双江口古石桥结构性能研究及维修加固方案探讨

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(湖南理工学院 土木建筑工程学院，湖南 岳阳 414000)

1 工程概况

双江口古石桥位于湖南省汨罗市沙溪镇双江口村，是连接双江口村与平江县向家镇双龙村的主要通道。该桥为清代石桥，分水金刚桥墩，有利于 减轻洪水对桥身的冲击，整个桥梁设计巧妙，结构合理，清代石桥中，是当地石桥(平桥)的一种典型的建造手法。该桥桥墩迎水面设分水尖，整体石料加工细腻，结构精巧，具有较高的历史、艺术和科学价值。2011年1月24日，湖南省人民政府公布其为第九批省级文物保护单位。

双江口古石桥为木桩基，桥身平直，桥洞为长方形。为花岗石构造，桥长43 m，桥面宽1.2 m，桥通高4.38 m，桥墩宽5.125 m，桥墩间距净空为3.5 m，桥面每孔为3块长条花岗石平铺，搭接于桥墩中部，桥墩8个，其用材规整考究，做工精细，至今仍保存完好。现今仍是连接湄江西岸居民的主要交通要道，对于研究清代石桥建筑和交通地理，都具有很高的历史和科学价值。

双江口古石桥由于风雨侵袭，年久失修，村民在河道大量挖沙，导致河床降低，桥墩基础裸露。由于水流局部改道，导致西南河岸砂砾淤积、河沙淤塞2桥孔及雁翅挡土墙被掩埋。西北岸桥头村民房屋直接砌筑在雁翅台面上，桥头原本空旷的空间变得异常狭小，同时也危及桥的安全，严重破坏了桥的原始环境风貌。由此，加强对双江口古石桥的研究和保护已是一项亟需开展的工作。受相关单位委托，对双江口古石桥结构性能进行研究，同时提出加固改造方案，研究成果将指导双江口古石桥的修缮设计工程。

2 双江口古石桥残损现状

双江口古石桥由于年久失修，尤其因泥石流造成西南河岸砂砾淤积，第8、9个桥孔被河沙淤塞；雁翅与桥墩全部由花岗岩石块砌筑，石料表面因长年日晒雨林，砌筑灰缝酥碱脱落，局部砌石歪闪、位移。另外由于河道大量挖沙导致河床降低，桥墩基础及8号桥墩基础底石下木桩裸露出水面，因整个基础石裸露，长年受河水冲击，基础砌石灰缝脱落，局部缺失、歪闪、位移，对古桥的安全已经造成极大的威胁。古桥整体残损现状如图1所示。

图1 双江口古石桥整体残损现状

经过实地勘测，古桥的残损情况见表1。

表1 双江口古桥残损情况表部位残损现状原因分析现场照片桥面每孔用3块长条花岗石平铺错缝搭接于桥墩中部，面层为剁斧加工顺直、匀密。单块条石长400cm，宽40cm，厚40cm花岗石保存较好，局部灰缝酥碱脱落，局部缝隙生长杂草年久失修桥墩12层长方形花岗石块错缝砌筑，面层均为2～3遍剁斧，石料表面顺直、匀密。高3 20m花岗石局部破损，部分灰缝酥碱脱落，局部缝隙生长杂草，迎水面树枝垃圾堆积年久失修，鸟将植物种子和雨水带入桥墩灰缝滋生所致；湄江涨水时树枝、杂草、垃圾横流，加之河水干枯，导致堵塞分水尖、凤凰台桥墩迎水面做成三角形分水尖，顶面花岗石翘起比桥面高60mm。桥墩顺水面做成方形花岗石保存较好，灰缝酥碱脱落，局部缝隙生长杂草年久失修，鸟将植物种子和雨水带入桥墩灰缝滋生所致桥墩基础较规格的方整花岗石块錾凿加工错缝砌筑裸露1 24m，局部残损、缺失，砌筑砂浆被水冲刷掏空，部分缝隙生长杂草长年河道大量挖沙，导致河床降低雁翅直角梯形，145°转角。位于湄江两岸，长方形花岗石块错缝砌筑，顶面宽1m，背水面比迎水面短雁翅挡土墙局部裂缝、塌陷、歪闪、位移西南桥头河沙淤塞，导致桥头雁翅挡土石掩埋；东南桥头有村民将房屋直接砌筑在雁翅台面上木桩基8号桥墩基础石底部由60mm厚的木板和直径120mm，间隔240mm木桩支撑，木桩呈梅花状排列，深度不详，作为桩基木桩应打入持力层裸露水面190mm，木板局部糟朽，木桩保存较好长年河道大量挖沙，河床降低；水流冲刷，因木桩裸露，很快会造成木质糟朽而引发桥墩坍塌，危急桥体安全踏步东北桥头东雁翅旁长方形花岗石砌筑，面层2～3遍剁斧加工顺直、匀密踏步全部改成混凝土踏步；雁翅挡土墙基石下部木桩基裸露因年久失修，给附近村民使用带来影响，为便于当地村民河边用水，后人随意用水泥填补抹面；挡墙木桩基裸露为河床降低所致新筑拦河坝因河床降低，桥基裸露，后人临时用毛石砌筑堤坝抬高河床由于拦河坝砌筑不够牢固，东南岸堤坝已冲垮，造成河床下切严重长年河床大量挖沙，导致河床降低，修筑堤坝，抬高河床，确保桥墩基础桥孔九孔桥改变原状，2桥孔已被河沙淤塞河床降低，水流改变，长年雨水冲刷，导致河岸雁翅掩埋2个桥孔淤塞

双江口古石桥的设计和建造是依靠当时工匠的经验，并没有较为完善的理论体系为依托。为对该桥的维修保护方案提供理论依据，本文针对该桥建立整体模型，采用有限元分析方法分析其正常使用条件下的力、应力规律，为该桥的维修加固提供技术依据。

3 古桥修缮方法

根据现状勘测及残损状况，本次修缮内容基本分以下两类。

一类为局部修缮项目：这里的局部修缮类的各项目指双江口桥修缮工程的子目工程修缮以及局部处理措施。主要是桥面、桥墩、桥墩基础、雁翅挡土墙、踏步等的修缮子目。

二类为环境整治：周边环境整治。包括桥孔复原、堤坝、河床及挡土墙周边环境的治理。

局部修缮：针对双江口桥某个部位进行的局部修缮和局部处理等。

环境整治：是对某个区域内的环境进行整治，预防自然灾害和消除安全隐患。

修缮过程中所有工种的工艺与做法应以当地传统石作加工手法为依据，做法均取自桥梁本身原有手法。修补和更换的各种构件与原构件相同。

3.1 石作

该桥主要采用花岗岩，主要组成矿物为长石、石英、黑白云母等，石英含量是10%～50%。长石含量约总量之2/3，分为正长石、斜长石(碱石灰)及微斜长石(钾碱)。不同品种的矿物成份不尽相同，还可能有含辉石和角闪石。花岗岩质地坚硬，难被酸碱或风化作用侵蚀。此次修缮时，在选取花岗石材料时，应采用质地坚硬，色泽均匀的花岗石。

3.2 雁翅

恢复原形制的部位，进行加固、规整。建议拆除建造在雁翅台面上的房屋，恢复原有地貌。

3.3 桥墩基础

桥墩基础的花岗岩部分用同类加工手法、同规格花岗石修补。局部缺失的按原样补配，歪闪、位移的找平归安。首先清洗缝隙尘土污垢，灌浆前应先勾缝。如石料间缝隙较大，应在接缝处勾抹麻刀灰。如缝隙很细，应勾抹桐油灰。灌浆应在预留的“浆口”处进行。“浆口”是在石基础某个合适位置侧面预留。灌完浆以后，应将弄脏的石面洗净，再进行勾抹缝隙清理。

桥墩基础的木桩裸露部分采用C30混凝土包裹填充，混凝土灌注至持力层。

3.4 踏步

铲除踏步上的水泥，视其残损状况，用花岗石补配，要与原石质、样式及加工工艺相同。

3.5 环境整治

指对破坏和影响历史环境风貌及安全隐患等危险因素。如清理影响河流淤积的砂砾；修筑河岸两侧挡土墙；在桥梁下游修筑拦河坝抬升水位并进行固砂，即利用河岸淤积的河砂，抬升回填拦河坝内河床，恢复原河床高度，即至桥墩底层石部位(掩埋桥墩基础)，确保桥梁基础的稳定；清理桥孔淤塞的河砂，恢复桥梁原貌。

本文重点对桥墩基础的修缮方案进行分析，为该桥的修缮提供理论依据。

4 建模分析

4.1 基本假定

双江口古石桥的材料特殊，在建模计算分析时作如下假定[1-3]：

1) 桥梁中所用石材简化为各向同性的均质材料；

2) 石材属于脆性材料，以莫尔强度理论作为判断构件是否满足要求的依据。

4.2 桥墩的地基承载力计算

本计算利用ABAQUS建模计算，均用实体单元。模型的边界条件及网格划分见图2、图3。

图2 桥梁模型边界条件图

图3 桥梁模型单元划分图

双江口古石桥桥面每孔为3块长条花岗石平铺构成桥面梁，考虑到该桥在实际中的使用情况，可以得知古石桥竖向荷载对结构的影响最大。本文分析中考虑自重和人群荷载的荷载组合，来探讨该石桥的受力变形特征[4，5]。

由图4可知: 桥面石板在自重和人群荷载共同作用下，各跨最大应力均出现在各跨端部的位置，整个结构的最大应力满足结构强度要求。桥面石板最大应力出现位置与该桥桥面残损位置整体较一致。

图4 桥梁模型应力云图

古石桥的桥墩是由条石搁置而成，桥墩是连接桥面石与基础的重要构件，居于桥梁的中间位置。它的主要作用是承受上部结构传来的荷载，并通过基础将此荷载以及自身重量传递到基础上。由计算结果可知，桥墩抗压强度满足要求[6,7]。

由图5可知: 该桥在竖向荷载作用下，结构沿竖向各跨最大位移发生在跨中部位，最大挠度为0.957 9 mm，满足规范关于构件最大挠度不超过L/350的要求[8,9]。

图5 桥梁模型竖向位移云图

以上分析表明，在正常使用情况下，双江口古石桥结构是安全合理的，满足强度、刚度要求。

4.2.1 桥墩基础顶面荷载计算

根据现场勘察情况，8号桥墩底部木桩基础暴露，本文重点对8号桥墩分析验算。根据建模结果获得8号桥梁墩底的荷载，即基础顶面的竖向力及弯矩：

Fz=99 230.9 N；

Mx=21 108.3 N·m;

My=2 334.95 N·m。

将建模所得竖向力及力矩作用至基础顶面。基础截面形式为矩形截面，计算中取基础高1.5 m。

基础材料为C30混凝土，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》JTG D62-2012[10]，C30混凝土抗压强度设计值取13.8 MPa，根据计算，截面上没有拉应力，全截面受压。

小于13.8 MPa，基础强度满足要求。

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》[11]，基底处于双向偏心受压状态，承受竖向力及绕两个轴的弯矩作用，应满足：

(1)

式中：N为作用于基底的作用力；Mx，My为作用于基底的弯矩；Wx，Wy为基底截面的面积抵抗矩；[fa]为地基承载力容许值。[fa]取本实验获得的承载力特征值的1/2，即175 kPa。

根据计算结果，基础底面竖向力为668.87 kN，Mx=21.1 kN·m，My=2.3 kN·m。

代入计算得:

pmax=45.5 kPa,

小于175 kPa，地基承载力满足要求。

4.2.2 基础底面作用力偏心距验算

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63-2007，桥涵墩台基底的合力偏心距容许值满足：

[e0]≤0.1ρ

(2)

基底以上外力作用点对基底重心轴的偏心距：

(3)

(4)

(5)

式中:pmin为基底压应力；e0为竖向力作用点距截面重心的距离。

根据以上计算结果，将荷载带入计算得：

pmin=39 kPa；

e0=0.03<[e0]≤0.1ρ=0.039，满足要求。

4.2.3 抗倾覆稳定性

(6)

式中:k0为桥墩基础抗倾覆稳定性系数，本计算中的许可值取1.3;e0为所有外力的合力在验算截面的作用点对基底重心轴的偏心距；s为在截面重心至合力作用点的延长线上，自截面重心至验算倾覆轴的距离。

根据以上已知条件，计算得：

>1.3,满足要求。

以上分析表明，8桥墩基础的加固方案理论上可行。

5 结论

本文通过具体研究湖南省汨罗市沙溪镇双江口村古石桥的现状，以及采用数值模拟古石桥的结构特性，对其提出的修缮加固方案进行分析验算，得出以下结论：

1) 桥面石板最大应力均出现在各跨端部位置，是受力薄弱环节，正常使用情况下，整个结构的最大应力满足结构强度要求，结构合理安全，强度满足要求。

2) 该桥在竖向荷载作用下，各跨最大位移发生在跨中部位，表明跨中是古桥变形控制的薄弱位置。正常使用情况下，结构变形满足使用要求，结构刚度满足要求。

3) 针对提出的修缮方案进行了基础承载力及地基承载力的分析验算，均满足要求，修缮加固方案合理可行。

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