丁作常

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

石拱橋是我國橋梁傳統(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。針對解決病害，國內(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，取得了不錯的成果，但從文物保護的角度進行石拱橋加固技術(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，結(jié)合文物保護的相關(guān)要求，開展考慮文物保護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，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)石拱橋為依托，開展了交通部西部科研項目“服役石拱橋安全性評估與加固改造技術(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，該書詳細敘述了石拱橋病害產(chǎn)生的機理，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)濟性與評價分析等內(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》的碩士論文報告，對中國石拱橋的發(fā)展進行了介紹，對石拱橋加固存在的問題進行了總結(jié)，得出了石拱橋常用加固方法及加固計算理論、石拱橋可靠性評估方法、石拱橋加固方案優(yōu)選評價指標(biāo)體系等成果[4]。

2 研究內(nèi)容

結(jié)合國內(nèi)石拱橋加固研究進展和成果，本文主要研究內(nèi)容如下。

1) 對石拱橋現(xiàn)有的檢測評價、加固的流程、加固方法、計算分析手段、加固效果評價等進行分析。

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

3 國內(nèi)石拱橋加固技術(shù)分析

3.1 重視石拱橋的檢測評價工作

國內(nèi)石拱橋加固技術(shù)普遍較為重視石拱橋的檢測評價工作。只有通過檢測手段，充分掌握了橋梁的病害形式、病害分布、材料強度、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、橋梁的工作性能評價、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、病害成因分析、加固方法論證分析、加固有限元模擬計算、加固后評估等工作流程，針對不同橋梁，加固側(cè)重點和工作流程有所不同。一是對于年代較為久遠的石拱橋，可能建造時各材料之間本身強度差異就很大，加之風(fēng)化等自然作用，使得材料強度無法準確掌握，因此建模計算的結(jié)果應(yīng)該審慎評估后使用；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)模擬計算應(yīng)重視結(jié)構(gòu)傳力路徑和力學(xué)模型的簡化。

3.3 石拱橋加固方法分析

國內(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，其它加固方法的實質(zhì)都是這些方法的轉(zhuǎn)化和組合。對于石拱橋中采用的改變結(jié)構(gòu)體系的加固方法，應(yīng)清楚認識兩點，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，不宜對此結(jié)構(gòu)進行結(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 基于文物保護的石拱橋加固技術(shù)研究

4.1 文物保護的法律法規(guī)及相關(guān)政策文件

就文物工程加固技術(shù)而言，文物保護涉及的法律法規(guī)主要有《中華人民共和國文物保護法》和《中華人民共和國文物保護法實施條例》；相關(guān)政策文件主要有《文物認定管理暫行辦法》《文物保護工程管理辦法》《國務(wù)院關(guān)于進一步加強文物工作的指導(dǎo)意見》《文物保護工程設(shè)計文件編制深度要求(試行)》等。

4.2 文物保護的要求

《文物保護工程管理辦法》規(guī)定：文物保護工程必須遵守不改變文物原狀的原則，全面地保存、延續(xù)文物的真實歷史信息和價值。文物保護工程分為保養(yǎng)維護工程、搶險加固工程、修繕工程、保護性設(shè)施建設(shè)工程、遷移工程等。國家文物局負責(zé)全國文物保護工程的管理，文物保護工程管理包括立項、勘察設(shè)計、施工、監(jiān)理及驗收管理，各環(huán)節(jié)均有相應(yīng)的要求，承擔(dān)文物保護工程的勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)理單位必須具有國家文物局認定的文物保護工程資質(zhì)。《文物保護工程設(shè)計文件編制深度要求(試行)》對勘察、設(shè)計文件的內(nèi)容和深度進行了詳細要求?！秶鴦?wù)院關(guān)于進一步加強文物工作的指導(dǎo)意見》對文物的維修規(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)嚴格按照文物保護法律法規(guī)的規(guī)定辦理相關(guān)手續(xù)。

4.3 基于文物保護的石拱橋加固方法分析評價

為得出基于文物保護的石拱橋加固方法，以下從加固原理、加固方法優(yōu)缺點、對文物石拱橋加固的適用性等進行分析評價[7]。

1) 置換加固法。置換加固法就是針對產(chǎn)生病害的構(gòu)件，采用同等或高一等級強度的相同或近似材料進行替換的加固方法。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，改造思路簡單明了；但該方法應(yīng)認真分析研究減載的可能性和實操性，不能因減載而誘發(fā)其它病害。對于文物石拱橋而言，由于建造時缺乏有效的力學(xué)分析方法，可能部分構(gòu)件會出現(xiàn)累贅或臃腫等現(xiàn)象，加之當(dāng)時缺乏輕質(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，對主拱圈采用增大截面的方法進行加固。

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，外觀影響小；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解決的難題。對文物石拱橋的加固，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結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的裂縫或空洞進行壓力灌漿封閉，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，施工簡單，不影響結(jié)構(gòu)外觀；但該方法作用效果有限。在對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，且對于傳力路徑明確的石拱橋而言，可改變的地方較少。對于文物石拱橋的加固，不建議使用該方法[9]。

5 工程案例

某市級重點保護文物是一座多跨(不等跨)連續(xù)石拱橋，孔跨布置為5.1 m(0號拱座)+11. 1 m(第1孔)+3.0 m(1號墩)+14.0 m(第2孔)+5.2 m(2號墩)+11.6 m(第3孔)+6.5 m(3號拱座)=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、社會和文化的變革發(fā)展。

5.1 主要病害

隨著時間的推移，該拱橋出現(xiàn)了一定程度的病害，經(jīng)現(xiàn)場檢測，病害狀況主要有：2號墩及兩側(cè)拱圈均出現(xiàn)縱向開裂，裂縫從墩底一直延伸至拱頂，長度約10 m，最大縫寬約8 cm，兩側(cè)裂縫未見貫通，2號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、使用功能和重點文物保護要求，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，拆除重建方案費用高、工期長，工程造價高；錨桿加固方案施工難度大、工藝要求高，施工振動對結(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行加固。

6 結(jié)語

1) 國內(nèi)石拱橋的加固技術(shù)已趨成熟，但針對傳統(tǒng)文物保護的石拱橋加固技術(shù)研究工作，還有待加強和完善。

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