明代石拱桥永昌桥的加固修缮技术研究

张时琦，淳 庆

(东南大学建筑学院，江苏南京 210096)

0 引 言

中国石拱桥作为中国传统文化中的瑰宝，其建造历史可以追溯到1400年以前，它不仅是反映历史交通信息的物质承载，更是古代劳动人民的智慧展现。永昌桥地处秦淮源头的溧水区宝塔路，始建于明万历年间，为东西走向的纵联分节三孔石拱桥。永昌桥桥长约29．6 m，宽约5．68 m，中孔矢高(矢高按从分水尖至孔顶端下口高度计算)约4.4 m，中孔宽约8.2 m，次孔矢高约3．1 m，次孔宽约5．8 m，拱券和侧墙的砌块平均厚度为0．17 m。永昌桥的石材大都是南京本地的石灰岩青石，服役时间已逾400年，存在明显的风化现象，结构性能上出现了大幅度下降。由于永昌桥后期被人为加厚了桥面以供车辆通行，增加恒荷载的同时，也承受了汽车动荷载，出现侧墙鼓胀、拱券石块脱落和部分石材开裂等严重影响整体结构安全的不利病害(图1)，亟需对其加固修缮，使之能作为人行景观桥继续发挥交通作用。

目前，仅有少数学者对古代石拱桥的科学保护技术展开了研究。孔涛涛等[1]基于实际项目介绍了利用外套拱法加固石拱桥的技术与施工要点。唐家俊[2]分析了石拱桥病害及其成因，研究了针对石质古桥的加固保护措施，并利用ANSYS建立了某一在役单跨石拱桥的有限元模型，得到了其静力与动力特性。杨庆印[3]通过对一在役石拱桥采用载重车辆行驶的加载方式进行了静载试验，评价了基于Sap2000仿真分析的结果，以实验支持了石拱桥的保护技术研究。刘永涛[4]利用数值分析方法定量地研究了加固保护措施对三峡库区石拱桥的安全性能提升。石泉彬等[5]以泰山桥为例，根据数值分析结果提出了针对古石拱桥的保护措施。项贻强等[6]指出了在古石拱桥保护中存在的问题及保护措施。淳庆等[7]通过残损分析及数值模拟，找出明代石拱桥襟湖桥现存的与潜在的病害，提出了适宜性的保护技术。

综上，学界和工程界尚未从建筑形制、构造工艺和结构性能相结合的交叉视角研究明代石拱桥的科学保护技术。本工作将以典型明代石拱桥——永昌桥为例，通过现场检测、形制构造、残损成因和数值模拟等方面的分析，研究适用于明代石拱桥永昌桥的加固保护方法。

1 形制分析

永昌桥建成至今，虽桥面经过人为改造，但基本形制依然保存完整。参考《中国古建筑瓦石营法》[8]中关于明官式石拱桥的内容，对永昌桥的基本形制进行研究。

1．1 永昌桥桥洞、金刚墙的形制

永昌桥为三孔桥，桥长29．6 m，中孔孔宽8．2 m，次孔孔宽5．8 m，分水金刚墙宽1．6 m。永昌桥中孔∶河宽=1∶3．6，根据文献[8]，虽不完全符合“中孔∶河宽≈1∶5．4”的规律，而且次孔比中孔小2．4 m，也不完全符合“次孔比中孔减二尺”的规律，但基本符合表中说明“按河口实际宽度及使用功能核定”的原则。分水金刚墙宽度虽然达不到中孔宽一半，但也符合分水金刚墙宽度略小于中孔宽一半的要求。

1．2 永昌桥桥长、桥宽及桥高的形制

永昌桥桥长29．6 m，宽5．68 m，按照文献[8]中的《石券桥桥长、桥宽及桥高表》，基本符合“长四丈得宽一丈，自四丈以上，每长一丈递加二尺”的原则。

永昌桥举架高约为1．3 m，为桥身直长的4.4%，基本接近“三孔桥以下或桥长十丈以内：6%桥身直长”的原则。

1．3 综合评价

永昌桥各部分尺寸和形制基本符合明官式石拱桥的内容。

2 残损分析

结合现场调研，将影响永昌桥使用安全和结构安全的残损分为四类：石材风化、砂浆流失、植物侵蚀、人为影响。

2．1 石材风化

根据现场调研，永昌桥主体结构采用的石材为当地的石灰岩青岩，属于沉积岩的一种，其风化原因主要是物理因素造成的剥蚀和化学因素及生物因素造成的溶蚀。此外，永昌桥所处地区的气候环境导致石材表面易于生长石生藻类，加速了溶蚀作用对石材的影响[9]。风化作用导致了石材的力学性能劣化，甚至会引起石材的原有结构改变，丧失承载能力，严重削弱拱桥的结构性能。永昌桥侧墙风化情况较其他区域更为严重。

2．2 砂浆流失

砂浆作为石材之间的粘结物，可以将石材粘结为一个整体，提高石材的整体受力性能，同时作为石材之间的传力中介，均匀传递压力，使石材受力均匀。由于风化和雨水的侵蚀，砂浆大量流失，石材之间灰缝被掏空，引起了部分石材如拱券石的脱落，影响了拱券的整体受力性能，可能造成拱券的坍塌。这些被掏空的灰缝会带来更多的雨水侵蚀以及植物侵蚀，将加速拱券结构性能的退化。永昌桥拱券石之间的灰缝大面积出现空洞现象，西次孔石块由于砂浆流失已经脱落。

2．3 植物侵蚀

现场观察到永昌桥桥体上已长出了小树和一些草本植物。植物侵蚀会对石拱桥主体结构产生破坏，减少古桥的使用寿命：1)植物树根在灰缝中或者石材裂缝中逐渐生长，挤入拱桥内部，挤压石材，导致灰缝和石材裂缝的宽度不断发展，引起石材局部破碎甚至整体开裂；2)植物的生长会使水分在石材表面的储存时间延长，利于微生物的生成，微生物也会不停地分泌酸类物质，急剧加速石材的生物化学风化作用。永昌桥两侧金刚墙上都零星分布着小植物，靠近东岸的南侧金刚墙上长出根部直径约为5 cm的小树。

2．4 人为影响

永昌桥历史久远，伴随着交通工具的发展，后人人为地改变桥梁使用功能，譬如在解放后，永昌桥被加厚了桥面并且有重型车辆通过，增加的荷载加重了侧墙的鼓胀变形；附近居民的生产和生活也对桥梁造成了一定程度的破坏，例如永昌桥西侧次孔被人为堆积了很多填土垃圾，增加了基础的附加荷载，影响了基础的安全。

3 结构性能分析

石拱桥为特种结构类型，具有复杂的几何形状。考虑到我国尚未制定可供参考的规范验算该类型石拱桥结构的强度与刚度，且一般的计算软件亦无法对该类结构进行计算分析，因此非常有必要选用能够模拟实际工况下真实结构响应信息的有限元分析方法完整获取石拱桥在复杂外力作用下结构内部的应力分布与挠度变形等受力性能，以准确评估石拱桥的结构安全状态。

3．1 有限元模型

明代石拱桥永昌桥除存在显见的残损病害外，还可能存在一些结构安全隐患，为弄清楚这些具体的隐患，采用有限元软件ANSYS对其进行结构性能分析。首先对永昌桥采用三维激光扫描仪进行精确测绘，并且在现场进行材料强度的检测，然后根据测绘得到的几何尺寸和检测得到的材性参数，采用有限元软件ANSYS(14．0)建立永昌桥的有限元模型。考虑到永昌桥主体结构已有残损，整体性较差，在有限元分析时，假定对该桥进行了残损修补，将各类材料都简化为连续均质的各向同性材料。

3．1．1建立模型 建立有限元模型时，除裂缝分析时拱的主体结构采用Solid65实体单元以外，其他情况下拱的主体结构皆采用Solid45实体单元，基础约束采用固接形式。考虑到填土已经固结，砌体与填土的相互作用关系简化为紧密连接。在重要度分析中，由于永昌桥是完全对称的，同时选用整体结构和其整体结构的1/4进行建模分析。

3．1．2网格划分 由于拱桥的立面形状较为复杂，为了使网格划分更为规则、均匀，在控制了每个单元的尺寸的基础上，采用自由及扫掠网格划分模式，见图2和图3。

3．1．3材料性质 在石材强度、灰浆强度的实测数据上，参考《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)按偏保守的原则进行参数取值，见表1。

表1 主要材料的参数取值

由于主要将作为承重结构的砌体部分作为研究对象，同时考虑到填土已充分固结，因此填土按线弹性材料进行简化处理。

3．1．4施加荷载 考虑到现状的柏油桥面会在修缮时移除，故恒载的施加分为两种情况：1)现状工况：自重+1 350 kg/m2的柏油桥面重+500 kg/m2的石板重；2)修缮工况：自重+500 kg/m2的石板重。恒载的分项系数为1．2。修缮后永昌桥仅承受行人荷载，因此活载取值为350 kg/m2，分项系数为1.4。在荷载的影响分析中，考虑4种工况：工况一：恒载；工况二：恒载+全桥均布活荷载；工况三：恒载+半桥均布活荷载(一半宽度)；工况四：恒载+半桥均布活荷载(一半长度)。在裂缝分析中，由于材料参数取值较为保守，现状的荷载作用已经超过石拱桥的极限承载能力，会引起计算不收敛，因此施加的荷载仅为修缮后的最不利工况，即恒载+全桥均布活荷载。

3．2 结构性能

3．2．1荷载的影响分析 划分网格后，整体有限元模型的单元总数为16 880个，由桥体内填土和砌体部分叠加而成。考虑到方便对比，简化为线弹性分析，分析结果见表2。

表2 荷载影响分析

在现状和修缮后情况的4种工况荷载的作用下，主拉应力最大值都出现在靠近主拱的外侧顶端附近，超过砌体的抗拉强度，主压应力最大值都出现在主拱拱脚附近。从4种工况的对比可见：活载的影响不大，在全部荷载的影响中约为15%；活载布置方式的影响也不大，不同布置方式对主拉应力和主压应力最大值的影响约为15%。

3．2．2重要度分析 为弄清楚该石拱桥哪些部位最重要，为进一步的重点保护提供依据。参考文献[7]，基于杀死单元法得到各单位的体积重要性系数评价结构单元的重要度，进而知道哪个部位对石拱桥的结构安全影响最大：

(1)

式中：I为单位体积重要性系数；U0为原结构的应变能;Uf为某单元发生残损之后的结构应变能;V为发生残损单元的体积。利用ANSYS自带的APDL语言编程计算得到I，其结果见图4和图5。

结果显示，结构单元呈离中部越近越重要、离底部越近越重要的趋势，而大拱的拱脚部位是整个结构中最重要的部分，因此对缺陷也最为敏感。施工前期应优先检查大拱拱脚部位砌体残损情况，并做相应的保护措施。

3．2．3裂缝分析 为了解结构开裂之后由于应力重分布导致的结构不利部位转移，对永昌桥进行了非线性分析，考虑砌体部分的开裂和压溃，分析结果见图6和图7。

结果显示，永昌桥在考虑恒载+全桥均布活荷载作用下砌体无压溃的迹象，但裂缝较多。从图6可见，由于砌体的抗拉强度很低，在局部位置(大跨拱脚)损伤程度相对较严重，且桥沿着横向的联系较弱，产生很多顺桥纵向的裂缝。从图7可见，砌体部分侧壁的裂缝有两种类型：1)类似于连续梁负弯矩区的裂缝；2)由于侧壁抵抗竖直方向变形的刚度相对于拱体而言要大，因此拱体变形时会把侧壁拉裂。

4 石拱桥保护技术分析

4．1 拱券结构保护方案的比较

基于永昌桥的结构性能分析，考虑了拱背套钢筋混凝土拱法和拱背粘贴碳纤维布法两种方法对其拱券进行加固，并在ASNYS中模拟了两种加固方法对于拱背力学性能的改善情况。恒载和活载的选取考虑了修缮后的最不利使用状况，满布恒载和人行活载，即去除后加的柏油桥面，恢复人行桥。在拱背套钢筋混凝土拱法的有限元分析中，选择Solid45单元模拟钢筋混凝土，弹性模量取3．0×104N/mm2；在拱背粘贴碳纤维布法的有限元分析中，选择Shell41单元模拟碳纤维布，弹性模量取2.49×105N/mm2；混凝土和碳纤维布与石材表面的连接方式简化为节点耦合。为了方便比较，选取最大主拉应力作为对比对象，分析结果见表3。

表3 不同加固方法下最大主拉应力对比

结果显示：在5 cm钢筋混凝土拱背的保护下，大、小拱的主拉应力分别减小了94%、86%；在拱背黏贴0．8 mm厚的碳纤维布时，可以使大、小拱的拱背的最大主拉应力分别减小20%、24%。虽然拱背套钢筋混凝土拱法在力学性能上对拱背的改善最大，能最大限度地保护拱背，但根据《中国文物古迹保护准则》中“最低限度干预”和“不改变原状”的保护原则要求，对永昌桥的拱券加固方案优先选用拱背粘贴碳纤维法加固。拱背粘贴碳纤维布加固古代砖石拱券结构在国外已有先例[11-13]，其原理是基于层压方式，将拱背一侧的砌体与浸透了树脂黏胶的碳纤维布结合成一体，限制拱背的变形，从而减小砌体所承受的应力。

结合碳纤维布自身特点和工程实际需求，最终的修缮施工方案为拱背纵向间距300 mm粘贴5层碳纤维布(0．167 mm厚，200 mm宽)、横向间距400 mm粘贴2层碳纤维布(0．167 mm厚，200 mm宽)加固。

4．2 石拱桥加固修缮施工工法

根据场地情况、残损现状、加固修缮方案的分析，永昌桥加固修缮的施工顺序主要分为十个工序。

4．2．1导流明渠 永昌桥位于秦淮河源头，因此工程土方主要为导流明渠。施工期间经历丰水期，围堰需考虑迎水防冲，围堰采用机械回填黏土，人工麻袋装土护坡。

4．2．2脚手架搭设 为确保安全和施工的便利，需在桥四周、河道上搭设脚手架。为了提高脚手架根部的稳定性，需先将拟搭设脚手架部位底部的杂物如石块等清理干净，再采用人工投掷块石的方式挤淤，平整后在其上部铺摆石块3～4层。搭设时，应注意按要求校正步距、纵距、横距和立杆垂直度，每搭设一层立杆需检查合格后再搭设横杆和纵杆，同时同步搭设剪刀撑或斜撑；脚手架外侧的防护栏杆高度不应小于1 m，拦脚杆板不应小于40 cm，脚手板应铺满、铺稳。

4．2．3桥台修缮 查勘原桥台石料，如有损坏应对损坏部位采用原材料、原尺寸予以更换石块松动处后，灌水硬性石灰。

4．2．4压浆治理 拱券和侧墙存在砌体开裂、砌缝脱落、空洞以及植物侵蚀等病害，为提高拱桥的整体受力性能，高压压注水硬性石灰处理已有的裂缝和缺陷。压浆前应清理压浆部位如灰缝内的杂草和植被，再埋设注浆管和排气管并密封。需做试验确定砂浆配合比、压力参数等。

4．2．5填料卸载 为确保施工安全，应先对基础进行加固，再从每孔的两侧对称向中间拆除桥面铺装层如柏油桥面、外倾栏杆等，然后再卸载填料。

4．2．6拱券加固 首先应将脱落的的拱券石补齐归位、更换风化特别严重的石料，再在拱券背部粘贴碳纤维布加强拱券的整体结构性能以及限制拱券的变形。粘贴碳纤维布的施工工艺主要分为6个部分。

1) 表面处理。用手提沙轮机除去石材表面层(如风化物、填土、污物和浮浆浮块等)，打磨至石材表面裸露；打磨完后用高压气枪清除粉尘及其他松动物质，确保其表面平整无灰尘，充分干燥。

2) 贴合面整平。用灰刀将加固砂浆抹在不平整的石材表面，消除所有不平整处和缝隙。

3) 底胶涂刷。在底层树脂的有效操作时间内，用滚动毛刷将其均匀涂在石材表面，保证所有部位均有底胶，待干燥后，进入下一步工序。

4) 碳纤维布(CFRP)粘贴。按设计要求，预先裁剪好碳纤维布，若碳纤维布需纵向搭接时，确保搭接长度不小于15 cm；在浸渍树脂的有效操作时间内，用滚筒毛刷将其涂在涂有底胶树脂的石材表面上并用橡胶刮板均匀抹平；将碳纤维布铺到涂有浸渍树脂的石材表面上，并沿纤维方向用刮刀或脱泡滚筒刮平，去除气泡，待整段碳纤维布与石材表面完全贴合后，再用脱泡滚筒反复碾压，确保气泡完全排除、浸渍树脂充分浸透纤维丝。图8为拱背粘贴碳纤维的现场照片。

5) 第二层浸渍树脂涂刷。碳纤维布浸透刮平后，应再涂刷一层浸渍树脂，并用橡胶刮板、脱泡滚筒重复上一步骤，保证碳纤维布完全浸透。

6) 间隔不小于12 h的时间，重复4)和5)工序粘贴下一层碳纤维布，直至达到设计要求。

4．2．7侧墙修缮 侧墙保存基本完整，有扶壁石墙加固，局部出现鼓胀变形。首先应检查侧墙石料的风化情况，更换风化严重的石料，再重新归正鼓胀变形的侧墙，接着采用对拉锚杆加固两边的侧墙，然后在侧墙块石缝道内重新用水硬性石灰勾缝。待勾缝砂浆达到强度后压注水硬性石灰，再对孔洞及侧墙表面进行清理、封孔。最后拆除后增的扶壁石墙。

4．2．8填料回填和桥面恢复 桥身内腹料更换为3∶7灰土进行分层回填夯实，回填时适量参水，确保达到最优含水率，夯实系数不小于0．94。在桥面上恢复青石板，青石板下做100 mm厚C20细石混凝土垫层(内配A8@200三级钢筋，双向单层)和高分子防水卷材。

4．2．9栏杆恢复 栏杆现已完全缺失，参考《中国古建筑瓦石营法》[8]和周边现存同时期、同风格的石拱桥——溧水蒲塘桥和高淳沛桥的石栏板做法进行恢复。

4．2．10石材防护 石桥年代久远，砌体石材存在不同程度的风化，需对砌体表面涂刷石材防护剂，防止石材进一步风化、剥落(在前述的专项整治措施中应及时更换风化特别严重的石料)。石材防护处理前，应用钢刷清理石材表面已风化部分，然后在石材表面均匀涂刷无机硅憎水剂。需先做试验选择合适的憎水剂，确保透气性、渗透性、耐久性以及防水性符合要求。

经修缮后的永昌桥见图9。

5 结 论

永昌桥为典型的明代三孔石拱桥，使用至今，存在严重的结构安全隐患。本工作对其进行了现场测绘、残损勘察、结构性能分析和方案比选，最终提出了适宜于该石拱桥的保护技术，并将该技术应用于永昌桥的保护实践中，可为同类型石拱桥的保护工程提供参考。

1) 该类型石拱桥的典型残损主要为石材风化、砂浆流失、植物侵蚀和人为影响。该类型石拱桥除显见的残损病害外，还可能存在结构安全隐患。

2) 由于目前缺乏可供参考的规范来验算古代石拱桥结构的强度与刚度，因此可以采用ANSYS等有限元分析软件进行仿真模拟以准确评估石拱桥的结构安全状况。

3) 在荷载的影响分析中，主拉应力最大值都出现在主拱的金刚墙顶部，主压应力最大值都出现在主拱拱脚附近。人行活荷载对该类型石拱桥的影响不大，在全部荷载的影响约为15%；活载布置方式的影响不大，不同布置方式对主拉应力和主压应力最大值的影响约为15%。

4) 在重要度分析中，该类型石拱桥结构单元呈离中部越近越重要、离底部越近越重要的趋势，而大拱的拱脚部位是整个结构中最重要的部分，因此对缺陷也最为敏感。

5) 在裂缝分析中，该类型石拱桥在考虑恒载+全桥均布活荷载作用下砌体无压溃的迹象，但裂缝较多。大跨拱脚的损伤程度相对较严重，且桥的横向联系较弱，产生很多顺桥纵向的裂缝。

6) 基于《中国文物古迹保护准则》中“最低限度干预”和“不改变原状”的保护原则要求，拱背粘贴碳纤维加固法可作为该类型石拱桥拱券加固的优选方法。

7) 永昌桥的加固修缮措施满足《中国文物古迹保护准则》中的“最低限度干预”、“不改变原状”、“使用恰当的保护技术”和“防灾减灾”的保护原则，具有一定的普适性，可供同类型石拱桥的加固修缮参考。