形式的古代石质拱桥.
2.让学生理解赵州桥中条石的连接方法,并能理解中国古代在没有水泥的情况下石质材料的连接方式.
3.让学生理解腰铁、铁拉杆的作用,并能理解赵州桥屹立1400年,不仅仅依靠敞肩拱,而腰铁、铁拉杆使桥石连成整体,降低了对桥台的水平推力,方便维修.
本实验器材结构简单,既可以用3D打印机制作,也可以用木块铣出,制作容易.教师可根据课堂需要,设计成演示实验或者学生分组实验,这对学生全面了解赵州桥很有帮助.
（责任编辑诺依）
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