傳統石材與現代鋼筋混凝土性能的比較

摘要：我國現存的且仍能正常使用的傳統橋梁結構大多為石拱橋。而現代橋梁建設中用到最多的就是預應力混凝土梁橋。鑒于此，本文從材料性能、結構受力和施工工藝三個方面結合工程實例，分別從基礎和承重結構兩方面對傳統石材和現代預應力鋼筋混凝土進行對比研究。研究結果表明，兩種材料均為抗壓材料，預應力混凝土的強度和抗彎拉能力遠高于遠高于石材，故其跨度和承載能力較大。石材的耐久性好，施工工藝簡單，故石拱橋使用年限更長。

關鍵詞： 耐久性 應力水平 強度 施工工藝

0 引言

我國有許多保存至今的古代石拱橋，其中許多是我們國人引以為豪的驕傲。如蘇州寶帶橋、泉州五里橋和洛陽橋等。當然，最著名的還是位于河北石家莊趙縣安濟橋，也就是我們常說的趙州橋。趙州橋建于公元605年，由著名的匠師李春設計和建造，長50.82米，跨徑37.02米，高7.23米，是一座石拱橋。相比而言，現代橋梁多為梁橋。梁橋一般為連續梁橋，只有在跨度較小或者有特殊要求時采用簡支梁橋。鑒于此，為了解預應力鋼筋混凝土與石材在性能上的區別，本文以趙州橋和現代梁橋為例，從材料性能、結構受力和施工工藝三個方面進行比較研究。

1 基礎部分

1.1 材料性能

修建趙州橋基礎是由五層石條砌成高1.55米的橋臺。由于建造該基礎的石材為石灰石，石灰石塊的主要成分是碳酸鈣，有良好的抗化學性。除了酸以外，許多侵蝕性物質都不能侵蝕或只能緩慢侵蝕石灰石。而大氣中主要的酸性氣體就是二氧化碳，很難石灰石發生反應。另外，其抗壓強度高達100Mpa[1]，所以，材料強度遠遠滿足要求。由于其住所用的石材為天然石料，內部孔隙率較小，故其抗凍性較好。因此，趙州橋的基礎材料具有良好的耐久性。

橋墩用混凝土的強度一般較低，但由于橋墩直徑較大，屬于大體積混凝土，故一般在硅酸鹽水泥中摻入混合料，如礦渣、火山灰和粉煤灰等作為膠凝材料，以降低混凝土硬化產生的的水化熱并減少氫氧化鈣的含量，減小由于二氧化碳造成的碳化效應。由于橋墩屬于大體積混凝土，一般要求在拌合混凝土時加入適量的緩凝劑以減緩凝結速度從而降低水化熱。且當于河流中時會長期被水沖刷，因此，需加入適量的減水劑和引氣劑從而在滿足混凝土施工和易性的同時減少水的用量，以提高混凝土的密實度。

1.2 結構受力

李春在進行基礎的設計時，經過嚴密的勘查、比較和計算，選擇在河道平直處建橋。這里的地層由河水沖積而成，地表是粗砂層，經歷了很長一段時間的流水沖刷，以下是細石、粗石、細砂和粘土層。根據測算，這里的地層的地基承載能力能夠滿足大橋的要求。建橋至今，橋基僅下沉了5厘米，說明這里的地層的沉降量小，適合建橋。修建的基礎是用5層條石砌成的，基礎直接放置在地基上。由于該橋是拱橋，橋梁的基礎主要承受對地基的壓力和基礎背側的水平推力（被動土壓力）通過簡單的受力分析我們就很容易知道該橋的基礎處于靜態的平面受壓平衡狀態，不承擔拉力。而前邊已經指出，該石材的抗壓強度高達100Mpa，而地基所承受的軸向壓力僅為5～6Mpa，安全余量充足。所以，趙州橋的基礎很牢固，這也是它歷經上千年依舊能夠正常使用的前提。

對于現代連續梁橋而言，其基礎一般為樁基礎。樁上邊一般會有一個承臺，再接著是橋墩、墩帽，有時在并排的橋墩之間還會有用來增加兩個橋墩整體性的連梁。橋墩一般只承受軸向壓應力，配有縱向鋼筋和箍筋。縱向鋼筋主要用于幫助混凝土受壓、承受可能殘在的小偏心受壓引起的彎矩以及防止結構發生脆性破壞。箍筋主要分為一般箍筋和螺旋箍筋。配有一般箍筋的混凝土軸心受壓構件可按照下式進行計算[3]：

式中， 為結構的重要性系數， 為軸向力的組合設計值， 為穩定系數， 為混凝土的軸心抗壓強度， 為混凝土的毛截面積， 為縱向受壓鋼筋的截面積， 為鋼筋的屈服強度。

由上式可以看出，在進行橋墩的設計時，混凝土中的應力接近其抗壓強度，即使結構設計留有一定的安全余量，但由于混凝土結構的不均一性，可能導致混凝土構件的局部承載力不足。

1.3 施工工藝

趙州橋的基礎部分為五層條石，條石之間用砂漿砌筑，而條石之間主要傳遞壓應力，對施工工藝得要求并不高，只要砂漿曾平整即可。而現代梁橋橋墩的建設對施工工藝的要求就相對較高。

首先，樁基礎部分包括基樁和承臺，按照施工方法可分為沉入裝、鉆孔灌注樁和人工挖孔樁。樁基礎的施工過程中有放線定位，按照要求打樁，做鋼筋籠，將鋼筋籠放入樁孔并澆注混凝土幾步。這一過程需要技術人員、機械、民工的緊密配合。這對施工工藝的要求就比較高。如放線定位過程中微笑的誤差就可能導致橋墩位置的側移，從而可能產生較大的偏心受壓引起的彎拉應力。其次，在橋墩的施工過程中，出一般混凝土澆注所需的立模、澆注和養生外，還需在立模后先搭建一個澆注平臺，用于澆注混凝土。另外，由于橋墩屬于大體積混凝土，在施工過程中既要保證混凝土具有足夠的施工和易性，又必須保證不能產生過大的水化熱，同時還應保證混凝土的強度和減小拌合單位用水量，以保證其耐久性和抗凍性。保證這些性質的前提是工程技術人員和施工人員以及施工器械之間的緊密有序配合。這無疑給施工過程增加了很多不確定性。趙州橋橋基所用的石材的均一性、耐久性明顯比混凝土的要好，故為結構的長期使用提供了保障。

2 承載部分

由于趙州橋的主要承重石拱結構仍為石材，而現代梁橋的梁也大都為高強混凝土，在石拱砌置時，李春沿順橋方向進行砌置。具體砌筑方式為，28道并排的拱券各自獨立、單獨砌筑。首先，用木頭做成架子來承擔砌筑拱券所用石材的重量。工人們只需要把石塊按照順序碼放在架子上拱券就能修好了，這樣，就使得施工比較簡單，易于操作。拱券完全合攏后，公權本身就具有了自己的承載能力，從而可以移動承擔重量的架子，再砌另一道相鄰拱券。這種砌筑方法由于架子承受的重量最多僅為一道拱券的重量，架子可以做的比較小，從而節省了所用的木材。另外，由于拱券相互獨立，使得維修比較方便，而且由于各道窄券的石塊間沒有相互聯系，即使壞了一個，仍能正常使用，在修橋時也不影響橋上交通。

3 結束語

通過對傳統石拱橋和現代梁橋兩者的基礎和主要承載結構的材料性能、結構受力和施工工藝對比，可知：（1）傳統石拱橋的材料強度遠遠高于其所能承載的最大外荷載的強度，且石材的耐久性和密實性較好，但造成了材料的浪費；現代混凝土結構為了滿足工程要求，其承載能力接近材料的極限強度，充分利用了材料，但由于材料的不均一性，可能導致局部破壞，因而材料的耐久性不好。（2）傳統結構的設計偏于安全，結構自身的穩定性較好，但由于結構類型的原因，結構的承載能力較小，且跨度也相對較小；現代結構的跨度大，承載能力強，但結構的設計安全余量較小。（3）傳統石拱橋對施工工藝的要求較低，施工過程中不可控因素較少，從而質量更容易得到保證；現代結構對施工工藝的要求較高，而且要求各方的協同配合，不可控因素也較多，因此，工程的質量可能與設計存在一定的偏差。

參考文獻：

[1] 蘇達根.土木工程材料[M]. 高等教育出版社.

[2] 高東光.橋涵水文[M]. 人民交通出版社.

[3] 葉見曙.結構設計原理[M]. 人民交通出版社.

作者簡介：

王帥，男，鄭州大學土木工程學院，交通工程專業本科生。

閔博，男，鄭州大學土木工程學院，交通工程專業本科生。