仿古石桥病害预测分析

聂静宇,常 明

(成都杜甫草堂博物馆，四川成都 610072)

拱桥是桥梁墩台之间以拱形的构件来做承重结构的，拱形构件在垂直荷载作用下，墩台上产生垂直反力的同时还会产生水平推力。拱形构件受弯又受压，且常以受压为主，因此利用天然石料制造拱桥，物尽其用，十分合理，但石拱桥又存在一些病害和缺陷。国内学者对石拱桥的病害进行了研究，如吴海军等[1]对山区农村公路石拱桥典型病害及加固措施做了研究，分析了几种加固方法对石拱桥上部结构病害的适用性；彭焱焱[2]针对古老石桥的病害，从墩台基础和上部结构两方面提出病害处理措施；罗婧文等[3]总结了大跨度石拱桥主要结构性及非结构性病害，并提出结构性病害整治措施。但是大多的研究都是针对病害做出处理，较少的采用分析结构受力特征进行病害预防及整治。因此，本文结合成都杜甫草堂“客至桥”，采用有限元软件分析其受力情况，并根据受力情况分析其可能发生的病害，提出相应预防及整治措施。

1 石拱桥常见病害

1.1 石拱桥上部结构常见病害

通过研究国内外众多石拱桥的病害，笔者发现石拱桥上部结构承受的病害主要包括：

(1)主拱圈变形，拱轴线下挠。

(2)拱圈砌石错位、脱落。

(3)拱石风化，砌缝砂浆脱落。

(4)拱圈开裂。

(5)侧墙开裂、外鼓或外移。

1.2 石拱桥下部结构常见病害

石拱桥下部结构承受的病害主要包括：

(1)基础不均匀沉降。

(2)基础冲刷严重或掏空。

(3)墩台开裂。

2 石拱桥病害产生的原因

2.1 石拱桥上部结构产生病害的原因

分析石拱桥上部结构承受的病害原因：主拱圈的变形主要由于拱圈砌筑质量不高，石拱桥在自身重量及其他活载下，地基承载力不足而产生水平位移及沉降，从而导致拱轴线的下降；拱圈砌石的错位主要由于施工不专业，填充砂浆不饱满，经长时间使用，拱圈砌石出现错位、松动甚至脱落；拱圈开裂包括主拱圈横向开裂与主拱圈纵向开裂。主拱圈横向开裂多发生在拱顶上部以及拱脚上部，严重时会开裂至拱壁，发生的原因主要包括石材强度不足，基础产生位移，拱圈受力不对称等，主拱圈纵向开裂主要由于施工、拱上侧土压力的作用及结构本身的非常规受力引起；侧墙开裂外鼓及外移发生的主要原因包括桥面承受的荷载过大，拱顶填料不足，拱上建筑填料不密实，侧墙的砌筑灰料强度太低，施工质量低等。

2.2 石拱桥下部结构产生病害的原因

分析石拱桥下部结构承受的病害原因：基础不均匀沉降主要是由于地基承载力不足造成的；墩台开裂包括顺桥向、横桥向的横向裂缝或者竖向裂缝，引起墩台开裂的主要原因为荷载过大、桥台填充不密实、存在设计及施工缺陷等。

3 “客至桥”案例分析

成都杜甫草堂博物馆坐落于浣花溪畔，是中国唐代大诗人杜甫流寓成都时的故居，唐末诗人韦庄寻得草堂遗址，重结茅屋，使之得以保存，宋元明清历代都有修葺扩建。“客至桥”位于杜甫草堂东门外，毗邻浣花溪公园。“客至桥”为方便行人从浣花溪公园东门围绕白鹭洲湿地区域观赏风景而建，“客至桥”实景如图1所示。

图1 “客至桥”实景

“客至桥”全长26 m，宽3.5 m，采用五孔厚墩联拱石桥的形式，中间拱券的直径为4.1 m，两侧拱券的直径分别为2.28 m和2.05 m，主材为MU40青石以及M10砌筑砂浆，采用传统石桥工艺修建而成。“客至桥”拱券采用的是无铰拱和多铰拱相结合的形式，即对起拱处第一块券石采用阶梯的形式与桥墩相连，起拱之后的券石仍采用传统无铰拱纵联砌置法的做法，同时在拱券石之间插入150×100×10的铸铁块，增强拱券之间的横向联系，做法如图2所示。由于“客至桥”修建在白鹭洲湿地区域的人工湖中，考虑到避免基础不均匀沉降，“客至桥”采用筏板基础作为桥墩基础，且基础进入密实卵石层不小于0.2 m。

图2 “客至桥”拱券石示意

3.1 有限元模型

根据“客至桥”的实际情况，利用有限元软件ANSYS建立石拱桥三维空间有限元模型，如图3所示，以顺桥向为X向，以横桥向为Y向，以竖向为Z向。石拱桥采用Solid92四面体实体单元，将砂浆与砌块作为一个整体来输入，不考虑砂浆和砌块之间的粘结滑移，其整体单元的综合材料参数通过相关砌体规范获得[4]。基础底面采用刚性约束。全桥共划分171 259个单元。荷载考虑为自重、人行荷载及二期恒载。

图3 “客至桥”有限元模型

3.2 结果分析

从图4第一主应力云图中可以看出最大拉应力容易出现在中拱墩底及中拱底面处，究其原因在于中拱墩底处由于中拱段的相互挤推，同时墩底固结，从而造成在靠近中拱侧的墩底处出现拉应力。中拱处由于竖向变形，使得中拱底面出现拉应力。从图5第三主应力云图中可以看出，最大压应力容易出现在中拱墩底处。从图6横桥向位移云图中可以看出，横桥向的位移在中拱墩底附近处相比其他地方最大，但是数值比较小，可忽略不计“客至桥”在考虑的荷载作用下的横向变形。从图7竖向位移云图中可以看出，竖向位移在中拱处最大，其余地方均较小。

图4 第一主应力云

图5 第三主应力云

图6 横桥向位移云

图7 竖向位移云

4 病害预测及治理措施

“客至桥”在今后的正常运营使用中，要避免因为荷载过大，出现中拱处相互挤推，从而造成墩底出现裂缝，同时避免墩底固结部位因为固结不牢固，使得墩整体滑移，产生其他病害。中拱处底面由于承受拉应力，有几率会出现微小裂缝，同时由于水浸入到裂缝中，造成砂浆砌石二次病害。砌石与砂浆本身也会因为风化作用，使得砂浆脱落，降低砌石与砂浆之间连接承载力。由于“客至桥”位处湿地，地基有可能会产生不均匀沉降，因此采用了筏板基础进入密实卵石层的技术用以尽量减少地基不均匀沉降，但是地基不均匀沉降仍然是必须考虑的一个因素，同样会造成石拱桥产生裂缝。鉴于此，在“客至桥”的使用过程中，应该做好裂缝观测，在出现裂缝的地方采用压浆加固的方式，填充裂缝，保证施工质量，同时避免由于不均匀沉降带来的二次病害。

5 结论

本文通过采用有限元模型分析病害的方法，对成都杜甫草堂“客至桥”易受损部分进行病害分析，但是在“客至桥”实际施工中，已经采用较多的防护措施，针对易受损部分增加其保护，此外在“客至桥”平时的运营和维护中也要对本文中所涉及到的应力较大处进行重点关注，以确保病害出现的时候能第一时间发现并进行补救。本文采用的分析方法也可为今后石拱桥病害分析做参考。