丁作常

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

石拱桥是我国桥梁传统桥型之一，距今已有近两千年的历史，它外形轻盈俊秀、结构坚固耐用、建造取材方便[1]。石拱桥在使用过程中，部分桥梁出现了不同程度的病害。针对解决病害，国内不少科研单位和学者开展了石拱桥的加固技术研究工作，取得了不错的成果，但从文物保护的角度进行石拱桥加固技术研究，相关内容不多。作为历史文物的石拱桥，其加固技术有自身的特殊性，本文作者结合多年来的加固维修经验，结合文物保护的相关要求，开展考虑文物保护需求的石拱桥加固技术研究。

1 石拱桥加固研究现状

国内一些从事桥梁科研工作的单位和学者开展了不少石拱桥加固研究，取得了一定的成绩，例如：

2004年9月,湖南省交通科学研究院以湘西和部分西南地区石拱桥为依托，开展了交通部西部科研项目“服役石拱桥安全性评估与加固改造技术研究”，包括服役石拱桥病害调查与成因分析研究、服役石拱桥理论与安全性评估研究、服役石拱桥维修加固改造技术研究等内容[2]。

2008年3月，重庆交通大学周建庭教授等学者编写了《石拱桥加固改造技术》图书，该书详细叙述了石拱桥病害产生的机理，石拱桥安全性仿真技术，石拱桥主拱圈加固技术、上部结构加固技术、综合加固整治技术和石拱桥加固技术经济性与评价分析等内容[3]。

2009年5月，中南大学硕士研究生蔡斌编写了《服役石拱桥加固技术研究》的硕士论文报告，对中国石拱桥的发展进行了介绍，对石拱桥加固存在的问题进行了总结，得出了石拱桥常用加固方法及加固计算理论、石拱桥可靠性评估方法、石拱桥加固方案优选评价指标体系等成果[4]。

2 研究内容

结合国内石拱桥加固研究进展和成果，本文主要研究内容如下。

1) 对石拱桥现有的检测评价、加固的流程、加固方法、计算分析手段、加固效果评价等进行分析。

2) 依据文物保护法律法规及相关政策文件，从文物保护的要求、加固方法的适应性等角度，开展文物石拱桥的保护加固技术研究。

3 国内石拱桥加固技术分析

3.1 重视石拱桥的检测评价工作

国内石拱桥加固技术普遍较为重视石拱桥的检测评价工作。只有通过检测手段，充分掌握了桥梁的病害形式、病害分布、材料强度、结构刚度和变形等基础资料后，才能为桥梁的病害原因分析、桥梁的工作性能评价、加固的可行性分析、加固方案论证分析等后续工作提供基础支撑[5]。

3.2 加固流程及关键工作分析

目前大多数石拱桥加固一般采用桥梁检测、病害成因分析、加固方法论证分析、加固有限元模拟计算、加固后评估等工作流程，针对不同桥梁，加固侧重点和工作流程有所不同。一是对于年代较为久远的石拱桥，可能建造时各材料之间本身强度差异就很大，加之风化等自然作用，使得材料强度无法准确掌握，因此建模计算的结果应该审慎评估后使用；二是病害作用下，桥梁的传力路径可能发生一定变化，难以做到合理可行的病害状态下的结构模拟，因此加固结构模拟计算应重视结构传力路径和力学模型的简化。

3.3 石拱桥加固方法分析

国内石拱桥加固技术，概括起来有置换加固法、减载加固法、增大截面加固法、粘贴钢板(碳纤维)加固法、灌浆加固法、改变结构体系加固法等，其它加固方法的实质都是这些方法的转化和组合。对于石拱桥中采用的改变结构体系的加固方法，应清楚认识两点，一是主拱圈是全结构最主要的受力构件，承受轴向压力作用，不宜对此结构进行结构体系改变；二是石拱桥各构件只能承受压力，不能承受拉力作用[6]。

4 基于文物保护的石拱桥加固技术研究

4.1 文物保护的法律法规及相关政策文件

就文物工程加固技术而言，文物保护涉及的法律法规主要有《中华人民共和国文物保护法》和《中华人民共和国文物保护法实施条例》；相关政策文件主要有《文物认定管理暂行办法》《文物保护工程管理办法》《国务院关于进一步加强文物工作的指导意见》《文物保护工程设计文件编制深度要求(试行)》等。

4.2 文物保护的要求

《文物保护工程管理办法》规定：文物保护工程必须遵守不改变文物原状的原则，全面地保存、延续文物的真实历史信息和价值。文物保护工程分为保养维护工程、抢险加固工程、修缮工程、保护性设施建设工程、迁移工程等。国家文物局负责全国文物保护工程的管理，文物保护工程管理包括立项、勘察设计、施工、监理及验收管理，各环节均有相应的要求，承担文物保护工程的勘察、设计、施工、监理单位必须具有国家文物局认定的文物保护工程资质。《文物保护工程设计文件编制深度要求(试行)》对勘察、设计文件的内容和深度进行了详细要求。《国务院关于进一步加强文物工作的指导意见》对文物的维修规定有：重视岁修，减少大修，防止因维修不当造成破坏。不可移动文物，不得擅自迁移、拆除，因建设工程确需迁移、拆除的，应当严格按照文物保护法律法规的规定办理相关手续。

4.3 基于文物保护的石拱桥加固方法分析评价

为得出基于文物保护的石拱桥加固方法，以下从加固原理、加固方法优缺点、对文物石拱桥加固的适用性等进行分析评价[7]。

1) 置换加固法。置换加固法就是针对产生病害的构件，采用同等或高一等级强度的相同或近似材料进行替换的加固方法。该方法不影响结构外观，适用于文物石拱桥的加固改造；但该方法是一种局部加固方法，其加固的范围需结合石拱桥的病害状况而确定，如对作为整体承载作用的主拱圈就不一定适用。

2) 减载加固法。减载加固法就是对拱上建筑、拱顶填料等次要受力或不受力构件，采取卸除减载或替换为轻质材料减载的加固方法。该方法不影响结构外观，改造思路简单明了；但该方法应认真分析研究减载的可能性和实操性，不能因减载而诱发其它病害。对于文物石拱桥而言，由于建造时缺乏有效的力学分析方法，可能部分构件会出现累赘或臃肿等现象，加之当时缺乏轻质材料，使得减载加固法成为可能。

3) 增大截面加固法。增大截面加固法就是在构件表面新增混凝土层，增大截面面积，并根据需要配置钢筋，从而提高构件承载力和刚度，限制裂缝开展。该方法可根据受力需要增配钢筋；但该方法会改变结构或构件外观，增加结构自重。石拱桥的打孔植筋、新混凝土与原石拱桥结合面的共同受力是该方法需要重点解决的难题。在文物石拱桥的加固使用中，可在减少外观影响的前提下，对主拱圈采用增大截面的方法进行加固。

4) 粘贴钢板(碳纤维)加固法。粘贴钢板(碳纤维)加固法就是用胶结材料将钢板(碳纤维)粘贴于被加固构件，使之与被加固截面共同工作，提高构件承载力，限制裂缝开展。该方法基本不增加自重，外观影响小；但粘贴面处理、新增钢板(碳纤维)与原结构协同受力是该方法需要重点解决的难题。对文物石拱桥的加固，不建议采用粘贴钢板(碳纤维)加固法。

5) 灌浆加固法。灌浆加固法就是在对结构或构件的裂缝或空洞进行压力灌浆封闭，使结构或构件恢复承载能力的加固方法[8]。该方法工艺成熟，施工简单，不影响结构外观；但该方法作用效果有限。在对文物石拱桥的加固使用中，建议将该方法与其它加固方法配合使用。

6) 改变结构体系加固法。改变结构体系加固法就是通过增设或减少构件，改变结构的传力路径和结构体系的加固方法。该方法加固思路清晰，但影响结构外观，且对于传力路径明确的石拱桥而言，可改变的地方较少。对于文物石拱桥的加固，不建议使用该方法[9]。

5 工程案例

某市级重点保护文物是一座多跨(不等跨)连续石拱桥，孔跨布置为5.1 m(0号拱座)+11. 1 m(第1孔)+3.0 m(1号墩)+14.0 m(第2孔)+5.2 m(2号墩)+11.6 m(第3孔)+6.5 m(3号拱座)=56.5 m，桥宽5.8 m。该石拱桥修建于清朝道光年间(1849年)，距今已有172年的历史。作为曾经的主要川黔运盐通道，发挥了较大的历史作用，它的存在，见证了地方经济、社会和文化的变革发展。

5.1 主要病害

随着时间的推移，该拱桥出现了一定程度的病害，经现场检测，病害状况主要有：2号墩及两侧拱圈均出现纵向开裂，裂缝从墩底一直延伸至拱顶，长度约10 m，最大缝宽约8 cm，两侧裂缝未见贯通，2号墩及拱圈纵向开裂图见图1。第2跨、第3跨拱顶均上冒，第3孔(靠山体侧)拱圈在拱顶至L/4之间出现竖向变形和扭转，拱圈截面已不在同一平面内，第3孔拱顶上冒、拱圈变形图见图2。

图1 2号墩及拱圈纵向开裂图

图2 第3孔拱顶上冒、拱圈变形图

5.2 加固处治方案

根据桥梁的病害状况、使用功能和重点文物保护要求，结合本文研究成果，提出了拆除重建方案、锚杆加固方案和钢筋混凝土套拱加固3种方案。3种处治方案中，拆除重建方案费用高、工期长，工程造价高；锚杆加固方案施工难度大、工艺要求高，施工振动对结构有一定影响；新增钢筋混凝土套拱能抵抗砌体结构变形产生的次内力，满足日常人行荷载的作用。经综合比选，采用了新增钢筋混凝土套拱方案进行加固。

6 结语

1) 国内石拱桥的加固技术已趋成熟，但针对传统文物保护的石拱桥加固技术研究工作，还有待加强和完善。

2) 传统文物保护的石拱桥加固处治方案，需建立在完整的病害检测、系统的病害成因分析和全面的文物保护要求的基础上。

3) 鉴于文物石拱桥特殊的结构形式和建造技术，既有成熟的加固技术如粘贴钢板(碳纤维)、改变结构体系等加固方法不一定适用。