重庆古桥的结构特征及保护研究

康浩 温泉

摘要：指出了重庆古桥历史悠久、技术精湛、构造独特，凝聚了工匠们的劳动创造精神，但由于时代的局限性，重庆古桥多是凭经验建造的，在结构方面没有系统、成熟的理论体系进行支撑。基于此，对重庆古桥主要的存在类型石梁桥和石拱桥进行了介绍和概括，并且对某一石拱桥结构进行了定性和定量的分析，论证了其承载能力符合要求，提出了相关保护建议。

关键词：重庆古桥;分析;承载能力;保护

中图分类号：U448

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）6-0214-04

1引言

1.1重庆古桥的历史沿革

巴蜀地区周边高山环绕，峡古山川纵横，自然环境阻碍了本地古代交通的发展，也使其具备了鲜明的地方性特征。在这样的地理条件下，重庆地区主要利用发达的水系，通过水陆道路网的建设从东部沟通了湖广、黔滇地区。并且重庆古桥不仅是重庆地区与周边地区保持交流的重要纽带，沿古道形成的交易市场和商旅集散地、食宿点，也逐渐成为各地移民商贾聚居的集镇，促进重庆地区古代城镇的发展。重庆地区多山多江河，自古以来先民就开始搭建简易的木便橋和跳墩桥。在数千年的发展史中更是因地制宜，就地取材，用土、木、石、砖，藤、铁等建筑材料，建造了数量庞大、类型众多、构造新颖的桥梁。据《中国文物地图集，重庆分册》及《重庆古桥地图》统计，重庆现存各类古桥800座以上。时间跨度从北宋延续至民国，其中绝大部分为清代古桥。它们以独特的技巧，浓郁的地方特色，较高的艺术价值和重要的历史价值著称。

1.2重庆古桥的主要结构类型

目前，重庆留存下来的人工修筑的古桥类型主要有跳蹬桥、梁桥、拱桥、索桥以及各式廊桥等。这些古桥中，以石梁桥、石拱桥最为常见。梁桥和拱桥的主要区别不仅是外部造型的不同，还在于受力形式的不同。其中梁桥主要是由桥墩、桥台、基础、梁组成，在竖向荷载的作用下，梁桥要承受很大的弯矩作用，所以梁桥的材料要采用抗弯、抗拉的材料。从现在的观点来看，钢结构、钢筋混凝土等都是比较适合用于修筑梁桥的材料，但由于受到当时条件的制约，很难实现。虽然石材的抗剪能力很强，但受拉性能却很不好，导致用石材建造的梁桥大多跨径较小。石拱桥是重庆古代桥梁的主要类型。根据考占和文献考证，重庆的石拱桥至迟出 现在东汉时期，距今有近2000年的历史。拱桥是由桥台、基础、拱圈、拱上建筑构成的，在竖向荷载的作用下，在拱桥的拱脚处产生了水平推力，而这个水平力在拱圈内产生的弯矩与由竖向力产生的弯矩抵消，所以拱桥主要受到压力作用。重庆地区的古代工匠们充分利用了石料抗压性能好，具有耐久性的特点，为我们留下了大量结构坚固、造型优美的石桥。

1.3重庆古桥的技术价值

重庆古桥是当地能工巧匠们经过多次的实践，并与自己多年的建造经验结合从而创造出来的作品。这其中不仅凝聚了古代先贤们的心血，也表现了我国古代建造技术的高超，而且也能够说明当时的经济和科学水平。此外，重庆古桥体现了我国古代在结构上有着很高的力学成就。不同的材料有着不同的力学性质，并被用于建造不同结构形式的桥，很好地体现了所谓“物尽其用”的原则。并且当时的人们就已经能对拱桥的受力特性有一个完整清晰的认识，这是很难能可贵的。1300多年前的赵州桥体现了二线重合的宝贵思想，二线重合即自重作用下该桥的拱轴线与其恒载压力线十分接近，而这一理论却是后来19世纪中叶由一位法国科学家提出的。重庆地区现存清代的石拱桥较多，比较著名的有涪陵龙门桥、万州陆安桥、云阳县南溪镇盐述先桥（始建于清同治九年，后民国十五年重建）等，这些古桥对赵州桥起到了很好的继承和发展的作用，具有重要的技术价值。但是古桥在结构上的重大成就主要是通过T匠们的实践和经验取得的，未能总结出一套完整的理论体系，使得进入近代以来，我国的桥梁结构研究落后于西方国家，但古桥卓越的建造技术，却值得我们去学习和研究。

2重庆石梁桥

2.1石梁桥简介

重庆地区石梁桥的类型主要为简支石板梁、悬臂式石板梁、撑架式石板梁3种。由于木平梁桥不易保存，目前重庆保存的梁桥基本为石梁桥。它们通常用天然石块砌成墩台，其上架厚石板为梁。现存代表性石梁桥有荣吕路孔古镇大荣桥、江津四面山古桥、梁平福禄罐镇古桥，重庆曾家吴家大桥和南岸双河老桥等。重庆航运的纤道桥：较大河道中通航的船只较大，逆水航行的时候必须用人力拉纤，故在沿河支流的出口处需要建造供纤夫行走的桥梁。多采用结构简单的石板梁桥。影响古桥跨径、承载能力的因素主要有截面形式、支座类型、地基组成情况等。

2.2石梁桥的保护策略

由于重庆石梁桥常年受到雨水的冲刷、人行荷载及交通工具的作用、风化作用，故材料的强度会不可避免地降低，影响桥梁的承载能力和安全性能，所以对这些古桥进行保护是十分必要的。首先应该在不损毁古桥文物的前提下进行材料强度的检测，最好检测支座和跨中处，因为在这种结构中支座和跨中处受到的弯矩和剪力均较其它部位要大。接着通过结构完损性和安全性的鉴定，来判断该古桥是要进行小修、大修还是加固改造。小修和大修应该是在结构的安全性没有问题的前提下，对该古桥出 现塑形裂缝的部位进行处理修复。而加固改造则是对整个桥梁进行翻新，可能会改变结构的材料，比如在梁桥上部结构中某些薄弱部位浇筑钢筋混凝土。但对于承载能力太低远远不能满足人们通行和车辆行驶的古桥，可以用体外预应力加固梁式桥这种方法，这种加固方法主要用于梁式桥这种受弯结构，即在梁底或梁侧下部增设预应力加劲钢丝索或预应力粗钢筋补强，与原来的结构组成一次超静定结构，从而抵消了部分恒载应力，起到了卸载作用。最后是下部结构中桥台、桥墩常年浸没在水中，易受到水中一些化学离子的侵蚀作用，从而影响材料本身的强度，所以应该对其进行实地检测，甚至有必要通过实验来探究到底材料的成分发生了什么改变，从而选取适合的加固保护方法。

3重庆石拱桥

3.1石拱桥简介

它是重庆古代桥梁的主要类型。根据考占和文献考证，重庆的石拱桥至迟出现在东汉时期，距今有近2000年的历史。史料记载中，明以前的著名石拱桥有北碚洛阳桥、云阳张飞庙桥、涪陵碑记桥和丰都奈何桥等。现存清代石拱桥较多，代表性的有涪陵龙门桥、万州陆安桥、普济桥、江津利济桥、合川岩溪桥、铜梁金瓯挢、云阳县南溪镇盐述先桥（始建于清同治九年，后民国十五年重建）、南川龙济桥、重庆茅溪偃月桥、巫山无暴桥、南川正阳桥、南川万安桥、万州万安桥、万善桥和五间桥等。根据拱券形态不同，石拱桥大致可分为网弧拱、半圆拱、尖拱、椭圆拱等。石拱桥在建桥的实践中逐步改进，根据不同地域的河流和交通状况，发展到厚拱厚墩石拱桥、薄拱厚墩石拱桥、薄拱薄墩石拱桥。拱的形式根据所在地区的需要以及河道状况条件，建成半圆形、马蹄形、鸭蛋形、尖顶形、网弧形等。桥台从单一石墙式构造发展到实体重力式和砖石复合式重力式构造。桥台的形式分“一”字形、凹字形、燕翅形。桥墩的形式，根据水流的情况，有上游端尖形下游端方形、上下游两端均为尖形、上下游两端均为圆形、上下游两端均为方形等形式。桥墩断面有上下等厚度型和梯形。桥体石板的方式也分并列砌置，分节砌置，分节并列，纵联分节并列等形式。

3.2石拱桥的结构分析

石拱桥充分利用了石材的抗压强度，从而达到了跨径和承载能力的显著提高。受力平衡、变形协调、应力与应变的关系是影响石拱桥安全稳定的重要因素，石拱桥的结构形式有三铰拱和无铰拱两种，三铰拱结构只有一种平衡状态，但由于无铰拱是超静定结构，所以平衡状态有很多种。石拱桥一般是无铰拱结构，所以通常会由于结构支承条件改变、温度变化、地基沉降等影响，发生平衡状态的改变，并且结构相关的应力、应变以及变形也会发生相应的变化。最后石拱桥结构再通过自身的调节，从一种平衡状态过渡到另外一种平衡状态。常见超静定石拱桥结构比较稳定，破环形式是弹塑性破坏.即当结构内部出 现三个塑性铰以上时才会产生破坏。

4重庆古桥的保护

4.1古桥的结构性能评价标准

结构的性能主要为适应性、耐久性、安全性，古桥结构的检验指标是裂缝宽度验算和承载力验算。古桥裂缝产生的原因一般是施工过程中的材料问题、基础不均匀沉降、温度变化，裂缝在结构没有达到正常使用极限状态的条件下是可以存在的。并且裂缝分为弹性裂缝和塑形裂缝两类，前者从出现到引起结构破坏的过程很短暂，在工程结构中的危害性较大，而塑性裂缝出 现时只是说明了结构达到屈服强度，即距离破坏还有一段时间，从而可以通过对此裂缝的观察来衡量结构的安全性能。承载力的验算是根据施加在结构上的荷载，荷载主要分为永久荷载和可变荷载，然后利用公式计算出结构受到的弯矩、剪力和拉压力，最后与极限值进行比较判断结构的安全状态。

4.2从裂缝预防的角度谈保护石拱桥

由上述古桥裂缝产生的原因，可以从基础和温度两方面对裂缝进行防治从而起到保护古桥的作用。首先，对结构中的裂缝可以采用环氧树脂浆液和甲凝灌浆修补;然后.基础加固方法有：水泥灌浆加固法、扩大基础加固法、钢筋混凝土套箍加固法、增补桩基加固法，根据地基和基础的具体情况选择合适的加固方案。比如地基土质松软，则地基承载力就不足，那么就要采用增补桩基加固法，即在每墩承台周围加设几根直径较大的钻孔桩，嵌入岩层;通过现浇方框形承台把桩与原有承台联结，形成整体。最后，对于温度改变引起的裂缝，应该使用粘结性能和延伸性好的材料进行修复，因为裂缝随时会伸缩改变，如果用延伸性不好的材料可能会引起二次开裂。

4.3云阳述先桥的结构分析与保护实例

4.3.1云阳述先桥的力学计算及分析

由于重庆地区的石拱桥种类和数量繁多，所以希望通过下面对云阳述先桥的分析，能对其它的石拱桥结构性能有一定的参考价值。以下对石拱桥的分析均不考虑弹性压缩影响，首先云阳述先桥的结构为三次超静定结构，如图1所示。

将该结构转变为简支曲梁结构，在弹性中心处会产生X1、X2、X3三个作用力，如图2所示。

根据力学公式，当这三个力分别为1时，在结构上产生的力为：

所以得到弹性中心距拱顶为：ys=a1f0，其中f0为桥梁矢高。

系数al可以通过《拱桥（上）》附表（Ⅲ）-3查得。

已知云阳述先桥全长75.26m，宽7.33m，单孔净垮26.5m，孔高14m，拱圈厚度为0.84m。那么得到该桥的计算跨径为l0=27.34m，计算矢高为f0=14.42m。因为是实腹式石拱桥，故将压力线与拱轴线视为重合，只计算1m桥宽，如图2所示。

将结构分成1 6分段，分段截面的标号为N=O，1，2，……16。将石材的容重设为26.7kN/m?，查表得专用行人桥梁的人群荷载标准值为3.5kN/㎡。假设第一段拱的自重为一作用在N=l处的集中荷载，第二段拱的自重看作作用在N=2处的集中力，后面以此類推。由于石拱桥对称，所以以左半拱为参考对象，算出在N=O，1，……8处的荷载即可，拱桥数据如图3所示。

根据对拱桥的实地测绘和计算，得到作用在各个分段截面的集中力如表1。计算模型如图4所示。

将石拱桥的自重视为作用在整个拱桥上的均布荷载，q2=41kN/m，而人群均布荷载q1=3.5kN/m，所以均布荷载q=44.5kN/m从而计算出拱脚处的水平推力和弯矩。

根据公式（ln/2）²+（R-fn ）2=R²，解得：R=13，69 m，而l/2=13.67m，故将该石拱桥看作是一半网。

按图5所示内容，所以φ0=π/2弧度，故坐标关系为：x=R sinφ ，y=R-Rcosφ 。

基本体系如图所示，因为荷载对称，故X3=0。

因为F0l0>15，故计算位移时只需考虑弯矩的影响。

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

计算自由项△1P和△2P。

基本结构在均布荷载q作用下的弯矩方程为：MP=-q2X2=-q2R2sin2φ，从而可求得△1P和△2P。

解力法方程得：X1=386.5kN联立方程组，解得X2=341.1kN。

故得到拱脚水平推力H =341.1kN，拱顶弯矩M=386.5kN根据上面得到的数据，计算得出在各分段截面处的压应力和剪应力如表2所示。

其中σmax=71.79N/c㎡，位于拱脚处，远远小于石材的抗压强度;而τmax=51.71 N/c㎡，这个数值同样较小，没有超过石材本身的抗剪强度，通常可以忽略不计。所以综上得到结论：修建于清代同治年间的云阳述先桥设计结构合理，强度满足规范的要求，故现在仍然可以用于人们的通行。

4.3.2云阳桥结构的加固保护方案

与同样跨径的弧形拱比較，由于云阳述先桥这种半网拱结构的高度较高，故拱顶的压力较小，从而对石材强度的要求相对而言较低，并且通过计算，我们还得到了半圆拱拱顶处的弯矩较圆心角较小的弧形拱大很多的结论。因为石材的抗弯性能较差，所以云阳述先桥应该考虑埋置钢筋的改造加固方案。由于云阳述先桥的几何形状是半网形，故拱顶较高，桥下的净空和泄水面积都很大，可以采用套拱加固技术。即通过浇筑或者锚喷混凝土新拱圈.来增加一层新的拱圈在原来拱桥的拱腹下面。这样做不但可以增大拱圈的厚度.而且可以埋置钢筋在新的混凝土拱圈中，与原拱圈能够很好地形成一个整体。并且前面得到的拱顶弯矩方向是逆时针，使得拱圈上部受压，下部受拉，新的钢筋刚好处于拱圈下部，这样一来得到的新的整体上部通过石材承受压力，下部通过钢筋承受拉力作用，新的石拱桥结构就充分利用了两种材料的力学性能。

5结语

本文通过对重庆古桥结构定性和定量的分析，既验证了古桥的结构合理性，又列举了一些古桥潜在的危险，并以此提出了相应的保护方案。重庆古桥是重庆地区重要的历史文物之一，既是研究古代巴蜀地区文化的重要参考依据，也可对现代桥梁建造技术的发展具有一定的启示作用，所以对其保护是刻不容缓的。