明代石拱橋永昌橋的加固修繕技術(shù)研究

張時琦，淳 慶

(東南大學建筑學院，江蘇南京 210096)

0 引 言

中國石拱橋作為中國傳統(tǒng)文化中的瑰寶，其建造歷史可以追溯到1400年以前，它不僅是反映歷史交通信息的物質(zhì)承載，更是古代勞動人民的智慧展現(xiàn)。永昌橋地處秦淮源頭的溧水區(qū)寶塔路，始建于明萬歷年間，為東西走向的縱聯(lián)分節(jié)三孔石拱橋。永昌橋橋長約29．6 m，寬約5．68 m，中孔矢高(矢高按從分水尖至孔頂端下口高度計算)約4.4 m，中孔寬約8.2 m，次孔矢高約3．1 m，次孔寬約5．8 m，拱券和側(cè)墻的砌塊平均厚度為0．17 m。永昌橋的石材大都是南京本地的石灰?guī)r青石，服役時間已逾400年，存在明顯的風化現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)性能上出現(xiàn)了大幅度下降。由于永昌橋后期被人為加厚了橋面以供車輛通行，增加恒荷載的同時，也承受了汽車動荷載，出現(xiàn)側(cè)墻鼓脹、拱券石塊脫落和部分石材開裂等嚴重影響整體結(jié)構(gòu)安全的不利病害(圖1)，亟需對其加固修繕，使之能作為人行景觀橋繼續(xù)發(fā)揮交通作用。

目前，僅有少數(shù)學者對古代石拱橋的科學保護技術(shù)展開了研究。孔濤濤等[1]基于實際項目介紹了利用外套拱法加固石拱橋的技術(shù)與施工要點。唐家俊[2]分析了石拱橋病害及其成因，研究了針對石質(zhì)古橋的加固保護措施，并利用ANSYS建立了某一在役單跨石拱橋的有限元模型，得到了其靜力與動力特性。楊慶印[3]通過對一在役石拱橋采用載重車輛行駛的加載方式進行了靜載試驗，評價了基于Sap2000仿真分析的結(jié)果，以實驗支持了石拱橋的保護技術(shù)研究。劉永濤[4]利用數(shù)值分析方法定量地研究了加固保護措施對三峽庫區(qū)石拱橋的安全性能提升。石泉彬等[5]以泰山橋為例，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果提出了針對古石拱橋的保護措施。項貽強等[6]指出了在古石拱橋保護中存在的問題及保護措施。淳慶等[7]通過殘損分析及數(shù)值模擬，找出明代石拱橋襟湖橋現(xiàn)存的與潛在的病害，提出了適宜性的保護技術(shù)。

綜上，學界和工程界尚未從建筑形制、構(gòu)造工藝和結(jié)構(gòu)性能相結(jié)合的交叉視角研究明代石拱橋的科學保護技術(shù)。本工作將以典型明代石拱橋——永昌橋為例，通過現(xiàn)場檢測、形制構(gòu)造、殘損成因和數(shù)值模擬等方面的分析，研究適用于明代石拱橋永昌橋的加固保護方法。

1 形制分析

永昌橋建成至今，雖橋面經(jīng)過人為改造，但基本形制依然保存完整。參考《中國古建筑瓦石營法》[8]中關(guān)于明官式石拱橋的內(nèi)容，對永昌橋的基本形制進行研究。

1．1 永昌橋橋洞、金剛墻的形制

永昌橋為三孔橋，橋長29．6 m，中孔孔寬8．2 m，次孔孔寬5．8 m，分水金剛墻寬1．6 m。永昌橋中孔∶河寬=1∶3．6，根據(jù)文獻[8]，雖不完全符合“中孔∶河寬≈1∶5．4”的規(guī)律，而且次孔比中孔小2．4 m，也不完全符合“次孔比中孔減二尺”的規(guī)律，但基本符合表中說明“按河口實際寬度及使用功能核定”的原則。分水金剛墻寬度雖然達不到中孔寬一半，但也符合分水金剛墻寬度略小于中孔寬一半的要求。

1．2 永昌橋橋長、橋?qū)捈皹蚋叩男沃?/h3>

永昌橋橋長29．6 m，寬5．68 m，按照文獻[8]中的《石券橋橋長、橋?qū)捈皹蚋弑怼罚痉稀伴L四丈得寬一丈，自四丈以上，每長一丈遞加二尺”的原則。

永昌橋舉架高約為1．3 m，為橋身直長的4.4%，基本接近“三孔橋以下或橋長十丈以內(nèi)：6%橋身直長”的原則。

1．3 綜合評價

永昌橋各部分尺寸和形制基本符合明官式石拱橋的內(nèi)容。

2 殘損分析

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，將影響永昌橋使用安全和結(jié)構(gòu)安全的殘損分為四類：石材風化、砂漿流失、植物侵蝕、人為影響。

2．1 石材風化

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，永昌橋主體結(jié)構(gòu)采用的石材為當?shù)氐氖規(guī)r青巖，屬于沉積巖的一種，其風化原因主要是物理因素造成的剝蝕和化學因素及生物因素造成的溶蝕。此外，永昌橋所處地區(qū)的氣候環(huán)境導致石材表面易于生長石生藻類，加速了溶蝕作用對石材的影響[9]。風化作用導致了石材的力學性能劣化，甚至會引起石材的原有結(jié)構(gòu)改變，喪失承載能力，嚴重削弱拱橋的結(jié)構(gòu)性能。永昌橋側(cè)墻風化情況較其他區(qū)域更為嚴重。

2．2 砂漿流失

砂漿作為石材之間的粘結(jié)物，可以將石材粘結(jié)為一個整體，提高石材的整體受力性能，同時作為石材之間的傳力中介，均勻傳遞壓力，使石材受力均勻。由于風化和雨水的侵蝕，砂漿大量流失，石材之間灰縫被掏空，引起了部分石材如拱券石的脫落，影響了拱券的整體受力性能，可能造成拱券的坍塌。這些被掏空的灰縫會帶來更多的雨水侵蝕以及植物侵蝕，將加速拱券結(jié)構(gòu)性能的退化。永昌橋拱券石之間的灰縫大面積出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，西次孔石塊由于砂漿流失已經(jīng)脫落。

2．3 植物侵蝕

現(xiàn)場觀察到永昌橋橋體上已長出了小樹和一些草本植物。植物侵蝕會對石拱橋主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，減少古橋的使用壽命：1)植物樹根在灰縫中或者石材裂縫中逐漸生長，擠入拱橋內(nèi)部，擠壓石材，導致灰縫和石材裂縫的寬度不斷發(fā)展，引起石材局部破碎甚至整體開裂；2)植物的生長會使水分在石材表面的儲存時間延長，利于微生物的生成，微生物也會不停地分泌酸類物質(zhì)，急劇加速石材的生物化學風化作用。永昌橋兩側(cè)金剛墻上都零星分布著小植物，靠近東岸的南側(cè)金剛墻上長出根部直徑約為5 cm的小樹。

2．4 人為影響

永昌橋歷史久遠，伴隨著交通工具的發(fā)展，后人人為地改變橋梁使用功能，譬如在解放后，永昌橋被加厚了橋面并且有重型車輛通過，增加的荷載加重了側(cè)墻的鼓脹變形；附近居民的生產(chǎn)和生活也對橋梁造成了一定程度的破壞，例如永昌橋西側(cè)次孔被人為堆積了很多填土垃圾，增加了基礎(chǔ)的附加荷載，影響了基礎(chǔ)的安全。

3 結(jié)構(gòu)性能分析

石拱橋為特種結(jié)構(gòu)類型，具有復雜的幾何形狀?？紤]到我國尚未制定可供參考的規(guī)范驗算該類型石拱橋結(jié)構(gòu)的強度與剛度，且一般的計算軟件亦無法對該類結(jié)構(gòu)進行計算分析，因此非常有必要選用能夠模擬實際工況下真實結(jié)構(gòu)響應信息的有限元分析方法完整獲取石拱橋在復雜外力作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應力分布與撓度變形等受力性能，以準確評估石拱橋的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。

3．1 有限元模型

明代石拱橋永昌橋除存在顯見的殘損病害外，還可能存在一些結(jié)構(gòu)安全隱患，為弄清楚這些具體的隱患，采用有限元軟件ANSYS對其進行結(jié)構(gòu)性能分析。首先對永昌橋采用三維激光掃描儀進行精確測繪，并且在現(xiàn)場進行材料強度的檢測，然后根據(jù)測繪得到的幾何尺寸和檢測得到的材性參數(shù)，采用有限元軟件ANSYS(14．0)建立永昌橋的有限元模型?？紤]到永昌橋主體結(jié)構(gòu)已有殘損，整體性較差，在有限元分析時，假定對該橋進行了殘損修補，將各類材料都簡化為連續(xù)均質(zhì)的各向同性材料。

3．1．1建立模型 建立有限元模型時，除裂縫分析時拱的主體結(jié)構(gòu)采用Solid65實體單元以外，其他情況下拱的主體結(jié)構(gòu)皆采用Solid45實體單元，基礎(chǔ)約束采用固接形式?？紤]到填土已經(jīng)固結(jié)，砌體與填土的相互作用關(guān)系簡化為緊密連接。在重要度分析中，由于永昌橋是完全對稱的，同時選用整體結(jié)構(gòu)和其整體結(jié)構(gòu)的1/4進行建模分析。

3．1．2網(wǎng)格劃分 由于拱橋的立面形狀較為復雜，為了使網(wǎng)格劃分更為規(guī)則、均勻，在控制了每個單元的尺寸的基礎(chǔ)上，采用自由及掃掠網(wǎng)格劃分模式，見圖2和圖3。

3．1．3材料性質(zhì) 在石材強度、灰漿強度的實測數(shù)據(jù)上，參考《砌體結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB 50003—2011)按偏保守的原則進行參數(shù)取值，見表1。

表1 主要材料的參數(shù)取值

由于主要將作為承重結(jié)構(gòu)的砌體部分作為研究對象，同時考慮到填土已充分固結(jié)，因此填土按線彈性材料進行簡化處理。

3．1．4施加荷載 考慮到現(xiàn)狀的柏油橋面會在修繕時移除，故恒載的施加分為兩種情況：1)現(xiàn)狀工況：自重+1 350 kg/m2的柏油橋面重+500 kg/m2的石板重；2)修繕工況：自重+500 kg/m2的石板重。恒載的分項系數(shù)為1．2。修繕后永昌橋僅承受行人荷載，因此活載取值為350 kg/m2，分項系數(shù)為1.4。在荷載的影響分析中，考慮4種工況：工況一：恒載；工況二：恒載+全橋均布活荷載；工況三：恒載+半橋均布活荷載(一半寬度)；工況四：恒載+半橋均布活荷載(一半長度)。在裂縫分析中，由于材料參數(shù)取值較為保守，現(xiàn)狀的荷載作用已經(jīng)超過石拱橋的極限承載能力，會引起計算不收斂，因此施加的荷載僅為修繕后的最不利工況，即恒載+全橋均布活荷載。

3．2 結(jié)構(gòu)性能

3．2．1荷載的影響分析 劃分網(wǎng)格后，整體有限元模型的單元總數(shù)為16 880個，由橋體內(nèi)填土和砌體部分疊加而成。考慮到方便對比，簡化為線彈性分析，分析結(jié)果見表2。

表2 荷載影響分析

在現(xiàn)狀和修繕后情況的4種工況荷載的作用下，主拉應力最大值都出現(xiàn)在靠近主拱的外側(cè)頂端附近，超過砌體的抗拉強度，主壓應力最大值都出現(xiàn)在主拱拱腳附近。從4種工況的對比可見：活載的影響不大，在全部荷載的影響中約為15%；活載布置方式的影響也不大，不同布置方式對主拉應力和主壓應力最大值的影響約為15%。

3．2．2重要度分析 為弄清楚該石拱橋哪些部位最重要，為進一步的重點保護提供依據(jù)。參考文獻[7]，基于殺死單元法得到各單位的體積重要性系數(shù)評價結(jié)構(gòu)單元的重要度，進而知道哪個部位對石拱橋的結(jié)構(gòu)安全影響最大：

(1)

式中：I為單位體積重要性系數(shù)；U0為原結(jié)構(gòu)的應變能;Uf為某單元發(fā)生殘損之后的結(jié)構(gòu)應變能;V為發(fā)生殘損單元的體積。利用ANSYS自帶的APDL語言編程計算得到I，其結(jié)果見圖4和圖5。

結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)單元呈離中部越近越重要、離底部越近越重要的趨勢，而大拱的拱腳部位是整個結(jié)構(gòu)中最重要的部分，因此對缺陷也最為敏感。施工前期應優(yōu)先檢查大拱拱腳部位砌體殘損情況，并做相應的保護措施。

3．2．3裂縫分析 為了解結(jié)構(gòu)開裂之后由于應力重分布導致的結(jié)構(gòu)不利部位轉(zhuǎn)移，對永昌橋進行了非線性分析，考慮砌體部分的開裂和壓潰，分析結(jié)果見圖6和圖7。

結(jié)果顯示，永昌橋在考慮恒載+全橋均布活荷載作用下砌體無壓潰的跡象，但裂縫較多。從圖6可見，由于砌體的抗拉強度很低，在局部位置(大跨拱腳)損傷程度相對較嚴重，且橋沿著橫向的聯(lián)系較弱，產(chǎn)生很多順橋縱向的裂縫。從圖7可見，砌體部分側(cè)壁的裂縫有兩種類型：1)類似于連續(xù)梁負彎矩區(qū)的裂縫；2)由于側(cè)壁抵抗豎直方向變形的剛度相對于拱體而言要大，因此拱體變形時會把側(cè)壁拉裂。

4 石拱橋保護技術(shù)分析

4．1 拱券結(jié)構(gòu)保護方案的比較

基于永昌橋的結(jié)構(gòu)性能分析，考慮了拱背套鋼筋混凝土拱法和拱背粘貼碳纖維布法兩種方法對其拱券進行加固，并在ASNYS中模擬了兩種加固方法對于拱背力學性能的改善情況。恒載和活載的選取考慮了修繕后的最不利使用狀況，滿布恒載和人行活載，即去除后加的柏油橋面，恢復人行橋。在拱背套鋼筋混凝土拱法的有限元分析中，選擇Solid45單元模擬鋼筋混凝土，彈性模量取3．0×104N/mm2；在拱背粘貼碳纖維布法的有限元分析中，選擇Shell41單元模擬碳纖維布，彈性模量取2.49×105N/mm2；混凝土和碳纖維布與石材表面的連接方式簡化為節(jié)點耦合。為了方便比較，選取最大主拉應力作為對比對象，分析結(jié)果見表3。

表3 不同加固方法下最大主拉應力對比

結(jié)果顯示：在5 cm鋼筋混凝土拱背的保護下，大、小拱的主拉應力分別減小了94%、86%；在拱背黏貼0．8 mm厚的碳纖維布時，可以使大、小拱的拱背的最大主拉應力分別減小20%、24%。雖然拱背套鋼筋混凝土拱法在力學性能上對拱背的改善最大，能最大限度地保護拱背，但根據(jù)《中國文物古跡保護準則》中“最低限度干預”和“不改變原狀”的保護原則要求，對永昌橋的拱券加固方案優(yōu)先選用拱背粘貼碳纖維法加固。拱背粘貼碳纖維布加固古代磚石拱券結(jié)構(gòu)在國外已有先例[11-13]，其原理是基于層壓方式，將拱背一側(cè)的砌體與浸透了樹脂黏膠的碳纖維布結(jié)合成一體，限制拱背的變形，從而減小砌體所承受的應力。

結(jié)合碳纖維布自身特點和工程實際需求，最終的修繕施工方案為拱背縱向間距300 mm粘貼5層碳纖維布(0．167 mm厚，200 mm寬)、橫向間距400 mm粘貼2層碳纖維布(0．167 mm厚，200 mm寬)加固。

4．2 石拱橋加固修繕施工工法

根據(jù)場地情況、殘損現(xiàn)狀、加固修繕方案的分析，永昌橋加固修繕的施工順序主要分為十個工序。

4．2．1導流明渠 永昌橋位于秦淮河源頭，因此工程土方主要為導流明渠。施工期間經(jīng)歷豐水期，圍堰需考慮迎水防沖，圍堰采用機械回填黏土，人工麻袋裝土護坡。

4．2．2腳手架搭設 為確保安全和施工的便利，需在橋四周、河道上搭設腳手架。為了提高腳手架根部的穩(wěn)定性，需先將擬搭設腳手架部位底部的雜物如石塊等清理干凈，再采用人工投擲塊石的方式擠淤，平整后在其上部鋪擺石塊3～4層。搭設時，應注意按要求校正步距、縱距、橫距和立桿垂直度，每搭設一層立桿需檢查合格后再搭設橫桿和縱桿，同時同步搭設剪刀撐或斜撐；腳手架外側(cè)的防護欄桿高度不應小于1 m，攔腳桿板不應小于40 cm，腳手板應鋪滿、鋪穩(wěn)。

4．2．3橋臺修繕 查勘原橋臺石料，如有損壞應對損壞部位采用原材料、原尺寸予以更換石塊松動處后，灌水硬性石灰。

4．2．4壓漿治理 拱券和側(cè)墻存在砌體開裂、砌縫脫落、空洞以及植物侵蝕等病害，為提高拱橋的整體受力性能，高壓壓注水硬性石灰處理已有的裂縫和缺陷。壓漿前應清理壓漿部位如灰縫內(nèi)的雜草和植被，再埋設注漿管和排氣管并密封。需做試驗確定砂漿配合比、壓力參數(shù)等。

4．2．5填料卸載 為確保施工安全，應先對基礎(chǔ)進行加固，再從每孔的兩側(cè)對稱向中間拆除橋面鋪裝層如柏油橋面、外傾欄桿等，然后再卸載填料。

4．2．6拱券加固 首先應將脫落的的拱券石補齊歸位、更換風化特別嚴重的石料，再在拱券背部粘貼碳纖維布加強拱券的整體結(jié)構(gòu)性能以及限制拱券的變形。粘貼碳纖維布的施工工藝主要分為6個部分。

1) 表面處理。用手提沙輪機除去石材表面層(如風化物、填土、污物和浮漿浮塊等)，打磨至石材表面裸露；打磨完后用高壓氣槍清除粉塵及其他松動物質(zhì)，確保其表面平整無灰塵，充分干燥。

2) 貼合面整平。用灰刀將加固砂漿抹在不平整的石材表面，消除所有不平整處和縫隙。

3) 底膠涂刷。在底層樹脂的有效操作時間內(nèi)，用滾動毛刷將其均勻涂在石材表面，保證所有部位均有底膠，待干燥后，進入下一步工序。

4) 碳纖維布(CFRP)粘貼。按設計要求，預先裁剪好碳纖維布，若碳纖維布需縱向搭接時，確保搭接長度不小于15 cm；在浸漬樹脂的有效操作時間內(nèi)，用滾筒毛刷將其涂在涂有底膠樹脂的石材表面上并用橡膠刮板均勻抹平；將碳纖維布鋪到涂有浸漬樹脂的石材表面上，并沿纖維方向用刮刀或脫泡滾筒刮平，去除氣泡，待整段碳纖維布與石材表面完全貼合后，再用脫泡滾筒反復碾壓，確保氣泡完全排除、浸漬樹脂充分浸透纖維絲。圖8為拱背粘貼碳纖維的現(xiàn)場照片。

5) 第二層浸漬樹脂涂刷。碳纖維布浸透刮平后，應再涂刷一層浸漬樹脂，并用橡膠刮板、脫泡滾筒重復上一步驟，保證碳纖維布完全浸透。

6) 間隔不小于12 h的時間，重復4)和5)工序粘貼下一層碳纖維布，直至達到設計要求。

4．2．7側(cè)墻修繕 側(cè)墻保存基本完整，有扶壁石墻加固，局部出現(xiàn)鼓脹變形。首先應檢查側(cè)墻石料的風化情況，更換風化嚴重的石料，再重新歸正鼓脹變形的側(cè)墻，接著采用對拉錨桿加固兩邊的側(cè)墻，然后在側(cè)墻塊石縫道內(nèi)重新用水硬性石灰勾縫。待勾縫砂漿達到強度后壓注水硬性石灰，再對孔洞及側(cè)墻表面進行清理、封孔。最后拆除后增的扶壁石墻。

4．2．8填料回填和橋面恢復 橋身內(nèi)腹料更換為3∶7灰土進行分層回填夯實，回填時適量參水，確保達到最優(yōu)含水率，夯實系數(shù)不小于0．94。在橋面上恢復青石板，青石板下做100 mm厚C20細石混凝土墊層(內(nèi)配A8@200三級鋼筋，雙向單層)和高分子防水卷材。

4．2．9欄桿恢復 欄桿現(xiàn)已完全缺失，參考《中國古建筑瓦石營法》[8]和周邊現(xiàn)存同時期、同風格的石拱橋——溧水蒲塘橋和高淳沛橋的石欄板做法進行恢復。

4．2．10石材防護 石橋年代久遠，砌體石材存在不同程度的風化，需對砌體表面涂刷石材防護劑，防止石材進一步風化、剝落(在前述的專項整治措施中應及時更換風化特別嚴重的石料)。石材防護處理前，應用鋼刷清理石材表面已風化部分，然后在石材表面均勻涂刷無機硅憎水劑。需先做試驗選擇合適的憎水劑，確保透氣性、滲透性、耐久性以及防水性符合要求。

經(jīng)修繕后的永昌橋見圖9。

5 結(jié) 論

永昌橋為典型的明代三孔石拱橋，使用至今，存在嚴重的結(jié)構(gòu)安全隱患。本工作對其進行了現(xiàn)場測繪、殘損勘察、結(jié)構(gòu)性能分析和方案比選，最終提出了適宜于該石拱橋的保護技術(shù)，并將該技術(shù)應用于永昌橋的保護實踐中，可為同類型石拱橋的保護工程提供參考。

1) 該類型石拱橋的典型殘損主要為石材風化、砂漿流失、植物侵蝕和人為影響。該類型石拱橋除顯見的殘損病害外，還可能存在結(jié)構(gòu)安全隱患。

2) 由于目前缺乏可供參考的規(guī)范來驗算古代石拱橋結(jié)構(gòu)的強度與剛度，因此可以采用ANSYS等有限元分析軟件進行仿真模擬以準確評估石拱橋的結(jié)構(gòu)安全狀況。

3) 在荷載的影響分析中，主拉應力最大值都出現(xiàn)在主拱的金剛墻頂部，主壓應力最大值都出現(xiàn)在主拱拱腳附近。人行活荷載對該類型石拱橋的影響不大，在全部荷載的影響約為15%；活載布置方式的影響不大，不同布置方式對主拉應力和主壓應力最大值的影響約為15%。

4) 在重要度分析中，該類型石拱橋結(jié)構(gòu)單元呈離中部越近越重要、離底部越近越重要的趨勢，而大拱的拱腳部位是整個結(jié)構(gòu)中最重要的部分，因此對缺陷也最為敏感。

5) 在裂縫分析中，該類型石拱橋在考慮恒載+全橋均布活荷載作用下砌體無壓潰的跡象，但裂縫較多。大跨拱腳的損傷程度相對較嚴重，且橋的橫向聯(lián)系較弱，產(chǎn)生很多順橋縱向的裂縫。

6) 基于《中國文物古跡保護準則》中“最低限度干預”和“不改變原狀”的保護原則要求，拱背粘貼碳纖維加固法可作為該類型石拱橋拱券加固的優(yōu)選方法。

7) 永昌橋的加固修繕措施滿足《中國文物古跡保護準則》中的“最低限度干預”、“不改變原狀”、“使用恰當?shù)谋Ｗo技術(shù)”和“防災減災”的保護原則，具有一定的普適性，可供同類型石拱橋的加固修繕參考。