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(湖南理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)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?yàn)榍宕瘶?，分水金剛橋墩，有利?減輕洪水對橋身的沖擊，整個(gè)橋梁設(shè)計(jì)巧妙，結(jié)構(gòu)合理，清代石橋中，是當(dāng)?shù)厥瘶?平橋)的一種典型的建造手法。該橋橋墩迎水面設(shè)分水尖，整體石料加工細(xì)膩，結(jié)構(gòu)精巧，具有較高的歷史、藝術(shù)和科學(xué)價(jià)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(hù)單位。

雙江口古石橋?yàn)槟緲痘?，橋身平直，橋洞為長方形。為花崗石構(gòu)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(gè)，其用材規(guī)整考究，做工精細(xì)，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(xué)價(jià)值。

雙江口古石橋由于風(fēng)雨侵襲，年久失修，村民在河道大量挖沙，導(dǎo)致河床降低，橋墩基礎(chǔ)裸露。由于水流局部改道，導(dǎo)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(shí)也危及橋的安全，嚴(yán)重破壞了橋的原始環(huán)境風(fēng)貌。由此，加強(qiáng)對雙江口古石橋的研究和保護(hù)已是一項(xiàng)亟需開展的工作。受相關(guān)單位委托，對雙江口古石橋結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究，同時(shí)提出加固改造方案，研究成果將指導(dǎo)雙江口古石橋的修繕設(shè)計(jì)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(gè)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(dǎo)致河床降低，橋墩基礎(chǔ)及8號橋墩基礎(chǔ)底石下木樁裸露出水面，因整個(gè)基礎(chǔ)石裸露，長年受河水沖擊，基礎(chǔ)砌石灰縫脫落，局部缺失、歪閃、位移，對古橋的安全已經(jīng)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(jīng)過實(shí)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(cuò)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(cuò)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(shí)樹枝、雜草、垃圾橫流，加之河水干枯，導(dǎo)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?biāo)孀龀煞叫位◢徥４孑^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(chǔ)較規(guī)格的方整花崗石塊鏨鑿加工錯(cuò)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(dǎo)致河床降低雁翅直角梯形，145°轉(zhuǎn)角。位于湄江兩岸，長方形花崗石塊錯(cuò)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(dǎo)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(chǔ)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(yīng)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(huì)造成木質(zhì)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(dāng)?shù)卮迕窈舆呌盟?，后人隨意用水泥填補(bǔ)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(shí)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(yán)重長年河床大量挖沙，導(dǎo)致河床降低，修筑堤壩，抬高河床，確保橋墩基礎(chǔ)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(dǎo)致河岸雁翅掩埋2個(gè)橋孔淤塞

雙江口古石橋的設(shè)計(jì)和建造是依靠當(dāng)時(shí)工匠的經(jīng)驗(yàn)，并沒有較為完善的理論體系為依托。為對該橋的維修保護(hù)方案提供理論依據(jù)，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(yīng)力規(guī)律，為該橋的維修加固提供技術(shù)依據(jù)。

3 古橋修繕方法

根據(jù)現(xiàn)狀勘測及殘損狀況，本次修繕內(nèi)容基本分以下兩類。

一類為局部修繕項(xiàng)目：這里的局部修繕類的各項(xiàng)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(chǔ)、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(fù)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(gè)部位進(jìn)行的局部修繕和局部處理等。

環(huán)境整治：是對某個(gè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行整治，預(yù)防自然災(zāi)害和消除安全隱患。

修繕過程中所有工種的工藝與做法應(yīng)以當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)石作加工手法為依據(jù)，做法均取自橋梁本身原有手法。修補(bǔ)和更換的各種構(gòu)件與原構(gòu)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(zhì)地堅(jiān)硬，難被酸堿或風(fēng)化作用侵蝕。此次修繕時(shí)，在選取花崗石材料時(shí)，應(yīng)采用質(zhì)地堅(jiān)硬，色澤均勻的花崗石。

3.2 雁翅

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

3.3 橋墩基礎(chǔ)

橋墩基礎(chǔ)的花崗巖部分用同類加工手法、同規(guī)格花崗石修補(bǔ)。局部缺失的按原樣補(bǔ)配，歪閃、位移的找平歸安。首先清洗縫隙塵土污垢，灌漿前應(yīng)先勾縫。如石料間縫隙較大，應(yīng)在接縫處勾抹麻刀灰。如縫隙很細(xì)，應(yīng)勾抹桐油灰。灌漿應(yīng)在預(yù)留的“漿口”處進(jìn)行?！皾{口”是在石基礎(chǔ)某個(gè)合適位置側(cè)面預(yù)留。灌完漿以后，應(yīng)將弄臟的石面洗凈，再進(jìn)行勾抹縫隙清理。

橋墩基礎(chǔ)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(bǔ)配，要與原石質(zhì)、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(fēng)貌及安全隱患等危險(xiǎn)因素。如清理影響河流淤積的砂礫；修筑河岸兩側(cè)擋土墻；在橋梁下游修筑攔河壩抬升水位并進(jìn)行固砂，即利用河岸淤積的河砂，抬升回填攔河壩內(nèi)河床，恢復(fù)原河床高度，即至橋墩底層石部位(掩埋橋墩基礎(chǔ))，確保橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定；清理橋孔淤塞的河砂，恢復(fù)橋梁原貌。

本文重點(diǎn)對橋墩基礎(chǔ)的修繕方案進(jìn)行分析，為該橋的修繕提供理論依據(jù)。

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(jì)算分析時(shí)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(zhì)材料；

2) 石材屬于脆性材料，以莫爾強(qiáng)度理論作為判斷構(gòu)件是否滿足要求的依據(jù)。

4.2 橋墩的地基承載力計(jì)算

本計(jì)算利用ABAQUS建模計(jì)算，均用實(shí)體單元。模型的邊界條件及網(wǎng)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?jiǎng)澐謭D

雙江口古石橋橋面每孔為3塊長條花崗石平鋪構(gòu)成橋面梁，考慮到該橋在實(shí)際中的使用情況，可以得知古石橋豎向荷載對結(jié)構(gòu)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(yīng)力均出現(xiàn)在各跨端部的位置，整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。橋面石板最大應(yīng)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(yīng)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(chǔ)的重要構(gòu)件，居于橋梁的中間位置。它的主要作用是承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，并通過基礎(chǔ)將此荷載以及自身重量傳遞到基礎(chǔ)上。由計(jì)算結(jié)果可知，橋墩抗壓強(qiáng)度滿足要求[6,7]。

由圖5可知: 該橋在豎向荷載作用下，結(jié)構(gòu)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(guān)于構(gòu)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(jié)構(gòu)是安全合理的，滿足強(qiáng)度、剛度要求。

4.2.1 橋墩基礎(chǔ)頂面荷載計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場勘察情況，8號橋墩底部木樁基礎(chǔ)暴露，本文重點(diǎn)對8號橋墩分析驗(yàn)算。根據(jù)建模結(jié)果獲得8號橋梁墩底的荷載，即基礎(chǔ)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(chǔ)頂面?；A(chǔ)截面形式為矩形截面，計(jì)算中取基礎(chǔ)高1.5 m。

基礎(chǔ)材料為C30混凝土，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D62-2012[10]，C30混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取13.8 MPa，根據(jù)計(jì)算，截面上沒有拉應(yīng)力，全截面受壓。

小于13.8 MPa，基礎(chǔ)強(qiáng)度滿足要求。

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(gè)軸的彎矩作用，應(yīng)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(shí)驗(yàn)獲得的承載力特征值的1/2，即175 kPa。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基礎(chǔ)底面豎向力為668.87 kN，Mx=21.1 kN·m，My=2.3 kN·m。

代入計(jì)算得:

pmax=45.5 kPa,

小于175 kPa，地基承載力滿足要求。

4.2.2 基礎(chǔ)底面作用力偏心距驗(yàn)算

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(diǎn)對基底重心軸的偏心距：

(3)

(4)

(5)

式中:pmin為基底壓應(yīng)力；e0為豎向力作用點(diǎn)距截面重心的距離。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，將荷載帶入計(jì)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(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，本計(jì)算中的許可值取1.3;e0為所有外力的合力在驗(yàn)算截面的作用點(diǎn)對基底重心軸的偏心距；s為在截面重心至合力作用點(diǎn)的延長線上，自截面重心至驗(yàn)算傾覆軸的距離。

根據(jù)以上已知條件，計(jì)算得：

>1.3,滿足要求。

以上分析表明，8橋墩基礎(chǔ)的加固方案理論上可行。

5 結(jié)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(shù)值模擬古石橋的結(jié)構(gòu)特性，對其提出的修繕加固方案進(jìn)行分析驗(yàn)算，得出以下結(jié)論：

1) 橋面石板最大應(yīng)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(gè)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)合理安全，強(qiáng)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(jié)構(gòu)變形滿足使用要求，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

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

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