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国子监辟雍池桥安全性检测评估与加固

时间:2016-8-30 14:28:19
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姜 玲

    古都北京有大量的文物建筑,文物建筑是不可再生的珍贵文化遗产,文物建筑的安全不仅关系到文化遗产的传承,而且关系到旅游开放和使用中的公众安全。2008 年国子监辟雍池桥的石桥板突然出现断裂,给游客和文物带来了严重的安全隐患。本文通过对池桥的外观检查、基本材性检测、桥板底面损伤情况检查、超声波探测石桥板内部缺陷等,分析研究了国子监辟雍池桥的安全性检测评估与加固方案,有效地保护了文物建筑的安全。经过安全性检测评估与加固后的池桥,正常使用至今(图一)。

    一、国子监辟雍简介
    国子监是第一批全国重点文物保护单位,是北京市的名胜旅游景点,辟雍大殿为北京"六大宫殿"之一,是国子监的中心建筑。辟雍建于清乾隆四十九年(1784年),是我国现存最高等级的古代"学堂"。辟雍古制曰"天子之学"。从清康熙帝开始,皇帝一经即位,必须在此讲学一次。辟雍按照周代的制度建造,坐北向南,平面呈正方形,四周以回廊和水池环绕,池周围有汉白玉雕栏围护,池上架有石桥通向辟雍的四个门,构成周代"辟雍泮水"之旧制。
    二、池桥概况
    东南西北四面的池桥是通往辟雍的必经道路。桥体为三孔石平桥式,桥墩为花岗石砌筑,桥面为青白石铺就,两侧汉白玉制三幅云净瓶石榴头禅杖栏杆与池岸栏杆交圈。在两百余年的使用中,桥板石材逐渐老化,出现了安全隐患。2008 年6 月,南池桥的一块桥板突然断裂,坠落池中。桥板的断裂提醒我们,池桥的安全隐患可能已经发展到很严重的程度了。

    南池桥断裂的桥面板位于中跨西数第二( 图二),该面石断裂前无明显先兆,是在一队游客通过此处后突然发生的。石桥板断裂后落入水中,南半段落底后又摔成两块。初始断裂截面上有明显的陈旧断碴,面积已达石桥板横截面的50%,为早已存在的安全隐患。
    四座池桥已建成使用200 余年了。石桥板材本身材质不均、存在裂隙,风雨侵蚀、反复冻融等自然力破坏, 以及常年的通行使用,都可能使石桥板先天的不足日益恶化、石桥板内部裂缝持续加宽加深。

    现场初步勘察发现,南池桥桥面其他部分和东、西、北池桥的全部石桥板、压面石都普遍存在裂缝。石桥板本身也存在着材质不均有带状间隙等的先天问题,如表1。
    根据此次石桥板断裂的情况勘察,可以推断其他各处石桥板断裂的危险是存在的,仍然有可能再次发生突然断裂。但仅从外观还不能直接判断石材是否会断裂,还需要进一步查明构件内部隐蔽性的损伤。通过对辟雍四座池桥的桥体结构的承载状况进行技术检测后,提出池桥结构安全性鉴定和合理加固与保护方案。
    1.池桥结构外观检查:

    抽干池水后,对池桥的结构进行了外观检查。四座桥结构大体相同,池桥侧貌见图三。实测结构详细尺寸为:中跨净跨尺寸2.5 米,边跨均为2.0 米;桥面宽度6.6米,各跨均由11 块天然石面板组成,桥墩用矩形花岗岩块体砌筑。池水深0.5 米,水面至桥板底面高度0.5 米。
    因南石桥桥板断裂后,及时增设了保护木地板。为不阻断进入辟雍的主通道,将检测工作分成两个阶段完成。第一阶段主要检测评估北、东、西三座石桥,并提出加固方案。第二阶段为南池桥的检测评估及加固工作。本文主要分析研究了第一阶段北、东、西三座石桥的检测评估与加固。
    全面检查了北、东、西三座桥的结构现状。各桥墩整体性完好,承载状况正常。
    石桥板属于主要承重构件。石桥板宽均为0.6 米;中跨的长度3.0 米,边跨2.5米;厚度为0.3 米左右。石桥板两端支承在桥墩上,相邻两跨石桥板支座之间设压面石填平。石桥板受力状态属于简支板,承受的荷载为自重和桥面活荷载。
    石桥板由天然毛石料加工而成,顶面和两侧经磨平处理,底面为毛糙劈面。各石桥板的原始厚度并不一致,历经200 余年的使用和自然风化作用,很多石桥板底面产生了严重的剥落坏损,有效厚度明显减小。首批采用激光自动扫平仪测量的北、东、西三桥各板实际厚度如表2。

    表中的99 块板平均厚度为321mm,与平均厚度相比,6 块板厚度小约10%,11 块小约20%,2 块小约30%,1 块板小42%。桥板厚度减小,会不同程度地降低桥板的承载力。
    石桥板的受力状态为简支板。在荷载作用下,桥板顶部受压,底部受拉,同时还受剪。板跨中部拉,压力大,靠支座部位剪力大。
    天然石材属于脆性材料。桥板石材的抗压强度很高。在现有使用条件下,板顶部受压区不会先于其他部位破坏。这类青白石的抗弯强度比一般脆性材料高。在标准中,房山白的抗弯强度为15MPa。但石材对裂缝很敏感,带有裂缝的石材在拉力的作用下,强度比无裂缝者明显降低,并脆性破坏。因此,石材底部存在严重竖向裂缝或斜向裂缝的石桥板,直接评为危险构件。
    厚度明显减小,或因板底剥落层减小了有效厚度的桥板,其承载能力产生不同程度的下降。为定量评估厚度减小对承载力的影响,计算分析了6 种厚度(150 ~ 320mm)桥板的极限抗弯承载力。计算条件为:简支板;桥中跨板的跨度取2.5 米, 边、内跨板取2.0 米, 板宽0.6米;石材容重2.9g/cm3;恒载为自重,活载3.0kN/m2。参照砖石结构的可靠度系数,安全系数取2.2。分析结果表明,保证桥板安全使用的最小厚度为200mm。考虑桥板底部很不平整,实测厚度存在误差,偏保认为桥板有效厚度不宜小于260mm。
    2.石材基本材性检测:

    桥板石材为大理石。清朝皇家建筑的大理石多取自北京房山。与现行的石材分类图谱比较,桥板石属于房山白或相近的类型。主管单位帮助我们找到了2 块过去遗留的同类残石料。为了解桥板石的材性,钻取直径100mm 的芯样进行材性试验。石材样品和芯样试件见图四和图五。
    碰巧,这两块石材具有这类天然石材的典型性。一块石料的材质均匀密实,内部无裂缝。另一块石料内部自然纹理很多,微裂密集,并有几条长裂缝从不同的方向贯穿石料。
    从无缺陷石材取了4 个芯样试件,检测其容重和抗压强度。检测结果见表3。该石材的平均容重为2.85g/cm3,抗压强度平均值为170MPa。采用ZBL - U510 型数字超声波探测仪,对测法测定了超声波穿透石材的声时和波幅。4 个无缺陷石材芯样试件的超声波速平均值为4.15 km/s,波幅平均值为105.2(dB)。检测值汇于表3。

    有缺陷石材的芯样与无缺陷芯样相比:超声波探测微裂缝密集部位时,波速变化不明显,波幅衰减明显;探测大裂缝时,波速变化明显、波幅衰减明显。试验表明,可以根据波速、波幅探测石料内部的缺陷,但测试结果离散性较大。
    试验表明:超声探伤法可用于检测桥板石材内部的缺陷,但由于以往缺少石材探伤的工程经验,还需要结合实际工程应用总结经验。
    超声波在现场应用时,必须解决好探头与被测体之间的声耦合方法。模拟实际情况,分别检验了黄油和牙膏两种耦合剂的效果,试验表明二者的耦合效果基本相近,见表3。二者相比,声速相同,牙膏的波幅比黄油略小,偏差5%以内。黄油粘稠,适于板粗糙底面。牙膏易清洗,不会污染桥面。
    3. 桥板底面损伤情况检查:

    外部作用对石桥板的影响,主要表现为由表及里的损伤。逐块检查了北、东、西三座桥的板底表面,发现的板底损伤主要有两种情况:
    (1)结构裂缝:裂缝由板底沿竖向或斜向向板顶延伸。这种裂缝主要与桥板受力有关,属于石材的弯曲或弯剪裂缝(图六)。南桥的断板即属这类情况。检查时,还发现西桥岸边有过去替换下的半块断板,从断口看,也是由这种裂缝导致断裂破坏(图七)。由于石材是脆性材料,扩展到一定深度时会造成桥板突然断裂。这种裂缝的危险性极大。

    (2)剥落裂缝:裂缝沿板底水平发展,严重的由几条水平缝在板底形成一个酥松剥落层(图八)。剥落层明显减小了桥板的有效厚度。剥落层脱落,是造成桥板厚度减小的直接原因。剥落裂缝由石材风化引起,桥板内力加剧了裂缝的发展。剥落裂缝缓慢侵蚀桥板厚度,直到桥板失去承载力。
    4. 超声波探测石桥板内部缺陷
    天然石材内部难免存在先天的材质缺陷。历经200 余年的使用,原始轻微缺陷可能因外部作用而发展成严重的缺陷,成为降低石桥板承载性能的安全隐患。

    超声波法探测石材内部缺陷,以往无经验。参照《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS 21:2000)方法,对石桥板内部的材质进行无损检测。根据石桥的受力状况,重点检查会消弱板材纵向受力性能的裂缝或缺陷。在每块桥板底面、表面的横向三分点处,沿板纵向设置两行测点,测点间距为100mm。检测时采用斜交叉法,水平测距300mm,逐行扫描。测点布置及检测方法见图九、图十。

    池桥的第1 块和第11 块为桥沿边板,板面设置了石栏杆,无法检测。故每桥跨检测9 块板,为2 ~ 10 号板。东、西、北三座桥总计检测81 块板,总计数据7000多个。

    表4 列出西桥各桥板的声速、波幅的平均值,声速差异范围。数据差异表明桥板整体质量的差异程度。
    缺陷评估比较复杂,考虑以下三方面因素:
    (1) 局部测区的声速很慢,表明板内存在严重的断裂裂缝。
    (2) 比较同一块板各测区声时和波幅测值之间的差异,用"规程"(CECS 21:2000)数理统计方法判别异常值。当某些值超出了置信范围,可判为异常值。异常值测区内部的材质疏松,故声速的异常值偏小,波幅的异常值偏小。
    (3) 分析数据时发现,桥板之间的测试数据存在一定的差异。统计声速慢的桥板,板内缺陷相对严重。
    超声波测缺评估,表中桥板的安全状况大致分为三类:基本完好构件,超声统计波速不明显低于无缺陷石材试件的波速平均值4.15km/s;存在明显缺陷构件,统计波速和波幅明显偏低,表中用绿色表示;严重缺陷构件,统计波速和波幅明显很低,或局部测区的声速很慢,表中用黄色表示。
    三、池桥结构安全鉴定
    根据几种不同方法的检测和评定结果,石桥板存在的结构安全隐患为:
    1. 底部大面积脱落,板厚度已减小10%~ 40%。
    2. 底部产生严重的竖向或斜向裂缝。
    3. 底部产生严重的风化剥落层。
    4. 局部区段存在内部严重质量缺陷。
    5. 桥板整体质量较差。

    东、西、北三桥石桥板安全性检测评估结果汇总于表5 ~ 7。表中明确说明了评定为危险或已不适于继续安全承载的构件。B 类构件存在影响承载性能的缺陷。A类构件承载状况基本正常。
存在局部缺陷或整体质量差的构件,承载安全性和耐久性显然不如材质基本完好的桥板。属于已不适于继续长期承载的构件。
    检测表明,三座池桥的99 块石桥板中24 块属于危险构件,34 块属于不适于继续长期承载的构件,应进行结构加固和缺陷修缮。其余41 块石桥板承载状况正常,可安全使用。
    四、加固与保护方案
    为保护文物原状,按最小干预原则对石桥板进行加固。结构安全性加固方法简述如下:
    1. 在被加固桥板下增设两根型钢托梁。托梁两端支撑在桥墩钢牛腿上。托梁应能承受全部桥板荷载。
    2. 钢牛腿用型钢制作,用植墙钢螺栓紧固在桥墩侧面岩石上层砌缝处。钢牛腿应能保证传递钢梁支座的荷载至桥基,并具有足够的刚度。
    3. 在钢梁与桥板之间,在梁三分点处插入两个起重千斤顶,顶升千斤顶,准确卸载50%的石桥板自重至钢托梁。
    4. 用预制混凝土块和高强干硬性混凝土间隔填充、顶紧钢梁与桥板底的间隙。混凝土支顶部位在桥板净跨的四分点处,可根据板底实际损伤情况加密。
    5. 混凝土达到强度后,拆除千斤顶。
    6. 全部钢件应做强化耐锈蚀处理。
    石桥板裂缝修补方法:
    宽度大于0.2mm 的裂缝,静压灌注优质树脂胶。
    宽度小于0.2mm 的裂缝,树脂胶泥崁缝。
    板底平整的裂缝部位,可间隔粘贴碳纤维布拉接。
    桥面施工时,树脂胶不应污染石材。
    通过对桥板进行钢梁托换加固,可显著减小原桥板底部的拉应力,减小裂缝受力扩张的趋势。有助于板底的抗裂,抗风化。图十一示池桥加固后的现状。各桥使用状况良好。

    结 论
    北京现存大量的古石平桥,这些石平桥是历史留给后代的宝贵文化遗产,我们有义务和责任保护好这些人类文明的结晶。本文通过对国子监辟雍池桥的安全性检测评估与加固的分析研究,得出了一套古石平桥安全性检测评估与加固的方法,得到了文物部门认可,为以后古石平桥的安全性检测评估和加固奠定了基础。

(作者为北京市古代建筑研究所馆员)

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