重慶古橋的結構特征及保護研究

康浩 溫泉

摘要：指出了重慶古橋歷史悠久、技術精湛、構造獨特，凝聚了工匠們的勞動創造精神，但由于時代的局限性，重慶古橋多是憑經驗建造的，在結構方面沒有系統、成熟的理論體系進行支撐。基于此，對重慶古橋主要的存在類型石梁橋和石拱橋進行了介紹和概括，并且對某一石拱橋結構進行了定性和定量的分析，論證了其承載能力符合要求，提出了相關保護建議。

關鍵詞：重慶古橋;分析;承載能力;保護

中圖分類號：U448

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）6-0214-04

1引言

1.1重慶古橋的歷史沿革

巴蜀地區周邊高山環繞，峽古山川縱橫，自然環境阻礙了本地古代交通的發展，也使其具備了鮮明的地方性特征。在這樣的地理條件下，重慶地區主要利用發達的水系，通過水陸道路網的建設從東部溝通了湖廣、黔滇地區。并且重慶古橋不僅是重慶地區與周邊地區保持交流的重要紐帶，沿古道形成的交易市場和商旅集散地、食宿點，也逐漸成為各地移民商賈聚居的集鎮，促進重慶地區古代城鎮的發展。重慶地區多山多江河，自古以來先民就開始搭建簡易的木便橋和跳墩橋。在數千年的發展史中更是因地制宜，就地取材，用土、木、石、磚，藤、鐵等建筑材料，建造了數量龐大、類型眾多、構造新穎的橋梁。據《中國文物地圖集，重慶分冊》及《重慶古橋地圖》統計，重慶現存各類古橋800座以上。時間跨度從北宋延續至民國，其中絕大部分為清代古橋。它們以獨特的技巧，濃郁的地方特色，較高的藝術價值和重要的歷史價值著稱。

1.2重慶古橋的主要結構類型

目前，重慶留存下來的人工修筑的古橋類型主要有跳蹬橋、梁橋、拱橋、索橋以及各式廊橋等。這些古橋中，以石梁橋、石拱橋最為常見。梁橋和拱橋的主要區別不僅是外部造型的不同，還在于受力形式的不同。其中梁橋主要是由橋墩、橋臺、基礎、梁組成，在豎向荷載的作用下，梁橋要承受很大的彎矩作用，所以梁橋的材料要采用抗彎、抗拉的材料。從現在的觀點來看，鋼結構、鋼筋混凝土等都是比較適合用于修筑梁橋的材料，但由于受到當時條件的制約，很難實現。雖然石材的抗剪能力很強，但受拉性能卻很不好，導致用石材建造的梁橋大多跨徑較小。石拱橋是重慶古代橋梁的主要類型。根據考占和文獻考證，重慶的石拱橋至遲出 現在東漢時期，距今有近2000年的歷史。拱橋是由橋臺、基礎、拱圈、拱上建筑構成的，在豎向荷載的作用下，在拱橋的拱腳處產生了水平推力，而這個水平力在拱圈內產生的彎矩與由豎向力產生的彎矩抵消，所以拱橋主要受到壓力作用。重慶地區的古代工匠們充分利用了石料抗壓性能好，具有耐久性的特點，為我們留下了大量結構堅固、造型優美的石橋。

1.3重慶古橋的技術價值

重慶古橋是當地能工巧匠們經過多次的實踐，并與自己多年的建造經驗結合從而創造出來的作品。這其中不僅凝聚了古代先賢們的心血，也表現了我國古代建造技術的高超，而且也能夠說明當時的經濟和科學水平。此外，重慶古橋體現了我國古代在結構上有著很高的力學成就。不同的材料有著不同的力學性質，并被用于建造不同結構形式的橋，很好地體現了所謂“物盡其用”的原則。并且當時的人們就已經能對拱橋的受力特性有一個完整清晰的認識，這是很難能可貴的。1300多年前的趙州橋體現了二線重合的寶貴思想，二線重合即自重作用下該橋的拱軸線與其恒載壓力線十分接近，而這一理論卻是后來19世紀中葉由一位法國科學家提出的。重慶地區現存清代的石拱橋較多，比較著名的有涪陵龍門橋、萬州陸安橋、云陽縣南溪鎮鹽述先橋（始建于清同治九年，后民國十五年重建）等，這些古橋對趙州橋起到了很好的繼承和發展的作用，具有重要的技術價值。但是古橋在結構上的重大成就主要是通過T匠們的實踐和經驗取得的，未能總結出一套完整的理論體系，使得進入近代以來，我國的橋梁結構研究落后于西方國家，但古橋卓越的建造技術，卻值得我們去學習和研究。

2重慶石梁橋

2.1石梁橋簡介

重慶地區石梁橋的類型主要為簡支石板梁、懸臂式石板梁、撐架式石板梁3種。由于木平梁橋不易保存，目前重慶保存的梁橋基本為石梁橋。它們通常用天然石塊砌成墩臺，其上架厚石板為梁。現存代表性石梁橋有榮呂路孔古鎮大榮橋、江津四面山古橋、梁平福祿罐鎮古橋，重慶曾家吳家大橋和南岸雙河老橋等。重慶航運的纖道橋：較大河道中通航的船只較大，逆水航行的時候必須用人力拉纖，故在沿河支流的出口處需要建造供纖夫行走的橋梁。多采用結構簡單的石板梁橋。影響古橋跨徑、承載能力的因素主要有截面形式、支座類型、地基組成情況等。

2.2石梁橋的保護策略

由于重慶石梁橋常年受到雨水的沖刷、人行荷載及交通工具的作用、風化作用，故材料的強度會不可避免地降低，影響橋梁的承載能力和安全性能，所以對這些古橋進行保護是十分必要的。首先應該在不損毀古橋文物的前提下進行材料強度的檢測，最好檢測支座和跨中處，因為在這種結構中支座和跨中處受到的彎矩和剪力均較其它部位要大。接著通過結構完損性和安全性的鑒定，來判斷該古橋是要進行小修、大修還是加固改造。小修和大修應該是在結構的安全性沒有問題的前提下，對該古橋出 現塑形裂縫的部位進行處理修復。而加固改造則是對整個橋梁進行翻新，可能會改變結構的材料，比如在梁橋上部結構中某些薄弱部位澆筑鋼筋混凝土。但對于承載能力太低遠遠不能滿足人們通行和車輛行駛的古橋，可以用體外預應力加固梁式橋這種方法，這種加固方法主要用于梁式橋這種受彎結構，即在梁底或梁側下部增設預應力加勁鋼絲索或預應力粗鋼筋補強，與原來的結構組成一次超靜定結構，從而抵消了部分恒載應力，起到了卸載作用。最后是下部結構中橋臺、橋墩常年浸沒在水中，易受到水中一些化學離子的侵蝕作用，從而影響材料本身的強度，所以應該對其進行實地檢測，甚至有必要通過實驗來探究到底材料的成分發生了什么改變，從而選取適合的加固保護方法。

3重慶石拱橋

3.1石拱橋簡介

它是重慶古代橋梁的主要類型。根據考占和文獻考證，重慶的石拱橋至遲出現在東漢時期，距今有近2000年的歷史。史料記載中，明以前的著名石拱橋有北碚洛陽橋、云陽張飛廟橋、涪陵碑記橋和豐都奈何橋等。現存清代石拱橋較多，代表性的有涪陵龍門橋、萬州陸安橋、普濟橋、江津利濟橋、合川巖溪橋、銅梁金甌撟、云陽縣南溪鎮鹽述先橋（始建于清同治九年，后民國十五年重建）、南川龍濟橋、重慶茅溪偃月橋、巫山無暴橋、南川正陽橋、南川萬安橋、萬州萬安橋、萬善橋和五間橋等。根據拱券形態不同，石拱橋大致可分為網弧拱、半圓拱、尖拱、橢圓拱等。石拱橋在建橋的實踐中逐步改進，根據不同地域的河流和交通狀況，發展到厚拱厚墩石拱橋、薄拱厚墩石拱橋、薄拱薄墩石拱橋。拱的形式根據所在地區的需要以及河道狀況條件，建成半圓形、馬蹄形、鴨蛋形、尖頂形、網弧形等。橋臺從單一石墻式構造發展到實體重力式和磚石復合式重力式構造。橋臺的形式分“一”字形、凹字形、燕翅形。橋墩的形式，根據水流的情況，有上游端尖形下游端方形、上下游兩端均為尖形、上下游兩端均為圓形、上下游兩端均為方形等形式。橋墩斷面有上下等厚度型和梯形。橋體石板的方式也分并列砌置，分節砌置，分節并列，縱聯分節并列等形式。

3.2石拱橋的結構分析

石拱橋充分利用了石材的抗壓強度，從而達到了跨徑和承載能力的顯著提高。受力平衡、變形協調、應力與應變的關系是影響石拱橋安全穩定的重要因素，石拱橋的結構形式有三鉸拱和無鉸拱兩種，三鉸拱結構只有一種平衡狀態，但由于無鉸拱是超靜定結構，所以平衡狀態有很多種。石拱橋一般是無鉸拱結構，所以通常會由于結構支承條件改變、溫度變化、地基沉降等影響，發生平衡狀態的改變，并且結構相關的應力、應變以及變形也會發生相應的變化。最后石拱橋結構再通過自身的調節，從一種平衡狀態過渡到另外一種平衡狀態。常見超靜定石拱橋結構比較穩定，破環形式是彈塑性破壞.即當結構內部出 現三個塑性鉸以上時才會產生破壞。

4重慶古橋的保護

4.1古橋的結構性能評價標準

結構的性能主要為適應性、耐久性、安全性，古橋結構的檢驗指標是裂縫寬度驗算和承載力驗算。古橋裂縫產生的原因一般是施工過程中的材料問題、基礎不均勻沉降、溫度變化，裂縫在結構沒有達到正常使用極限狀態的條件下是可以存在的。并且裂縫分為彈性裂縫和塑形裂縫兩類，前者從出現到引起結構破壞的過程很短暫，在工程結構中的危害性較大，而塑性裂縫出 現時只是說明了結構達到屈服強度，即距離破壞還有一段時間，從而可以通過對此裂縫的觀察來衡量結構的安全性能。承載力的驗算是根據施加在結構上的荷載，荷載主要分為永久荷載和可變荷載，然后利用公式計算出結構受到的彎矩、剪力和拉壓力，最后與極限值進行比較判斷結構的安全狀態。

4.2從裂縫預防的角度談保護石拱橋

由上述古橋裂縫產生的原因，可以從基礎和溫度兩方面對裂縫進行防治從而起到保護古橋的作用。首先，對結構中的裂縫可以采用環氧樹脂漿液和甲凝灌漿修補;然后.基礎加固方法有：水泥灌漿加固法、擴大基礎加固法、鋼筋混凝土套箍加固法、增補樁基加固法，根據地基和基礎的具體情況選擇合適的加固方案。比如地基土質松軟，則地基承載力就不足，那么就要采用增補樁基加固法，即在每墩承臺周圍加設幾根直徑較大的鉆孔樁，嵌入巖層;通過現澆方框形承臺把樁與原有承臺聯結，形成整體。最后，對于溫度改變引起的裂縫，應該使用粘結性能和延伸性好的材料進行修復，因為裂縫隨時會伸縮改變，如果用延伸性不好的材料可能會引起二次開裂。

4.3云陽述先橋的結構分析與保護實例

4.3.1云陽述先橋的力學計算及分析

由于重慶地區的石拱橋種類和數量繁多，所以希望通過下面對云陽述先橋的分析，能對其它的石拱橋結構性能有一定的參考價值。以下對石拱橋的分析均不考慮彈性壓縮影響，首先云陽述先橋的結構為三次超靜定結構，如圖1所示。

將該結構轉變為簡支曲梁結構，在彈性中心處會產生X1、X2、X3三個作用力，如圖2所示。

根據力學公式，當這三個力分別為1時，在結構上產生的力為：

所以得到彈性中心距拱頂為：ys=a1f0，其中f0為橋梁矢高。

系數al可以通過《拱橋（上）》附表（Ⅲ）-3查得。

已知云陽述先橋全長75.26m，寬7.33m，單孔凈垮26.5m，孔高14m，拱圈厚度為0.84m。那么得到該橋的計算跨徑為l0=27.34m，計算矢高為f0=14.42m。因為是實腹式石拱橋，故將壓力線與拱軸線視為重合，只計算1m橋寬，如圖2所示。

將結構分成1 6分段，分段截面的標號為N=O，1，2，……16。將石材的容重設為26.7kN/m?，查表得專用行人橋梁的人群荷載標準值為3.5kN/㎡。假設第一段拱的自重為一作用在N=l處的集中荷載，第二段拱的自重看作作用在N=2處的集中力，后面以此類推。由于石拱橋對稱，所以以左半拱為參考對象，算出在N=O，1，……8處的荷載即可，拱橋數據如圖3所示。

根據對拱橋的實地測繪和計算，得到作用在各個分段截面的集中力如表1。計算模型如圖4所示。

將石拱橋的自重視為作用在整個拱橋上的均布荷載，q2=41kN/m，而人群均布荷載q1=3.5kN/m，所以均布荷載q=44.5kN/m從而計算出拱腳處的水平推力和彎矩。

根據公式（ln/2）²+（R-fn ）2=R²，解得：R=13，69 m，而l/2=13.67m，故將該石拱橋看作是一半網。

按圖5所示內容，所以φ0=π/2弧度，故坐標關系為：x=R sinφ ，y=R-Rcosφ 。

基本體系如圖所示，因為荷載對稱，故X3=0。

因為F0l0>15，故計算位移時只需考慮彎矩的影響。

由推導公式解得：EIδ11=2Rφ0=3.1416R，EIδ12=l.1416R2，EIδ22 =0.7124R3。

計算自由項△1P和△2P。

基本結構在均布荷載q作用下的彎矩方程為：MP=-q2X2=-q2R2sin2φ，從而可求得△1P和△2P。

解力法方程得：X1=386.5kN聯立方程組，解得X2=341.1kN。

故得到拱腳水平推力H =341.1kN，拱頂彎矩M=386.5kN根據上面得到的數據，計算得出在各分段截面處的壓應力和剪應力如表2所示。

其中σmax=71.79N/c㎡，位于拱腳處，遠遠小于石材的抗壓強度;而τmax=51.71 N/c㎡，這個數值同樣較小，沒有超過石材本身的抗剪強度，通常可以忽略不計。所以綜上得到結論：修建于清代同治年間的云陽述先橋設計結構合理，強度滿足規范的要求，故現在仍然可以用于人們的通行。

4.3.2云陽橋結構的加固保護方案

與同樣跨徑的弧形拱比較，由于云陽述先橋這種半網拱結構的高度較高，故拱頂的壓力較小，從而對石材強度的要求相對而言較低，并且通過計算，我們還得到了半圓拱拱頂處的彎矩較圓心角較小的弧形拱大很多的結論。因為石材的抗彎性能較差，所以云陽述先橋應該考慮埋置鋼筋的改造加固方案。由于云陽述先橋的幾何形狀是半網形，故拱頂較高，橋下的凈空和泄水面積都很大，可以采用套拱加固技術。即通過澆筑或者錨噴混凝土新拱圈.來增加一層新的拱圈在原來拱橋的拱腹下面。這樣做不但可以增大拱圈的厚度.而且可以埋置鋼筋在新的混凝土拱圈中，與原拱圈能夠很好地形成一個整體。并且前面得到的拱頂彎矩方向是逆時針，使得拱圈上部受壓，下部受拉，新的鋼筋剛好處于拱圈下部，這樣一來得到的新的整體上部通過石材承受壓力，下部通過鋼筋承受拉力作用，新的石拱橋結構就充分利用了兩種材料的力學性能。

5結語

本文通過對重慶古橋結構定性和定量的分析，既驗證了古橋的結構合理性，又列舉了一些古橋潛在的危險，并以此提出了相應的保護方案。重慶古橋是重慶地區重要的歷史文物之一，既是研究古代巴蜀地區文化的重要參考依據，也可對現代橋梁建造技術的發展具有一定的啟示作用，所以對其保護是刻不容緩的。