文物石拱橋的保護(hù)加固技術(shù)研究

丁作常

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

石拱橋是我國(guó)橋梁傳統(tǒng)橋型之一，距今已有近兩千年的歷史，它外形輕盈俊秀、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用、建造取材方便[1]。石拱橋在使用過程中，部分橋梁出現(xiàn)了不同程度的病害。針對(duì)解決病害，國(guó)內(nèi)不少科研單位和學(xué)者開展了石拱橋的加固技術(shù)研究工作，取得了不錯(cuò)的成果，但從文物保護(hù)的角度進(jìn)行石拱橋加固技術(shù)研究，相關(guān)內(nèi)容不多。作為歷史文物的石拱橋，其加固技術(shù)有自身的特殊性，本文作者結(jié)合多年來的加固維修經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合文物保護(hù)的相關(guān)要求，開展考慮文物保護(hù)需求的石拱橋加固技術(shù)研究。

1 石拱橋加固研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)一些從事橋梁科研工作的單位和學(xué)者開展了不少石拱橋加固研究，取得了一定的成績(jī)，例如：

2004年9月,湖南省交通科學(xué)研究院以湘西和部分西南地區(qū)石拱橋?yàn)橐劳?，開展了交通部西部科研項(xiàng)目“服役石拱橋安全性評(píng)估與加固改造技術(shù)研究”，包括服役石拱橋病害調(diào)查與成因分析研究、服役石拱橋理論與安全性評(píng)估研究、服役石拱橋維修加固改造技術(shù)研究等內(nèi)容[2]。

2008年3月，重慶交通大學(xué)周建庭教授等學(xué)者編寫了《石拱橋加固改造技術(shù)》圖書，該書詳細(xì)敘述了石拱橋病害產(chǎn)生的機(jī)理，石拱橋安全性仿真技術(shù)，石拱橋主拱圈加固技術(shù)、上部結(jié)構(gòu)加固技術(shù)、綜合加固整治技術(shù)和石拱橋加固技術(shù)經(jīng)濟(jì)性與評(píng)價(jià)分析等內(nèi)容[3]。

2009年5月，中南大學(xué)碩士研究生蔡斌編寫了《服役石拱橋加固技術(shù)研究》的碩士論文報(bào)告，對(duì)中國(guó)石拱橋的發(fā)展進(jìn)行了介紹，對(duì)石拱橋加固存在的問題進(jìn)行了總結(jié)，得出了石拱橋常用加固方法及加固計(jì)算理論、石拱橋可靠性評(píng)估方法、石拱橋加固方案優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系等成果[4]。

2 研究?jī)?nèi)容

結(jié)合國(guó)內(nèi)石拱橋加固研究進(jìn)展和成果，本文主要研究?jī)?nèi)容如下。

1) 對(duì)石拱橋現(xiàn)有的檢測(cè)評(píng)價(jià)、加固的流程、加固方法、計(jì)算分析手段、加固效果評(píng)價(jià)等進(jìn)行分析。

2) 依據(jù)文物保護(hù)法律法規(guī)及相關(guān)政策文件，從文物保護(hù)的要求、加固方法的適應(yīng)性等角度，開展文物石拱橋的保護(hù)加固技術(shù)研究。

3 國(guó)內(nèi)石拱橋加固技術(shù)分析

3.1 重視石拱橋的檢測(cè)評(píng)價(jià)工作

國(guó)內(nèi)石拱橋加固技術(shù)普遍較為重視石拱橋的檢測(cè)評(píng)價(jià)工作。只有通過檢測(cè)手段，充分掌握了橋梁的病害形式、病害分布、材料強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度和變形等基礎(chǔ)資料后，才能為橋梁的病害原因分析、橋梁的工作性能評(píng)價(jià)、加固的可行性分析、加固方案論證分析等后續(xù)工作提供基礎(chǔ)支撐[5]。

3.2 加固流程及關(guān)鍵工作分析

目前大多數(shù)石拱橋加固一般采用橋梁檢測(cè)、病害成因分析、加固方法論證分析、加固有限元模擬計(jì)算、加固后評(píng)估等工作流程，針對(duì)不同橋梁，加固側(cè)重點(diǎn)和工作流程有所不同。一是對(duì)于年代較為久遠(yuǎn)的石拱橋，可能建造時(shí)各材料之間本身強(qiáng)度差異就很大，加之風(fēng)化等自然作用，使得材料強(qiáng)度無法準(zhǔn)確掌握，因此建模計(jì)算的結(jié)果應(yīng)該審慎評(píng)估后使用；二是病害作用下，橋梁的傳力路徑可能發(fā)生一定變化，難以做到合理可行的病害狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)模擬，因此加固結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算應(yīng)重視結(jié)構(gòu)傳力路徑和力學(xué)模型的簡(jiǎn)化。

3.3 石拱橋加固方法分析

國(guó)內(nèi)石拱橋加固技術(shù)，概括起來有置換加固法、減載加固法、增大截面加固法、粘貼鋼板(碳纖維)加固法、灌漿加固法、改變結(jié)構(gòu)體系加固法等，其它加固方法的實(shí)質(zhì)都是這些方法的轉(zhuǎn)化和組合。對(duì)于石拱橋中采用的改變結(jié)構(gòu)體系的加固方法，應(yīng)清楚認(rèn)識(shí)兩點(diǎn)，一是主拱圈是全結(jié)構(gòu)最主要的受力構(gòu)件，承受軸向壓力作用，不宜對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系改變；二是石拱橋各構(gòu)件只能承受壓力，不能承受拉力作用[6]。

4 基于文物保護(hù)的石拱橋加固技術(shù)研究

4.1 文物保護(hù)的法律法規(guī)及相關(guān)政策文件

就文物工程加固技術(shù)而言，文物保護(hù)涉及的法律法規(guī)主要有《中華人民共和國(guó)文物保護(hù)法》和《中華人民共和國(guó)文物保護(hù)法實(shí)施條例》；相關(guān)政策文件主要有《文物認(rèn)定管理暫行辦法》《文物保護(hù)工程管理辦法》《國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)文物工作的指導(dǎo)意見》《文物保護(hù)工程設(shè)計(jì)文件編制深度要求(試行)》等。

4.2 文物保護(hù)的要求

《文物保護(hù)工程管理辦法》規(guī)定：文物保護(hù)工程必須遵守不改變文物原狀的原則，全面地保存、延續(xù)文物的真實(shí)歷史信息和價(jià)值。文物保護(hù)工程分為保養(yǎng)維護(hù)工程、搶險(xiǎn)加固工程、修繕工程、保護(hù)性設(shè)施建設(shè)工程、遷移工程等。國(guó)家文物局負(fù)責(zé)全國(guó)文物保護(hù)工程的管理，文物保護(hù)工程管理包括立項(xiàng)、勘察設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理及驗(yàn)收管理，各環(huán)節(jié)均有相應(yīng)的要求，承擔(dān)文物保護(hù)工程的勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理單位必須具有國(guó)家文物局認(rèn)定的文物保護(hù)工程資質(zhì)。《文物保護(hù)工程設(shè)計(jì)文件編制深度要求(試行)》對(duì)勘察、設(shè)計(jì)文件的內(nèi)容和深度進(jìn)行了詳細(xì)要求?！秶?guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)文物工作的指導(dǎo)意見》對(duì)文物的維修規(guī)定有：重視歲修，減少大修，防止因維修不當(dāng)造成破壞。不可移動(dòng)文物，不得擅自遷移、拆除，因建設(shè)工程確需遷移、拆除的，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照文物保護(hù)法律法規(guī)的規(guī)定辦理相關(guān)手續(xù)。

4.3 基于文物保護(hù)的石拱橋加固方法分析評(píng)價(jià)

為得出基于文物保護(hù)的石拱橋加固方法，以下從加固原理、加固方法優(yōu)缺點(diǎn)、對(duì)文物石拱橋加固的適用性等進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[7]。

1) 置換加固法。置換加固法就是針對(duì)產(chǎn)生病害的構(gòu)件，采用同等或高一等級(jí)強(qiáng)度的相同或近似材料進(jìn)行替換的加固方法。該方法不影響結(jié)構(gòu)外觀，適用于文物石拱橋的加固改造；但該方法是一種局部加固方法，其加固的范圍需結(jié)合石拱橋的病害狀況而確定，如對(duì)作為整體承載作用的主拱圈就不一定適用。

2) 減載加固法。減載加固法就是對(duì)拱上建筑、拱頂填料等次要受力或不受力構(gòu)件，采取卸除減載或替換為輕質(zhì)材料減載的加固方法。該方法不影響結(jié)構(gòu)外觀，改造思路簡(jiǎn)單明了；但該方法應(yīng)認(rèn)真分析研究減載的可能性和實(shí)操性，不能因減載而誘發(fā)其它病害。對(duì)于文物石拱橋而言，由于建造時(shí)缺乏有效的力學(xué)分析方法，可能部分構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)累贅或臃腫等現(xiàn)象，加之當(dāng)時(shí)缺乏輕質(zhì)材料，使得減載加固法成為可能。

3) 增大截面加固法。增大截面加固法就是在構(gòu)件表面新增混凝土層，增大截面面積，并根據(jù)需要配置鋼筋，從而提高構(gòu)件承載力和剛度，限制裂縫開展。該方法可根據(jù)受力需要增配鋼筋；但該方法會(huì)改變結(jié)構(gòu)或構(gòu)件外觀，增加結(jié)構(gòu)自重。石拱橋的打孔植筋、新混凝土與原石拱橋結(jié)合面的共同受力是該方法需要重點(diǎn)解決的難題。在文物石拱橋的加固使用中，可在減少外觀影響的前提下，對(duì)主拱圈采用增大截面的方法進(jìn)行加固。

4) 粘貼鋼板(碳纖維)加固法。粘貼鋼板(碳纖維)加固法就是用膠結(jié)材料將鋼板(碳纖維)粘貼于被加固構(gòu)件，使之與被加固截面共同工作，提高構(gòu)件承載力，限制裂縫開展。該方法基本不增加自重，外觀影響??；但粘貼面處理、新增鋼板(碳纖維)與原結(jié)構(gòu)協(xié)同受力是該方法需要重點(diǎn)解決的難題。對(duì)文物石拱橋的加固，不建議采用粘貼鋼板(碳纖維)加固法。

5) 灌漿加固法。灌漿加固法就是在對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的裂縫或空洞進(jìn)行壓力灌漿封閉，使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件恢復(fù)承載能力的加固方法[8]。該方法工藝成熟，施工簡(jiǎn)單，不影響結(jié)構(gòu)外觀；但該方法作用效果有限。在對(duì)文物石拱橋的加固使用中，建議將該方法與其它加固方法配合使用。

6) 改變結(jié)構(gòu)體系加固法。改變結(jié)構(gòu)體系加固法就是通過增設(shè)或減少構(gòu)件，改變結(jié)構(gòu)的傳力路徑和結(jié)構(gòu)體系的加固方法。該方法加固思路清晰，但影響結(jié)構(gòu)外觀，且對(duì)于傳力路徑明確的石拱橋而言，可改變的地方較少。對(duì)于文物石拱橋的加固，不建議使用該方法[9]。

5 工程案例

某市級(jí)重點(diǎn)保護(hù)文物是一座多跨(不等跨)連續(xù)石拱橋，孔跨布置為5.1 m(0號(hào)拱座)+11. 1 m(第1孔)+3.0 m(1號(hào)墩)+14.0 m(第2孔)+5.2 m(2號(hào)墩)+11.6 m(第3孔)+6.5 m(3號(hào)拱座)=56.5 m，橋?qū)?.8 m。該石拱橋修建于清朝道光年間(1849年)，距今已有172年的歷史。作為曾經(jīng)的主要川黔運(yùn)鹽通道，發(fā)揮了較大的歷史作用，它的存在，見證了地方經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化的變革發(fā)展。

5.1 主要病害

隨著時(shí)間的推移，該拱橋出現(xiàn)了一定程度的病害，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，病害狀況主要有：2號(hào)墩及兩側(cè)拱圈均出現(xiàn)縱向開裂，裂縫從墩底一直延伸至拱頂，長(zhǎng)度約10 m，最大縫寬約8 cm，兩側(cè)裂縫未見貫通，2號(hào)墩及拱圈縱向開裂圖見圖1。第2跨、第3跨拱頂均上冒，第3孔(靠山體側(cè))拱圈在拱頂至L/4之間出現(xiàn)豎向變形和扭轉(zhuǎn)，拱圈截面已不在同一平面內(nèi)，第3孔拱頂上冒、拱圈變形圖見圖2。

圖1 2號(hào)墩及拱圈縱向開裂圖

圖2 第3孔拱頂上冒、拱圈變形圖

5.2 加固處治方案

根據(jù)橋梁的病害狀況、使用功能和重點(diǎn)文物保護(hù)要求，結(jié)合本文研究成果，提出了拆除重建方案、錨桿加固方案和鋼筋混凝土套拱加固3種方案。3種處治方案中，拆除重建方案費(fèi)用高、工期長(zhǎng)，工程造價(jià)高；錨桿加固方案施工難度大、工藝要求高，施工振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)有一定影響；新增鋼筋混凝土套拱能抵抗砌體結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的次內(nèi)力，滿足日常人行荷載的作用。經(jīng)綜合比選，采用了新增鋼筋混凝土套拱方案進(jìn)行加固。

6 結(jié)語(yǔ)

1) 國(guó)內(nèi)石拱橋的加固技術(shù)已趨成熟，但針對(duì)傳統(tǒng)文物保護(hù)的石拱橋加固技術(shù)研究工作，還有待加強(qiáng)和完善。

2) 傳統(tǒng)文物保護(hù)的石拱橋加固處治方案，需建立在完整的病害檢測(cè)、系統(tǒng)的病害成因分析和全面的文物保護(hù)要求的基礎(chǔ)上。

3) 鑒于文物石拱橋特殊的結(jié)構(gòu)形式和建造技術(shù)，既有成熟的加固技術(shù)如粘貼鋼板(碳纖維)、改變結(jié)構(gòu)體系等加固方法不一定適用。