重慶古橋的結(jié)構(gòu)特征及保護(hù)研究

康浩 溫泉

摘要：指出了重慶古橋歷史悠久、技術(shù)精湛、構(gòu)造獨(dú)特，凝聚了工匠們的勞動(dòng)創(chuàng)造精神，但由于時(shí)代的局限性，重慶古橋多是憑經(jīng)驗(yàn)建造的，在結(jié)構(gòu)方面沒(méi)有系統(tǒng)、成熟的理論體系進(jìn)行支撐。基于此，對(duì)重慶古橋主要的存在類型石梁橋和石拱橋進(jìn)行了介紹和概括，并且對(duì)某一石拱橋結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guān)保護(hù)建議。

關(guān)鍵詞：重慶古橋;分析;承載能力;保護(hù)

中圖分類號(hào)：U448

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）6-0214-04

1引言

1.1重慶古橋的歷史沿革

巴蜀地區(qū)周邊高山環(huán)繞，峽古山川縱橫，自然環(huán)境阻礙了本地古代交通的發(fā)展，也使其具備了鮮明的地方性特征。在這樣的地理?xiàng)l件下，重慶地區(qū)主要利用發(fā)達(dá)的水系，通過(guò)水陸道路網(wǎng)的建設(shè)從東部溝通了湖廣、黔滇地區(qū)。并且重慶古橋不僅是重慶地區(qū)與周邊地區(qū)保持交流的重要紐帶，沿古道形成的交易市場(chǎng)和商旅集散地、食宿點(diǎn)，也逐漸成為各地移民商賈聚居的集鎮(zhèn)，促進(jìn)重慶地區(qū)古代城鎮(zhèn)的發(fā)展。重慶地區(qū)多山多江河，自古以來(lái)先民就開(kāi)始搭建簡(jiǎn)易的木便橋和跳墩橋。在數(shù)千年的發(fā)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(shù)量龐大、類型眾多、構(gòu)造新穎的橋梁。據(jù)《中國(guó)文物地圖集，重慶分冊(cè)》及《重慶古橋地圖》統(tǒng)計(jì)，重慶現(xiàn)存各類古橋800座以上。時(shí)間跨度從北宋延續(xù)至民國(guó)，其中絕大部分為清代古橋。它們以獨(dú)特的技巧，濃郁的地方特色，較高的藝術(shù)價(jià)值和重要的歷史價(jià)值著稱。

1.2重慶古橋的主要結(jié)構(gòu)類型

目前，重慶留存下來(lái)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(jiàn)。梁橋和拱橋的主要區(qū)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(tái)、基礎(chǔ)、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(xiàn)在的觀點(diǎn)來(lái)看，鋼結(jié)構(gòu)、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(dāng)時(shí)條件的制約，很難實(shí)現(xiàn)。雖然石材的抗剪能力很強(qiáng)，但受拉性能卻很不好，導(dǎo)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(jù)考占和文獻(xiàn)考證，重慶的石拱橋至遲出 現(xiàn)在東漢時(shí)期，距今有近2000年的歷史。拱橋是由橋臺(tái)、基礎(chǔ)、拱圈、拱上建筑構(gòu)成的，在豎向荷載的作用下，在拱橋的拱腳處產(chǎn)生了水平推力，而這個(gè)水平力在拱圈內(nèi)產(chǎn)生的彎矩與由豎向力產(chǎn)生的彎矩抵消，所以拱橋主要受到壓力作用。重慶地區(qū)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(diǎn)，為我們留下了大量結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、造型優(yōu)美的石橋。

1.3重慶古橋的技術(shù)價(jià)值

重慶古橋是當(dāng)?shù)啬芄で山硞兘?jīng)過(guò)多次的實(shí)踐，并與自己多年的建造經(jīng)驗(yàn)結(jié)合從而創(chuàng)造出來(lái)的作品。這其中不僅凝聚了古代先賢們的心血，也表現(xiàn)了我國(guó)古代建造技術(shù)的高超，而且也能夠說(shuō)明當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)和科學(xué)水平。此外，重慶古橋體現(xiàn)了我國(guó)古代在結(jié)構(gòu)上有著很高的力學(xué)成就。不同的材料有著不同的力學(xué)性質(zhì)，并被用于建造不同結(jié)構(gòu)形式的橋，很好地體現(xiàn)了所謂“物盡其用”的原則。并且當(dāng)時(shí)的人們就已經(jīng)能對(duì)拱橋的受力特性有一個(gè)完整清晰的認(rèn)識(shí)，這是很難能可貴的。1300多年前的趙州橋體現(xiàn)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(lái)19世紀(jì)中葉由一位法國(guó)科學(xué)家提出的。重慶地區(qū)現(xiàn)存清代的石拱橋較多，比較著名的有涪陵龍門(mén)橋、萬(wàn)州陸安橋、云陽(yáng)縣南溪鎮(zhèn)鹽述先橋（始建于清同治九年，后民國(guó)十五年重建）等，這些古橋?qū)w州橋起到了很好的繼承和發(fā)展的作用，具有重要的技術(shù)價(jià)值。但是古橋在結(jié)構(gòu)上的重大成就主要是通過(guò)T匠們的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)取得的，未能總結(jié)出一套完整的理論體系，使得進(jìn)入近代以來(lái)，我國(guó)的橋梁結(jié)構(gòu)研究落后于西方國(guó)家，但古橋卓越的建造技術(shù)，卻值得我們?nèi)W(xué)習(xí)和研究。

2重慶石梁橋

2.1石梁橋簡(jiǎn)介

重慶地區(qū)石梁橋的類型主要為簡(jiǎn)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(tái)，其上架厚石板為梁。現(xiàn)存代表性石梁橋有榮呂路孔古鎮(zhèn)大榮橋、江津四面山古橋、梁平福祿罐鎮(zhèn)古橋，重慶曾家吳家大橋和南岸雙河老橋等。重慶航運(yùn)的纖道橋：較大河道中通航的船只較大，逆水航行的時(shí)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hù)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(fēng)化作用，故材料的強(qiáng)度會(huì)不可避免地降低，影響橋梁的承載能力和安全性能，所以對(duì)這些古橋進(jìn)行保護(hù)是十分必要的。首先應(yīng)該在不損毀古橋文物的前提下進(jìn)行材料強(qiáng)度的檢測(cè)，最好檢測(cè)支座和跨中處，因?yàn)樵谶@種結(jié)構(gòu)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(guò)結(jié)構(gòu)完損性和安全性的鑒定，來(lái)判斷該古橋是要進(jìn)行小修、大修還是加固改造。小修和大修應(yīng)該是在結(jié)構(gòu)的安全性沒(méi)有問(wèn)題的前提下，對(duì)該古橋出 現(xiàn)塑形裂縫的部位進(jìn)行處理修復(fù)。而加固改造則是對(duì)整個(gè)橋梁進(jìn)行翻新，可能會(huì)改變結(jié)構(gòu)的材料，比如在梁橋上部結(jié)構(gòu)中某些薄弱部位澆筑鋼筋混凝土。但對(duì)于承載能力太低遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們通行和車輛行駛的古橋，可以用體外預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)，即在梁底或梁側(cè)下部增設(shè)預(yù)應(yīng)力加勁鋼絲索或預(yù)應(yīng)力粗鋼筋補(bǔ)強(qiáng)，與原來(lái)的結(jié)構(gòu)組成一次超靜定結(jié)構(gòu)，從而抵消了部分恒載應(yīng)力，起到了卸載作用。最后是下部結(jié)構(gòu)中橋臺(tái)、橋墩常年浸沒(méi)在水中，易受到水中一些化學(xué)離子的侵蝕作用，從而影響材料本身的強(qiáng)度，所以應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，甚至有必要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究到底材料的成分發(fā)生了什么改變，從而選取適合的加固保護(hù)方法。

3重慶石拱橋

3.1石拱橋簡(jiǎn)介

它是重慶古代橋梁的主要類型。根據(jù)考占和文獻(xiàn)考證，重慶的石拱橋至遲出現(xiàn)在東漢時(shí)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(yáng)橋、云陽(yáng)張飛廟橋、涪陵碑記橋和豐都奈何橋等。現(xiàn)存清代石拱橋較多，代表性的有涪陵龍門(mén)橋、萬(wàn)州陸安橋、普濟(jì)橋、江津利濟(jì)橋、合川巖溪橋、銅梁金甌撟、云陽(yáng)縣南溪鎮(zhèn)鹽述先橋（始建于清同治九年，后民國(guó)十五年重建）、南川龍濟(jì)橋、重慶茅溪偃月橋、巫山無(wú)暴橋、南川正陽(yáng)橋、南川萬(wàn)安橋、萬(wàn)州萬(wàn)安橋、萬(wàn)善橋和五間橋等。根據(jù)拱券形態(tài)不同，石拱橋大致可分為網(wǎng)弧拱、半圓拱、尖拱、橢圓拱等。石拱橋在建橋的實(shí)踐中逐步改進(jìn)，根據(jù)不同地域的河流和交通狀況，發(fā)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(jù)所在地區(qū)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(wǎng)弧形等。橋臺(tái)從單一石墻式構(gòu)造發(fā)展到實(shí)體重力式和磚石復(fù)合式重力式構(gòu)造。橋臺(tái)的形式分“一”字形、凹字形、燕翅形。橋墩的形式，根據(jù)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(jié)砌置，分節(jié)并列，縱聯(lián)分節(jié)并列等形式。

3.2石拱橋的結(jié)構(gòu)分析

石拱橋充分利用了石材的抗壓強(qiáng)度，從而達(dá)到了跨徑和承載能力的顯著提高。受力平衡、變形協(xié)調(diào)、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系是影響石拱橋安全穩(wěn)定的重要因素，石拱橋的結(jié)構(gòu)形式有三鉸拱和無(wú)鉸拱兩種，三鉸拱結(jié)構(gòu)只有一種平衡狀態(tài)，但由于無(wú)鉸拱是超靜定結(jié)構(gòu)，所以平衡狀態(tài)有很多種。石拱橋一般是無(wú)鉸拱結(jié)構(gòu)，所以通常會(huì)由于結(jié)構(gòu)支承條件改變、溫度變化、地基沉降等影響，發(fā)生平衡狀態(tài)的改變，并且結(jié)構(gòu)相關(guān)的應(yīng)力、應(yīng)變以及變形也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。最后石拱橋結(jié)構(gòu)再通過(guò)自身的調(diào)節(jié)，從一種平衡狀態(tài)過(guò)渡到另外一種平衡狀態(tài)。常見(jiàn)超靜定石拱橋結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，破環(huán)形式是彈塑性破壞.即當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部出 現(xiàn)三個(gè)塑性鉸以上時(shí)才會(huì)產(chǎn)生破壞。

4重慶古橋的保護(hù)

4.1古橋的結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)的性能主要為適應(yīng)性、耐久性、安全性，古橋結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)指標(biāo)是裂縫寬度驗(yàn)算和承載力驗(yàn)算。古橋裂縫產(chǎn)生的原因一般是施工過(guò)程中的材料問(wèn)題、基礎(chǔ)不均勻沉降、溫度變化，裂縫在結(jié)構(gòu)沒(méi)有達(dá)到正常使用極限狀態(tài)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(xiàn)到引起結(jié)構(gòu)破壞的過(guò)程很短暫，在工程結(jié)構(gòu)中的危害性較大，而塑性裂縫出 現(xiàn)時(shí)只是說(shuō)明了結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服強(qiáng)度，即距離破壞還有一段時(shí)間，從而可以通過(guò)對(duì)此裂縫的觀察來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的安全性能。承載力的驗(yàn)算是根據(jù)施加在結(jié)構(gòu)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(jì)算出結(jié)構(gòu)受到的彎矩、剪力和拉壓力，最后與極限值進(jìn)行比較判斷結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

4.2從裂縫預(yù)防的角度談保護(hù)石拱橋

由上述古橋裂縫產(chǎn)生的原因，可以從基礎(chǔ)和溫度兩方面對(duì)裂縫進(jìn)行防治從而起到保護(hù)古橋的作用。首先，對(duì)結(jié)構(gòu)中的裂縫可以采用環(huán)氧樹(shù)脂漿液和甲凝灌漿修補(bǔ);然后.基礎(chǔ)加固方法有：水泥灌漿加固法、擴(kuò)大基礎(chǔ)加固法、鋼筋混凝土套箍加固法、增補(bǔ)樁基加固法，根據(jù)地基和基礎(chǔ)的具體情況選擇合適的加固方案。比如地基土質(zhì)松軟，則地基承載力就不足，那么就要采用增補(bǔ)樁基加固法，即在每墩承臺(tái)周圍加設(shè)幾根直徑較大的鉆孔樁，嵌入巖層;通過(guò)現(xiàn)澆方框形承臺(tái)把樁與原有承臺(tái)聯(lián)結(jié)，形成整體。最后，對(duì)于溫度改變引起的裂縫，應(yīng)該使用粘結(jié)性能和延伸性好的材料進(jìn)行修復(fù)，因?yàn)榱芽p隨時(shí)會(huì)伸縮改變，如果用延伸性不好的材料可能會(huì)引起二次開(kāi)裂。

4.3云陽(yáng)述先橋的結(jié)構(gòu)分析與保護(hù)實(shí)例

4.3.1云陽(yáng)述先橋的力學(xué)計(jì)算及分析

由于重慶地區(qū)的石拱橋種類和數(shù)量繁多，所以希望通過(guò)下面對(duì)云陽(yáng)述先橋的分析，能對(duì)其它的石拱橋結(jié)構(gòu)性能有一定的參考價(jià)值。以下對(duì)石拱橋的分析均不考慮彈性壓縮影響，首先云陽(yáng)述先橋的結(jié)構(gòu)為三次超靜定結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

將該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)支曲梁結(jié)構(gòu)，在彈性中心處會(huì)產(chǎn)生X1、X2、X3三個(gè)作用力，如圖2所示。

根據(jù)力學(xué)公式，當(dāng)這三個(gè)力分別為1時(shí)，在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)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(shù)al可以通過(guò)《拱橋（上）》附表（Ⅲ）-3查得。

已知云陽(yáng)述先橋全長(zhǎng)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(jì)算跨徑為l0=27.34m，計(jì)算矢高為f0=14.42m。因?yàn)槭菍?shí)腹式石拱橋，故將壓力線與拱軸線視為重合，只計(jì)算1m橋?qū)挘鐖D2所示。

將結(jié)構(gòu)分成1 6分段，分段截面的標(biāo)號(hào)為N=O，1，2，……16。將石材的容重設(shè)為26.7kN/m?，查表得專用行人橋梁的人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3.5kN/㎡。假設(shè)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?qū)ΨQ，所以以左半拱為參考對(duì)象，算出在N=O，1，……8處的荷載即可，拱橋數(shù)據(jù)如圖3所示。

根據(jù)對(duì)拱橋的實(shí)地測(cè)繪和計(jì)算，得到作用在各個(gè)分段截面的集中力如表1。計(jì)算模型如圖4所示。

將石拱橋的自重視為作用在整個(gè)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(jì)算出拱腳處的水平推力和彎矩。

根據(jù)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(wǎng)。

按圖5所示內(nèi)容，所以φ0=π/2弧度，故坐標(biāo)關(guān)系為：x=R sinφ ，y=R-Rcosφ 。

基本體系如圖所示，因?yàn)楹奢d對(duì)稱，故X3=0。

因?yàn)镕0l0>15，故計(jì)算位移時(shí)只需考慮彎矩的影響。

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

計(jì)算自由項(xiàng)△1P和△2P。

基本結(jié)構(gòu)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(lián)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(jù)上面得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算得出在各分段截面處的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力如表2所示。

其中σmax=71.79N/c㎡，位于拱腳處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石材的抗壓強(qiáng)度;而τmax=51.71 N/c㎡，這個(gè)數(shù)值同樣較小，沒(méi)有超過(guò)石材本身的抗剪強(qiáng)度，通常可以忽略不計(jì)。所以綜上得到結(jié)論：修建于清代同治年間的云陽(yáng)述先橋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度滿足規(guī)范的要求，故現(xiàn)在仍然可以用于人們的通行。

4.3.2云陽(yáng)橋結(jié)構(gòu)的加固保護(hù)方案

與同樣跨徑的弧形拱比較，由于云陽(yáng)述先橋這種半網(wǎng)拱結(jié)構(gòu)的高度較高，故拱頂?shù)膲毫^小，從而對(duì)石材強(qiáng)度的要求相對(duì)而言較低，并且通過(guò)計(jì)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(jié)論。因?yàn)槭牡目箯澬阅茌^差，所以云陽(yáng)述先橋應(yīng)該考慮埋置鋼筋的改造加固方案。由于云陽(yáng)述先橋的幾何形狀是半網(wǎng)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(shù)。即通過(guò)澆筑或者錨噴混凝土新拱圈.來(lái)增加一層新的拱圈在原來(lái)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(gè)整體。并且前面得到的拱頂彎矩方向是逆時(shí)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(lái)得到的新的整體上部通過(guò)石材承受壓力，下部通過(guò)鋼筋承受拉力作用，新的石拱橋結(jié)構(gòu)就充分利用了兩種材料的力學(xué)性能。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)重慶古橋結(jié)構(gòu)定性和定量的分析，既驗(yàn)證了古橋的結(jié)構(gòu)合理性，又列舉了一些古橋潛在的危險(xiǎn)，并以此提出了相應(yīng)的保護(hù)方案。重慶古橋是重慶地區(qū)重要的歷史文物之一，既是研究古代巴蜀地區(qū)文化的重要參考依據(jù)，也可對(duì)現(xiàn)代橋梁建造技術(shù)的發(fā)展具有一定的啟示作用，所以對(duì)其保護(hù)是刻不容緩的。