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1、中國古代和近代建筑中的鐵構(gòu)件和鐵結(jié)構(gòu)一、鐵在中國的發(fā)展丹麥學者湯姆遜按照生產(chǎn)工具材質(zhì)將人類古代歷史劃分為石器時代、青銅時代和鐵器時代，是為“三期說”。鐵是銀白色金屬。純鐵有很強的鐵磁性，并有良好的延展性、可塑性和導熱性，易氧化。鐵是地球上分布最廣的金屬元素之一，在地殼中含量為4.75%，居元素分布序列中第4位，僅次于癢、硅、鋁。地殼中有300多種含鐵礦物。含鐵的產(chǎn)品分為，純鐵，又稱熟鐵，一般是碳含量小于0.0218%的鐵碳合金；鋼，是碳含量在0.02%2%的鐵碳合金；生鐵，又稱鑄鐵，是碳含量在2.11%6.69%的鐵碳合金。生鐵又可分為白口生鐵、麻口生鐵和灰口生鐵三種。冶鐵技術(shù)開始于小亞細亞，2、中國冶鐵技術(shù)的起始約在公元前10世紀，比西方的一些地區(qū)晚，但后來居上，掌握塊煉鐵技術(shù)不久便發(fā)明了生鐵與生鐵制鋼技術(shù)。我國古代建筑主要以生鐵為主。中國是世界上最早發(fā)明生鐵冶鑄技術(shù)的國家，至遲在公元前6世紀的春秋晚期，中國人民已經(jīng)能冶鑄白口生鐵，用來鑄造鐵器，使得鐵的生產(chǎn)率有很大的提高，鐵器的應用逐漸推廣。這一發(fā)明比歐洲各國早一千九百多年。中國又是世界上最早發(fā)明生鐵柔化技術(shù)的國家，至遲在公元前5世紀的春秋、戰(zhàn)國之際，中國人民已經(jīng)能夠把又硬又脆的白口生鐵加以柔化處理，使之變?yōu)榭设T造鐵。這項發(fā)明比西方早兩千三百年。到戰(zhàn)國中期我國已能鑄造麻口生鐵，到西漢中期又進一步能夠鍛造低硅的灰口生鐵。在生鐵鑄造技術(shù)3、發(fā)明之后，很早就把煉鐵和化鐵分工。早在戰(zhàn)國時期已有化鐵爐，專門用來熔化鐵料和澆鑄鐵器。漢代是我國封建社會前期冶鐵技術(shù)發(fā)展的一個高峰時期，不但鑄鐵技術(shù)有重大發(fā)展，鑄造鐵器也有飛躍進步。這時已能鑄造大型的薄壁鐵器，鐵斧有直徑達2米左右。同時鑄造較小器物，已采用疊鑄技術(shù)，把同一規(guī)格的具有多件范腔的鑄范，多層疊裝，通過一個澆注系統(tǒng)加以澆鑄。漢代鑄鐵技術(shù)達到了成熟階段，已能生產(chǎn)白口生鐵、麻口生鐵、灰口生鐵以及白心、黑心可鍛鑄鐵。封建社會后期的煉鐵技術(shù)，在前期成熟的基礎(chǔ)上有著一定的發(fā)展。宋、元時代煉鐵和化鐵用的高爐，爐型結(jié)構(gòu)有了改進，多數(shù)爐口逐漸向上縮小，爐壁上部內(nèi)傾，這是為了減少熱量散失和充分利用還原氣4、體，并便于爐料順利下降，從而加速還原、熔化過程。明代煉鐵技術(shù)又有進步，一般高爐可投入鐵砂2000多斤，使用兩個風箱從左右兩側(cè)鼓風，并使用熔點很低的溶劑，可以煉出優(yōu)質(zhì)的生鐵。二、鐵結(jié)構(gòu)1.鐵橋1.1 蘭津橋公元65年，也就是漢明帝時代，我國已成功地用鍛鐵為環(huán)，相扣成鏈，建成了世界上最早的鐵鏈懸橋蘭津橋。后來為了便利交通，跨越深谷，又陸續(xù)建造了數(shù)十座鐵鏈橋。其中跨度最大的為1705年建成的四川瀘定大渡河橋，橋?qū)?.8米，跨長100米。歐美國家中最早將鐵作為建筑材料的英國，也是直到1840年以前，才采用鑄鐵來建造拱橋。我國古代的鐵索橋主要有鐵索橋和鐵鎖浮橋兩大類。最早的鐵鎖浮橋出現(xiàn)于東漢初年，公孫述5、為了防止?jié)h軍的進攻依江而建浮橋。中國古代鐵索橋出現(xiàn)與兩漢、繁榮于明清。最初是用于軍事防御，用來封鎖長江航道。這一時期鐵索橋的代表有：陜西褒城樊河橋、云南景東蘭津橋；鐵鎖浮橋有湖北西陵峽鐵鎖浮橋、湖北荊門虎牙浮橋等。又來在唐至元代，鐵索橋在建造的技術(shù)和使用方面都得到了飛速發(fā)展。鐵鎖浮橋被大量用于長江和黃河河道的防御。明清時期，鐵索橋的發(fā)展相對較快。西部云、貴、川、藏四省的鐵索橋的數(shù)量飛速增加，占據(jù)了中國古代鐵索橋分布的最主要部分。12 黃河鐵橋蘭州黃河鐵橋有“天下黃河第一橋”之稱，這是黃河上第一座鋼鐵構(gòu)造的大橋，它在蘭州地區(qū)的交通運輸上起了極其重要的作用。黃河鐵橋建于宣統(tǒng)元年，由清政府花巨資從德6、國買進材料，整個造橋過程完全由德國控制。鐵橋建成之前，這里設(shè)有浮橋橫渡黃河。浮橋始建于明洪武年間（公元一三六八至一三九八年），名叫鎮(zhèn)遠橋，今尚存建橋所用鐵柱一根高達三米，重約數(shù)噸，上有洪武九年字樣.，橋建成后共厚50米，外由加厚鐵托板托起。黃河鐵橋也代表了中國近代的建筑狀況，大批有著外國技術(shù)的建筑物在中國制造，而我國自己的技術(shù)發(fā)展卻幾乎為零，一方面受到列強的壓迫沒有發(fā)展的能力和空間，另一方面清政府的盲目自大造成了中國技術(shù)的停滯不前。2.鐵塔2.1 天樞古羅馬時期，圖拉真皇帝建記功柱來紀念戰(zhàn)爭勝利。武則天建造的天樞，也是一種的記功柱。宋朝司馬光著的資治通鑒對天樞的記載比較簡單：天冊萬歲元年（公元7、695年）4月天樞建造完成。高105尺，徑12尺（合唐尺為高31.71米，徑3.624米），柱為八角形。下為鐵山，周長170尺（51.34米），用銅做的蟠龍、麒麟圍繞著這座鐵山。銅柱頂是直徑3丈（9.06米）的騰云承露盤，上面有四條立龍捧著一輪火珠，高一丈（3.02米）。唐代劉肅于元和丁亥撰寫的大唐新語中的記載更加詳盡。武則天于長壽三年（公元694年）征天下銅50萬斤，鐵330余萬斤，錢兩萬七千貫，于定鼎門內(nèi)鑄八棱銅柱，高90尺（27。18米），徑一丈二尺（3。624米），題為“大周萬國述德天樞”。天樞下置鐵山，銅龍負載，獅子、麒麟圍繞，上有云蓋，蓋上施盤龍以托火珠，珠高一丈（3。02米）。劉8、肅形容龍托火珠是“金彩熒煌，光侔日月”。武則天天樞與圖拉真記功柱比起來體量接近，圖拉真記功柱是石砌，天樞為銅、鐵鑄成，各有千秋。但能用大量的銅、鐵作天樞說明唐代中國的銅鐵冶煉的技術(shù)和規(guī)模都相當驚人。2.2 當陽鐵塔當陽鐵塔建于北宋嘉佑六年，總高179米。現(xiàn)存于湖北當陽玉泉寺。塔共13層，仿木結(jié)構(gòu)樓閣式，平面八角形，屬古代最高鐵塔。塔座為雙層須彌座，臺座八角各鑄托塔力士8尊。塔身在相對的四面各設(shè)一蓮瓣形門龕，另四面鑄浮雕佛像。塔身第2層東南西北四面，分別鑄有塔名、塔重、鑄塔時間和工匠姓名。據(jù)稱塔重53.3噸，又有一說為用鐵38600千克。全塔共由44件構(gòu)件逐層鑄造疊裝組成，亦即每鑄一層，在陶范之9、外堆砌平臺，上置熔鐵爐若干，同時鼓風溶化澆注，然后再鑄上面一層，最后拔除塔四周平臺和陶范而得鐵塔。古代用此就地鑄造的方法以克服無法運輸?shù)跹b的難題。2.3 千佛鐵塔千佛鐵塔位于陜西省咸陽市之北杜鎮(zhèn)。塔身有銘文：“大明萬歷十八年（公元1590年）南書房行走太監(jiān)杜茂鑄造”。純鐵鑄成，平面方形，十層，高33米，邊寬3米，層層有窗，門南向，中空有梯可攀登。四角柱鑄成金剛力士像，頂立層樓，各層環(huán)周鑄鐵佛多尊，故名“千佛塔”，佛像間還夾雜奇花異草、珍禽怪獸，更顯得工藝超群，精巧絕倫。今塔身保存完好，唯塔剎稍有傾斜。此塔為我國現(xiàn)存鐵塔中最高的一座。三、鐵構(gòu)件我國的古建筑主要以木材為原料建造而成，千百年來，它們10、能歷經(jīng)各種自然災害而完整保存下來，這與木材良好的抗彎，抗壓，及抗震性能密切相關(guān)。然而，由于木材又有徐變大，彈性模量低，易老化變形等缺點，這使得外力作用下的古建筑易產(chǎn)生各種破壞。鐵件材料由于具有體積小，強度高等有點，因而自古以來便成為古建筑木結(jié)構(gòu)加固的重要手段。1.鐵箍主要用于梁，柱加固。柱子長期受上部荷載，將產(chǎn)生過大裂縫，對此采取的加固技術(shù)為：對于開裂的柱子直接用扁鐵包裹，然后用鉚釘固定；古建工藝稱之為墩借。對于梁而言，梁開裂時，也用鐵箍對梁身進行包裹，然后用鉚釘固定，用鐵箍的核心約束作用來提高構(gòu)件的強度和剛度。 2.鐵片主要用于榫卯節(jié)點加固。對于用于梁柱連接的燕尾榫節(jié)點，通常采用厚約515m11、m的鐵片連接，然后用鉚釘固定。對于半榫節(jié)點，由于柱的卯口完全被貫穿，且插入的榫頭為可以容易拔榫的直榫形式，因而用520mm厚的鐵片從卯口上下端分別拉結(jié)榫頭，然后用鉚釘固定。 燕尾榫節(jié)點加固 半榫節(jié)點過河拉扯做法3.鐵鉤主要用于頂棚及藻井爬梁加固。古建筑頂棚一般由帽兒梁，小龍骨和天花板組成，帽兒梁為頂棚主要承重構(gòu)件一般帽兒梁的兩端采用鐵鉤加固，鐵鉤的一端固定在帽兒梁上，另一端固定在與帽兒梁連接的承重梁上，方式為：鐵鉤端頭削尖直接釘入構(gòu)件，或端頭打卯孔再用鉚釘固定在構(gòu)件上，通過鐵鉤端頭或鉚釘約束力來提供部分抗剪承載力。 4.鐵釘鐵釘主要包括固定角量的穿釘，固定山花板的蘑菇釘，固定連檐，椽子的鑷頭釘，用于墻板連接的兩尖釘?shù)龋饕糜谛⌒蜆?gòu)件的拉結(jié)，方法為：用鐵釘將這些小型構(gòu)件進行拉結(jié)，鐵釘承擔部分拉，壓，彎，剪力。鐵件加固技術(shù)雖然可以在一定程度上提高古建筑結(jié)構(gòu)的剛度和強度，但也存在一定的問題如銹蝕，破壞木結(jié)構(gòu)和不可逆性等，在之后的發(fā)展中逐漸改造或淘汰，通過其他材料代替及合理的加固方式變換等方法使得構(gòu)件更好的作用于房屋建筑之中。參考書目1.試論中國古代的鐵索橋思想2008年第6期 陳果2.當陽鐵塔中國古代著名鑄鐵建筑譚德睿3.藝術(shù)鑄造特種鑄造及有色合金2011年第31卷第1期4.蘭州黃河鐵橋研究述評牡丹江大學學報第22卷第4期