文物石拱橋的保護加固技術研究

丁作常

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

石拱橋是我國橋梁傳統橋型之一，距今已有近兩千年的歷史，它外形輕盈俊秀、結構堅固耐用、建造取材方便[1]。石拱橋在使用過程中，部分橋梁出現了不同程度的病害。針對解決病害，國內不少科研單位和學者開展了石拱橋的加固技術研究工作，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研究，相關內容不多。作為歷史文物的石拱橋，其加固技術有自身的特殊性，本文作者結合多年來的加固維修經驗，結合文物保護的相關要求，開展考慮文物保護需求的石拱橋加固技術研究。

1 石拱橋加固研究現狀

國內一些從事橋梁科研工作的單位和學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,湖南省交通科學研究院以湘西和部分西南地區石拱橋為依托，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研究”，包括服役石拱橋病害調查與成因分析研究、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研究等內容[2]。

2008年3月，重慶交通大學周建庭教授等學者編寫了《石拱橋加固改造技術》圖書，該書詳細敘述了石拱橋病害產生的機理，石拱橋安全性仿真技術，石拱橋主拱圈加固技術、上部結構加固技術、綜合加固整治技術和石拱橋加固技術經濟性與評價分析等內容[3]。

2009年5月，中南大學碩士研究生蔡斌編寫了《服役石拱橋加固技術研究》的碩士論文報告，對中國石拱橋的發展進行了介紹，對石拱橋加固存在的問題進行了總結，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、石拱橋加固方案優選評價指標體系等成果[4]。

2 研究內容

結合國內石拱橋加固研究進展和成果，本文主要研究內容如下。

1) 對石拱橋現有的檢測評價、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) 依據文物保護法律法規及相關政策文件，從文物保護的要求、加固方法的適應性等角度，開展文物石拱橋的保護加固技術研究。

3 國內石拱橋加固技術分析

3.1 重視石拱橋的檢測評價工作

國內石拱橋加固技術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、結構剛度和變形等基礎資料后，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工作提供基礎支撐[5]。

3.2 加固流程及關鍵工作分析

目前大多數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，因此建模計算的結果應該審慎評估后使用；二是病害作用下，橋梁的傳力路徑可能發生一定變化，難以做到合理可行的病害狀態下的結構模擬，因此加固結構模擬計算應重視結構傳力路徑和力學模型的簡化。

3.3 石拱橋加固方法分析

國內石拱橋加固技術，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、改變結構體系加固法等，其它加固方法的實質都是這些方法的轉化和組合。對于石拱橋中采用的改變結構體系的加固方法，應清楚認識兩點，一是主拱圈是全結構最主要的受力構件，承受軸向壓力作用，不宜對此結構進行結構體系改變；二是石拱橋各構件只能承受壓力，不能承受拉力作用[6]。

4 基于文物保護的石拱橋加固技術研究

4.1 文物保護的法律法規及相關政策文件

就文物工程加固技術而言，文物保護涉及的法律法規主要有《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》《國務院關于進一步加強文物工作的指導意見》《文物保護工程設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、延續文物的真實歷史信息和價值。文物保護工程分為保養維護工程、搶險加固工程、修繕工程、保護性設施建設工程、遷移工程等。國家文物局負責全國文物保護工程的管理，文物保護工程管理包括立項、勘察設計、施工、監理及驗收管理，各環節均有相應的要求，承擔文物保護工程的勘察、設計、施工、監理單位必須具有國家文物局認定的文物保護工程資質。《文物保護工程設計文件編制深度要求(試行)》對勘察、設計文件的內容和深度進行了詳細要求。《國務院關于進一步加強文物工作的指導意見》對文物的維修規定有：重視歲修，減少大修，防止因維修不當造成破壞。不可移動文物，不得擅自遷移、拆除，因建設工程確需遷移、拆除的，應當嚴格按照文物保護法律法規的規定辦理相關手續。

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生病害的構件，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。該方法不影響結構外觀，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件，采取卸除減載或替換為輕質材料減載的加固方法。該方法不影響結構外觀，改造思路簡單明了；但該方法應認真分析研究減載的可能性和實操性，不能因減載而誘發其它病害。對于文物石拱橋而言，由于建造時缺乏有效的力學分析方法，可能部分構件會出現累贅或臃腫等現象，加之當時缺乏輕質材料，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件表面新增混凝土層，增大截面面積，并根據需要配置鋼筋，從而提高構件承載力和剛度，限制裂縫開展。該方法可根據受力需要增配鋼筋；但該方法會改變結構或構件外觀，增加結構自重。石拱橋的打孔植筋、新混凝土與原石拱橋結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)加固法就是用膠結材料將鋼板(碳纖維)粘貼于被加固構件，使之與被加固截面共同工作，提高構件承載力，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)與原結構協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構或構件的裂縫或空洞進行壓力灌漿封閉，使結構或構件恢復承載能力的加固方法[8]。該方法工藝成熟，施工簡單，不影響結構外觀；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) 改變結構體系加固法。改變結構體系加固法就是通過增設或減少構件，改變結構的傳力路徑和結構體系的加固方法。該方法加固思路清晰，但影響結構外觀，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，橋寬5.8 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。作為曾經的主要川黔運鹽通道，發揮了較大的歷史作用，它的存在，見證了地方經濟、社會和文化的變革發展。

5.1 主要病害

隨著時間的推移，該拱橋出現了一定程度的病害，經現場檢測，病害狀況主要有：2號墩及兩側拱圈均出現縱向開裂，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)拱圈在拱頂至L/4之間出現豎向變形和扭轉，拱圈截面已不在同一平面內，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

根據橋梁的病害狀況、使用功能和重點文物保護要求，結合本文研究成果，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，施工振動對結構有一定影響；新增鋼筋混凝土套拱能抵抗砌體結構變形產生的次內力，滿足日常人行荷載的作用。經綜合比選，采用了新增鋼筋混凝土套拱方案進行加固。

6 結語

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

2) 傳統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、系統的病害成因分析和全面的文物保護要求的基礎上。

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