雙江口古石橋結構性能研究及維修加固方案探討

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(湖南理工學院 土木建筑工程學院，湖南 岳陽 414000)

1 工程概況

雙江口古石橋位于湖南省汨羅市沙溪鎮(zhèn)雙江口村，是連接雙江口村與平江縣向家鎮(zhèn)雙龍村的主要通道。該橋為清代石橋，分水金剛橋墩，有利于 減輕洪水對橋身的沖擊，整個橋梁設計巧妙，結構合理，清代石橋中，是當地石橋(平橋)的一種典型的建造手法。該橋橋墩迎水面設分水尖，整體石料加工細膩，結構精巧，具有較高的歷史、藝術和科學價值。2011年1月24日，湖南省人民政府公布其為第九批省級文物保護單位。

雙江口古石橋為木樁基，橋身平直，橋洞為長方形。為花崗石構造，橋長43 m，橋面寬1.2 m，橋通高4.38 m，橋墩寬5.125 m，橋墩間距凈空為3.5 m，橋面每孔為3塊長條花崗石平鋪，搭接于橋墩中部，橋墩8個，其用材規(guī)整考究，做工精細，至今仍保存完好?，F(xiàn)今仍是連接湄江西岸居民的主要交通要道，對于研究清代石橋建筑和交通地理，都具有很高的歷史和科學價值。

雙江口古石橋由于風雨侵襲，年久失修，村民在河道大量挖沙，導致河床降低，橋墩基礎裸露。由于水流局部改道，導致西南河岸砂礫淤積、河沙淤塞2橋孔及雁翅擋土墻被掩埋。西北岸橋頭村民房屋直接砌筑在雁翅臺面上，橋頭原本空曠的空間變得異常狹小，同時也危及橋的安全，嚴重破壞了橋的原始環(huán)境風貌。由此，加強對雙江口古石橋的研究和保護已是一項亟需開展的工作。受相關單位委托，對雙江口古石橋結構性能進行研究，同時提出加固改造方案，研究成果將指導雙江口古石橋的修繕設計工程。

2 雙江口古石橋殘損現(xiàn)狀

雙江口古石橋由于年久失修，尤其因泥石流造成西南河岸砂礫淤積，第8、9個橋孔被河沙淤塞；雁翅與橋墩全部由花崗巖石塊砌筑，石料表面因長年日曬雨林，砌筑灰縫酥堿脫落，局部砌石歪閃、位移。另外由于河道大量挖沙導致河床降低，橋墩基礎及8號橋墩基礎底石下木樁裸露出水面，因整個基礎石裸露，長年受河水沖擊，基礎砌石灰縫脫落，局部缺失、歪閃、位移，對古橋的安全已經造成極大的威脅。古橋整體殘損現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 雙江口古石橋整體殘損現(xiàn)狀

經過實地勘測，古橋的殘損情況見表1。

表1 雙江口古橋殘損情況表部位殘損現(xiàn)狀原因分析現(xiàn)場照片橋面每孔用3塊長條花崗石平鋪錯縫搭接于橋墩中部，面層為剁斧加工順直、勻密。單塊條石長400cm，寬40cm，厚40cm花崗石保存較好，局部灰縫酥堿脫落，局部縫隙生長雜草年久失修橋墩12層長方形花崗石塊錯縫砌筑，面層均為2～3遍剁斧，石料表面順直、勻密。高3 20m花崗石局部破損，部分灰縫酥堿脫落，局部縫隙生長雜草，迎水面樹枝垃圾堆積年久失修，鳥將植物種子和雨水帶入橋墩灰縫滋生所致；湄江漲水時樹枝、雜草、垃圾橫流，加之河水干枯，導致堵塞分水尖、鳳凰臺橋墩迎水面做成三角形分水尖，頂面花崗石翹起比橋面高60mm。橋墩順水面做成方形花崗石保存較好，灰縫酥堿脫落，局部縫隙生長雜草年久失修，鳥將植物種子和雨水帶入橋墩灰縫滋生所致橋墩基礎較規(guī)格的方整花崗石塊鏨鑿加工錯縫砌筑裸露1 24m，局部殘損、缺失，砌筑砂漿被水沖刷掏空，部分縫隙生長雜草長年河道大量挖沙，導致河床降低雁翅直角梯形，145°轉角。位于湄江兩岸，長方形花崗石塊錯縫砌筑，頂面寬1m，背水面比迎水面短雁翅擋土墻局部裂縫、塌陷、歪閃、位移西南橋頭河沙淤塞，導致橋頭雁翅擋土石掩埋；東南橋頭有村民將房屋直接砌筑在雁翅臺面上木樁基8號橋墩基礎石底部由60mm厚的木板和直徑120mm，間隔240mm木樁支撐，木樁呈梅花狀排列，深度不詳，作為樁基木樁應打入持力層裸露水面190mm，木板局部糟朽，木樁保存較好長年河道大量挖沙，河床降低；水流沖刷，因木樁裸露，很快會造成木質糟朽而引發(fā)橋墩坍塌，危急橋體安全踏步東北橋頭東雁翅旁長方形花崗石砌筑，面層2～3遍剁斧加工順直、勻密踏步全部改成混凝土踏步；雁翅擋土墻基石下部木樁基裸露因年久失修，給附近村民使用帶來影響，為便于當地村民河邊用水，后人隨意用水泥填補抹面；擋墻木樁基裸露為河床降低所致新筑攔河壩因河床降低，橋基裸露，后人臨時用毛石砌筑堤壩抬高河床由于攔河壩砌筑不夠牢固，東南岸堤壩已沖垮，造成河床下切嚴重長年河床大量挖沙，導致河床降低，修筑堤壩，抬高河床，確保橋墩基礎橋孔九孔橋改變原狀，2橋孔已被河沙淤塞河床降低，水流改變，長年雨水沖刷，導致河岸雁翅掩埋2個橋孔淤塞

雙江口古石橋的設計和建造是依靠當時工匠的經驗，并沒有較為完善的理論體系為依托。為對該橋的維修保護方案提供理論依據，本文針對該橋建立整體模型，采用有限元分析方法分析其正常使用條件下的力、應力規(guī)律，為該橋的維修加固提供技術依據。

3 古橋修繕方法

根據現(xiàn)狀勘測及殘損狀況，本次修繕內容基本分以下兩類。

一類為局部修繕項目：這里的局部修繕類的各項目指雙江口橋修繕工程的子目工程修繕以及局部處理措施。主要是橋面、橋墩、橋墩基礎、雁翅擋土墻、踏步等的修繕子目。

二類為環(huán)境整治：周邊環(huán)境整治。包括橋孔復原、堤壩、河床及擋土墻周邊環(huán)境的治理。

局部修繕：針對雙江口橋某個部位進行的局部修繕和局部處理等。

環(huán)境整治：是對某個區(qū)域內的環(huán)境進行整治，預防自然災害和消除安全隱患。

修繕過程中所有工種的工藝與做法應以當地傳統(tǒng)石作加工手法為依據，做法均取自橋梁本身原有手法。修補和更換的各種構件與原構件相同。

3.1 石作

該橋主要采用花崗巖，主要組成礦物為長石、石英、黑白云母等，石英含量是10%～50%。長石含量約總量之2/3，分為正長石、斜長石(堿石灰)及微斜長石(鉀堿)。不同品種的礦物成份不盡相同，還可能有含輝石和角閃石?；◢弾r質地堅硬，難被酸堿或風化作用侵蝕。此次修繕時，在選取花崗石材料時，應采用質地堅硬，色澤均勻的花崗石。

3.2 雁翅

恢復原形制的部位，進行加固、規(guī)整。建議拆除建造在雁翅臺面上的房屋，恢復原有地貌。

3.3 橋墩基礎

橋墩基礎的花崗巖部分用同類加工手法、同規(guī)格花崗石修補。局部缺失的按原樣補配，歪閃、位移的找平歸安。首先清洗縫隙塵土污垢，灌漿前應先勾縫。如石料間縫隙較大，應在接縫處勾抹麻刀灰。如縫隙很細，應勾抹桐油灰。灌漿應在預留的“漿口”處進行。“漿口”是在石基礎某個合適位置側面預留。灌完漿以后，應將弄臟的石面洗凈，再進行勾抹縫隙清理。

橋墩基礎的木樁裸露部分采用C30混凝土包裹填充，混凝土灌注至持力層。

3.4 踏步

鏟除踏步上的水泥，視其殘損狀況，用花崗石補配，要與原石質、樣式及加工工藝相同。

3.5 環(huán)境整治

指對破壞和影響歷史環(huán)境風貌及安全隱患等危險因素。如清理影響河流淤積的砂礫；修筑河岸兩側擋土墻；在橋梁下游修筑攔河壩抬升水位并進行固砂，即利用河岸淤積的河砂，抬升回填攔河壩內河床，恢復原河床高度，即至橋墩底層石部位(掩埋橋墩基礎)，確保橋梁基礎的穩(wěn)定；清理橋孔淤塞的河砂，恢復橋梁原貌。

本文重點對橋墩基礎的修繕方案進行分析，為該橋的修繕提供理論依據。

4 建模分析

4.1 基本假定

雙江口古石橋的材料特殊，在建模計算分析時作如下假定[1-3]：

1) 橋梁中所用石材簡化為各向同性的均質材料；

2) 石材屬于脆性材料，以莫爾強度理論作為判斷構件是否滿足要求的依據。

4.2 橋墩的地基承載力計算

本計算利用ABAQUS建模計算，均用實體單元。模型的邊界條件及網格劃分見圖2、圖3。

圖2 橋梁模型邊界條件圖

圖3 橋梁模型單元劃分圖

雙江口古石橋橋面每孔為3塊長條花崗石平鋪構成橋面梁，考慮到該橋在實際中的使用情況，可以得知古石橋豎向荷載對結構的影響最大。本文分析中考慮自重和人群荷載的荷載組合，來探討該石橋的受力變形特征[4，5]。

由圖4可知: 橋面石板在自重和人群荷載共同作用下，各跨最大應力均出現(xiàn)在各跨端部的位置，整個結構的最大應力滿足結構強度要求。橋面石板最大應力出現(xiàn)位置與該橋橋面殘損位置整體較一致。

圖4 橋梁模型應力云圖

古石橋的橋墩是由條石擱置而成，橋墩是連接橋面石與基礎的重要構件，居于橋梁的中間位置。它的主要作用是承受上部結構傳來的荷載，并通過基礎將此荷載以及自身重量傳遞到基礎上。由計算結果可知，橋墩抗壓強度滿足要求[6,7]。

由圖5可知: 該橋在豎向荷載作用下，結構沿豎向各跨最大位移發(fā)生在跨中部位，最大撓度為0.957 9 mm，滿足規(guī)范關于構件最大撓度不超過L/350的要求[8,9]。

圖5 橋梁模型豎向位移云圖

以上分析表明，在正常使用情況下，雙江口古石橋結構是安全合理的，滿足強度、剛度要求。

4.2.1 橋墩基礎頂面荷載計算

根據現(xiàn)場勘察情況，8號橋墩底部木樁基礎暴露，本文重點對8號橋墩分析驗算。根據建模結果獲得8號橋梁墩底的荷載，即基礎頂面的豎向力及彎矩：

Fz=99 230.9 N；

Mx=21 108.3 N·m;

My=2 334.95 N·m。

將建模所得豎向力及力矩作用至基礎頂面。基礎截面形式為矩形截面，計算中取基礎高1.5 m。

基礎材料為C30混凝土，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土設計規(guī)范》JTG D62-2012[10]，C30混凝土抗壓強度設計值取13.8 MPa，根據計算，截面上沒有拉應力，全截面受壓。

小于13.8 MPa，基礎強度滿足要求。

根據《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》[11]，基底處于雙向偏心受壓狀態(tài)，承受豎向力及繞兩個軸的彎矩作用，應滿足：

(1)

式中：N為作用于基底的作用力；Mx，My為作用于基底的彎矩；Wx，Wy為基底截面的面積抵抗矩；[fa]為地基承載力容許值。[fa]取本實驗獲得的承載力特征值的1/2，即175 kPa。

根據計算結果，基礎底面豎向力為668.87 kN，Mx=21.1 kN·m，My=2.3 kN·m。

代入計算得:

pmax=45.5 kPa,

小于175 kPa，地基承載力滿足要求。

4.2.2 基礎底面作用力偏心距驗算

根據《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》JTG D63-2007，橋涵墩臺基底的合力偏心距容許值滿足：

[e0]≤0.1ρ

(2)

基底以上外力作用點對基底重心軸的偏心距：

(3)

(4)

(5)

式中:pmin為基底壓應力；e0為豎向力作用點距截面重心的距離。

根據以上計算結果，將荷載帶入計算得：

pmin=39 kPa；

e0=0.03<[e0]≤0.1ρ=0.039，滿足要求。

4.2.3 抗傾覆穩(wěn)定性

(6)

式中:k0為橋墩基礎抗傾覆穩(wěn)定性系數，本計算中的許可值取1.3;e0為所有外力的合力在驗算截面的作用點對基底重心軸的偏心距；s為在截面重心至合力作用點的延長線上，自截面重心至驗算傾覆軸的距離。

根據以上已知條件，計算得：

>1.3,滿足要求。

以上分析表明，8橋墩基礎的加固方案理論上可行。

5 結論

本文通過具體研究湖南省汨羅市沙溪鎮(zhèn)雙江口村古石橋的現(xiàn)狀，以及采用數值模擬古石橋的結構特性，對其提出的修繕加固方案進行分析驗算，得出以下結論：

1) 橋面石板最大應力均出現(xiàn)在各跨端部位置，是受力薄弱環(huán)節(jié)，正常使用情況下，整個結構的最大應力滿足結構強度要求，結構合理安全，強度滿足要求。

2) 該橋在豎向荷載作用下，各跨最大位移發(fā)生在跨中部位，表明跨中是古橋變形控制的薄弱位置。正常使用情況下，結構變形滿足使用要求，結構剛度滿足要求。

3) 針對提出的修繕方案進行了基礎承載力及地基承載力的分析驗算，均滿足要求，修繕加固方案合理可行。

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