聶靜宇,常 明

(成都杜甫草堂博物館，四川成都 610072)

拱橋是橋梁墩臺(tái)之間以拱形的構(gòu)件來(lái)做承重結(jié)構(gòu)的，拱形構(gòu)件在垂直荷載作用下，墩臺(tái)上產(chǎn)生垂直反力的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生水平推力。拱形構(gòu)件受彎又受壓，且常以受壓為主，因此利用天然石料制造拱橋，物盡其用，十分合理，但石拱橋又存在一些病害和缺陷。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)石拱橋的病害進(jìn)行了研究，如吳海軍等[1]對(duì)山區(qū)農(nóng)村公路石拱橋典型病害及加固措施做了研究，分析了幾種加固方法對(duì)石拱橋上部結(jié)構(gòu)病害的適用性；彭焱焱[2]針對(duì)古老石橋的病害，從墩臺(tái)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)兩方面提出病害處理措施；羅婧文等[3]總結(jié)了大跨度石拱橋主要結(jié)構(gòu)性及非結(jié)構(gòu)性病害，并提出結(jié)構(gòu)性病害整治措施。但是大多的研究都是針對(duì)病害做出處理，較少的采用分析結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行病害預(yù)防及整治。因此，本文結(jié)合成都杜甫草堂“客至橋”，采用有限元軟件分析其受力情況，并根據(jù)受力情況分析其可能發(fā)生的病害，提出相應(yīng)預(yù)防及整治措施。

1 石拱橋常見(jiàn)病害

1.1 石拱橋上部結(jié)構(gòu)常見(jiàn)病害

通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外眾多石拱橋的病害，筆者發(fā)現(xiàn)石拱橋上部結(jié)構(gòu)承受的病害主要包括：

(1)主拱圈變形，拱軸線下?lián)稀?/p>

(2)拱圈砌石錯(cuò)位、脫落。

(3)拱石風(fēng)化，砌縫砂漿脫落。

(4)拱圈開(kāi)裂。

(5)側(cè)墻開(kāi)裂、外鼓或外移。

1.2 石拱橋下部結(jié)構(gòu)常見(jiàn)病害

石拱橋下部結(jié)構(gòu)承受的病害主要包括：

(1)基礎(chǔ)不均勻沉降。

(2)基礎(chǔ)沖刷嚴(yán)重或掏空。

(3)墩臺(tái)開(kāi)裂。

2 石拱橋病害產(chǎn)生的原因

2.1 石拱橋上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害的原因

分析石拱橋上部結(jié)構(gòu)承受的病害原因：主拱圈的變形主要由于拱圈砌筑質(zhì)量不高，石拱橋在自身重量及其他活載下，地基承載力不足而產(chǎn)生水平位移及沉降，從而導(dǎo)致拱軸線的下降；拱圈砌石的錯(cuò)位主要由于施工不專業(yè)，填充砂漿不飽滿，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用，拱圈砌石出現(xiàn)錯(cuò)位、松動(dòng)甚至脫落；拱圈開(kāi)裂包括主拱圈橫向開(kāi)裂與主拱圈縱向開(kāi)裂。主拱圈橫向開(kāi)裂多發(fā)生在拱頂上部以及拱腳上部，嚴(yán)重時(shí)會(huì)開(kāi)裂至拱壁，發(fā)生的原因主要包括石材強(qiáng)度不足，基礎(chǔ)產(chǎn)生位移，拱圈受力不對(duì)稱等，主拱圈縱向開(kāi)裂主要由于施工、拱上側(cè)土壓力的作用及結(jié)構(gòu)本身的非常規(guī)受力引起；側(cè)墻開(kāi)裂外鼓及外移發(fā)生的主要原因包括橋面承受的荷載過(guò)大，拱頂填料不足，拱上建筑填料不密實(shí)，側(cè)墻的砌筑灰料強(qiáng)度太低，施工質(zhì)量低等。

2.2 石拱橋下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害的原因

分析石拱橋下部結(jié)構(gòu)承受的病害原因：基礎(chǔ)不均勻沉降主要是由于地基承載力不足造成的；墩臺(tái)開(kāi)裂包括順橋向、橫橋向的橫向裂縫或者豎向裂縫，引起墩臺(tái)開(kāi)裂的主要原因?yàn)楹奢d過(guò)大、橋臺(tái)填充不密實(shí)、存在設(shè)計(jì)及施工缺陷等。

3 “客至橋”案例分析

成都杜甫草堂博物館坐落于浣花溪畔，是中國(guó)唐代大詩(shī)人杜甫流寓成都時(shí)的故居，唐末詩(shī)人韋莊尋得草堂遺址，重結(jié)茅屋，使之得以保存，宋元明清歷代都有修葺擴(kuò)建?！翱椭翗颉蔽挥诙鸥Σ萏脰|門(mén)外，毗鄰浣花溪公園?！翱椭翗颉睘榉奖阈腥藦匿交ㄏ珗@東門(mén)圍繞白鷺洲濕地區(qū)域觀賞風(fēng)景而建，“客至橋”實(shí)景如圖1所示。

圖1 “客至橋”實(shí)景

“客至橋”全長(zhǎng)26 m，寬3.5 m，采用五孔厚墩聯(lián)拱石橋的形式，中間拱券的直徑為4.1 m，兩側(cè)拱券的直徑分別為2.28 m和2.05 m，主材為MU40青石以及M10砌筑砂漿，采用傳統(tǒng)石橋工藝修建而成。“客至橋”拱券采用的是無(wú)鉸拱和多鉸拱相結(jié)合的形式，即對(duì)起拱處第一塊券石采用階梯的形式與橋墩相連，起拱之后的券石仍采用傳統(tǒng)無(wú)鉸拱縱聯(lián)砌置法的做法，同時(shí)在拱券石之間插入150×100×10的鑄鐵塊，增強(qiáng)拱券之間的橫向聯(lián)系，做法如圖2所示。由于“客至橋”修建在白鷺洲濕地區(qū)域的人工湖中，考慮到避免基礎(chǔ)不均勻沉降，“客至橋”采用筏板基礎(chǔ)作為橋墩基礎(chǔ)，且基礎(chǔ)進(jìn)入密實(shí)卵石層不小于0.2 m。

圖2 “客至橋”拱券石示意

3.1 有限元模型

根據(jù)“客至橋”的實(shí)際情況，利用有限元軟件ANSYS建立石拱橋三維空間有限元模型，如圖3所示，以順橋向?yàn)閄向，以橫橋向?yàn)閅向，以豎向?yàn)閆向。石拱橋采用Solid92四面體實(shí)體單元，將砂漿與砌塊作為一個(gè)整體來(lái)輸入，不考慮砂漿和砌塊之間的粘結(jié)滑移，其整體單元的綜合材料參數(shù)通過(guò)相關(guān)砌體規(guī)范獲得[4]。基礎(chǔ)底面采用剛性約束。全橋共劃分171 259個(gè)單元。荷載考慮為自重、人行荷載及二期恒載。

圖3 “客至橋”有限元模型

3.2 結(jié)果分析

從圖4第一主應(yīng)力云圖中可以看出最大拉應(yīng)力容易出現(xiàn)在中拱墩底及中拱底面處，究其原因在于中拱墩底處由于中拱段的相互擠推，同時(shí)墩底固結(jié)，從而造成在靠近中拱側(cè)的墩底處出現(xiàn)拉應(yīng)力。中拱處由于豎向變形，使得中拱底面出現(xiàn)拉應(yīng)力。從圖5第三主應(yīng)力云圖中可以看出，最大壓應(yīng)力容易出現(xiàn)在中拱墩底處。從圖6橫橋向位移云圖中可以看出，橫橋向的位移在中拱墩底附近處相比其他地方最大，但是數(shù)值比較小，可忽略不計(jì)“客至橋”在考慮的荷載作用下的橫向變形。從圖7豎向位移云圖中可以看出，豎向位移在中拱處最大，其余地方均較小。

圖4 第一主應(yīng)力云

圖5 第三主應(yīng)力云

圖6 橫橋向位移云

圖7 豎向位移云

4 病害預(yù)測(cè)及治理措施

“客至橋”在今后的正常運(yùn)營(yíng)使用中，要避免因?yàn)楹奢d過(guò)大，出現(xiàn)中拱處相互擠推，從而造成墩底出現(xiàn)裂縫，同時(shí)避免墩底固結(jié)部位因?yàn)楣探Y(jié)不牢固，使得墩整體滑移，產(chǎn)生其他病害。中拱處底面由于承受拉應(yīng)力，有幾率會(huì)出現(xiàn)微小裂縫，同時(shí)由于水浸入到裂縫中，造成砂漿砌石二次病害。砌石與砂漿本身也會(huì)因?yàn)轱L(fēng)化作用，使得砂漿脫落，降低砌石與砂漿之間連接承載力。由于“客至橋”位處濕地，地基有可能會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，因此采用了筏板基礎(chǔ)進(jìn)入密實(shí)卵石層的技術(shù)用以盡量減少地基不均勻沉降，但是地基不均勻沉降仍然是必須考慮的一個(gè)因素，同樣會(huì)造成石拱橋產(chǎn)生裂縫。鑒于此，在“客至橋”的使用過(guò)程中，應(yīng)該做好裂縫觀測(cè)，在出現(xiàn)裂縫的地方采用壓漿加固的方式，填充裂縫，保證施工質(zhì)量，同時(shí)避免由于不均勻沉降帶來(lái)的二次病害。

5 結(jié)論

本文通過(guò)采用有限元模型分析病害的方法，對(duì)成都杜甫草堂“客至橋”易受損部分進(jìn)行病害分析，但是在“客至橋”實(shí)際施工中，已經(jīng)采用較多的防護(hù)措施，針對(duì)易受損部分增加其保護(hù)，此外在“客至橋”平時(shí)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)中也要對(duì)本文中所涉及到的應(yīng)力較大處進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，以確保病害出現(xiàn)的時(shí)候能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行補(bǔ)救。本文采用的分析方法也可為今后石拱橋病害分析做參考。