紅水河斜拉橋的安全監(jiān)控措施及檢測(cè)技術(shù)

謝 麟

（南寧鐵路局工務(wù)檢測(cè)所，工程師，廣西 柳州 545007）

紅水河鐵路斜拉橋位于湘桂線(xiàn)柳黎復(fù)線(xiàn)下行線(xiàn)來(lái)賓―良江區(qū)間，是我國(guó)第一座鐵路斜拉橋。該橋地處廣西中部的典型喀斯特地區(qū)，巖溶發(fā)育良好，地下水分布廣且較為豐富。橋全長(zhǎng)398 m，橋的兩頭曲線(xiàn)半徑小且線(xiàn)路坡度較大，引橋部分為分片式T形梁結(jié)構(gòu)。主橋斜拉橋部分為三跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)192 m，主跨96 m，梁塔固結(jié)。梁截面為單箱雙室構(gòu)造，纜索呈豎琴形布置。梁墩之間設(shè)有大噸位盆式橡膠支座，分為固定和活動(dòng)2種受力方式。該橋由鐵道部科學(xué)研究院設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究，原柳州鐵路局橋隧工程段施工，于1981年建成通車(chē)，至今已經(jīng)受了近30年的運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)。

斜拉橋是自錨體系，拉索承受巨大拉力，拉索的水平分力使主梁受壓，塔、梁均為壓彎構(gòu)件。由于斜拉橋的拉索承受巨大拉力，拉索疲勞問(wèn)題隨時(shí)間的變化而變化，且在拉索的水平分力作用下主梁的拱度變化亦不同于一般的鐵路橋梁。該類(lèi)型橋梁動(dòng)力特性的觀測(cè)和橋梁的安全監(jiān)控就與其它常見(jiàn)的鐵路橋梁有很大的不同。因此，探討鐵路斜拉橋的安全監(jiān)控措施和檢測(cè)技術(shù)就顯得十分重要。

1 斜拉橋的監(jiān)控措施

由于該橋建成時(shí)沒(méi)有可借鑒的鐵路斜拉橋安全監(jiān)控、維修養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)，為了確保行車(chē)安全，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，原柳州鐵路局遵循柳總室（82）05號(hào)文件要求，根據(jù)斜拉橋橋自身的特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際工作體會(huì)，總結(jié)出一套較為成熟的安全監(jiān)控措施。

1.1 橋梁管理的三級(jí)監(jiān)控 對(duì)斜拉橋的安全監(jiān)控實(shí)施三級(jí)管理：工務(wù)處為主管單位，主持制定橋梁監(jiān)控和檢測(cè)的管理措施，并最終形成其實(shí)施意見(jiàn)和評(píng)價(jià)體系；工務(wù)段為橋梁安全監(jiān)控的執(zhí)行部門(mén)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和監(jiān)督各個(gè)監(jiān)控項(xiàng)目的進(jìn)行和驗(yàn)收，并提出維修養(yǎng)護(hù)意見(jiàn)；車(chē)間為具體實(shí)施單位，負(fù)責(zé)日常的外觀檢查和普通的維修養(yǎng)護(hù)工作。

1.2 定期進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn) 《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（簡(jiǎn)稱(chēng)《檢規(guī)》）要求，采用新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的重要橋梁要按周期進(jìn)行全面的常規(guī)試驗(yàn)。紅水河斜拉橋不但結(jié)構(gòu)新，而且所用的材料也是在鐵路橋梁中不多見(jiàn)的。因此，制定了定期進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)的措施，以監(jiān)控橋梁的運(yùn)用狀態(tài)。常規(guī)試驗(yàn)包括靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)兩部分，靜載試驗(yàn)項(xiàng)目包括應(yīng)力、變位及索力三大部分；動(dòng)載試驗(yàn)項(xiàng)目包括主梁和纜索動(dòng)應(yīng)力、主梁動(dòng)撓度、塔頂和墩頂動(dòng)位移、橋梁結(jié)構(gòu)自振特性及強(qiáng)振特性。

1.3 制定專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目 針對(duì)斜拉橋的受力特點(diǎn)和所處位置的地質(zhì)情況，制定了纜索索力檢測(cè)、梁塔振動(dòng)特性和梁體變位（拱度和撓度）檢查3個(gè)專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目。該專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)是長(zhǎng)期性的，每年進(jìn)行1次。

1.4 定期檢查和隨機(jī)檢查相結(jié)合 除了每年的秋季大檢查外，工務(wù)段橋隧車(chē)間還根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)制定了定期檢查制度，每半年對(duì)橋上線(xiàn)路的軌道運(yùn)行狀態(tài)、索塔、纜索及支座位移變化等情況進(jìn)行檢查，并將檢查情況和處理結(jié)果做好記錄。檢查項(xiàng)目和內(nèi)容如表1。

表1 普通項(xiàng)目檢查措施

1.5 特殊部位的檢查 由于斜拉橋的受力特點(diǎn)，纜索質(zhì)量的好壞成為橋梁能否正常使用的主要因素。因此，纜索的檢查成為安全監(jiān)控的重點(diǎn)。除了橋隧車(chē)間每半年，定期檢查外，工務(wù)段每年還組織專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員對(duì)纜索防護(hù)和纜索錨具進(jìn)行1次詳細(xì)檢查。如1997年換下了2根纜索。通過(guò)對(duì)纜索內(nèi)部受力變化、材料磨損情況的詳細(xì)檢查，并參照歷年對(duì)纜索的專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)資料，確定了纜索更為詳細(xì)的維修養(yǎng)護(hù)措施。纜索的檢查是常規(guī)試驗(yàn)時(shí)檢測(cè)的重要內(nèi)容，必須由檢測(cè)機(jī)構(gòu)人員打開(kāi)纜索防護(hù)裝置進(jìn)行檢查。

2 斜拉橋的檢測(cè)技術(shù)

斜拉橋是多跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，雖然對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)的儀器與其它類(lèi)型橋梁沒(méi)有明顯的不同，但由于其自身的受力特點(diǎn)決定了它與鐵路橋梁常用的檢測(cè)技術(shù)有所不同。

2.1 常規(guī)試驗(yàn) 1981年、1994年、2009年鐵科院曾對(duì)紅水河斜拉橋進(jìn)行過(guò)3次靜、動(dòng)載試驗(yàn)，且3次試驗(yàn)的項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)的布置基本相同。目的是在對(duì)橋梁基本狀態(tài)評(píng)估的基礎(chǔ)上，盡量使測(cè)試項(xiàng)目有一個(gè)直觀的比較并一直延續(xù)下去。

2.1.1靜載試驗(yàn) 靜載試驗(yàn)包括應(yīng)力、變位及索力測(cè)試。

1）應(yīng)力測(cè)試。主梁應(yīng)力測(cè)定選取中跨中截面、中支點(diǎn)截面及邊跨中截面，測(cè)試中介用電阻絲片或鋼鉉計(jì)皆可，測(cè)點(diǎn)布置以對(duì)稱(chēng)、重點(diǎn)加密布置為原則。索塔應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在塔柱上游下端，位于主梁重心以上3 m處。溫度補(bǔ)償片原則上每個(gè)轉(zhuǎn)換箱設(shè)1個(gè)，主梁及橋塔的補(bǔ)償片貼于混凝土試塊或擋碴塊上，纜索的補(bǔ)償片貼于預(yù)留的纜索節(jié)段上。

應(yīng)力測(cè)試所用的儀器可采用程控巡測(cè)儀等常用的設(shè)備。

2）變位測(cè)試。變位測(cè)點(diǎn)布置在主梁中跨中、邊跨中、塔頂、引橋橋墩支點(diǎn)處。

跨中撓度用水平儀或激光測(cè)撓儀量測(cè)。塔頂水平位移用攝像儀或傾角儀量測(cè)。支承位移量測(cè)包括垂直位移、縱向位移及轉(zhuǎn)角。量測(cè)墩頂垂直位移和縱向位移采用4個(gè)千分表，墩頂及梁體的轉(zhuǎn)角采用傾角儀。

3）索力測(cè)試。纜索拉力的測(cè)試可采用貼電阻片、裝位移計(jì)及測(cè)自振頻率3種方法。貼電阻片的優(yōu)點(diǎn)是方便測(cè)試，可與梁體應(yīng)力同時(shí)進(jìn)行。但貼電阻片也有局限性，一是只能測(cè)加載時(shí)的索力變化，無(wú)法測(cè)恒載下的索力；二是測(cè)點(diǎn)數(shù)量受轉(zhuǎn)換盒、補(bǔ)償塊等限制；三是電阻片只能貼在纜索防護(hù)套上，有一定的誤差。位移計(jì)的特點(diǎn)與電阻片類(lèi)似，也是只能測(cè)索力變化且數(shù)量有限。測(cè)頻率的方法可克服上述缺點(diǎn)，因只在恒載下進(jìn)行，不需要在加載時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行，不受天窗點(diǎn)的影響，可根據(jù)纜索的數(shù)量逐根或逐組對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。但仍存在纜索的計(jì)算長(zhǎng)度不夠明確的問(wèn)題，在制定測(cè)試方案時(shí)應(yīng)多加考慮。

纜索應(yīng)力測(cè)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)布置在中跨外索、邊跨外索及邊跨中索中間鋼束上，可根據(jù)纜索的多少來(lái)確定測(cè)點(diǎn)數(shù)量，原則上多測(cè)或測(cè)試全部纜索。

纜索力的測(cè)定除了采用傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片、位移計(jì)外，近年來(lái)公路部門(mén)還采用了如頻率計(jì)等設(shè)備，在今后的工作中可根據(jù)鐵路斜拉橋的特點(diǎn)選取一些方便、精確的新型測(cè)試設(shè)備。

2.1.2 動(dòng)載試驗(yàn) 結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及強(qiáng)振特性是評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)使用性能的重要指標(biāo)。通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)可及時(shí)地掌握結(jié)構(gòu)在現(xiàn)行荷載下的安全度，為列車(chē)提速及運(yùn)能的增加提供橋梁結(jié)構(gòu)合理的使用條件。動(dòng)載試驗(yàn)項(xiàng)目包括主梁和纜索動(dòng)應(yīng)力、主梁動(dòng)撓度、塔頂和墩頂動(dòng)位移及振動(dòng)測(cè)試。

1）動(dòng)應(yīng)力測(cè)試。主要測(cè)試混凝土動(dòng)應(yīng)力和纜索動(dòng)應(yīng)力，由動(dòng)應(yīng)力值來(lái)確定混凝土強(qiáng)度及纜索的實(shí)際應(yīng)力是否與計(jì)算值相符。

主梁測(cè)點(diǎn)選取中跨中截面上游外側(cè)、中擱板、下游外側(cè)等3個(gè)；邊跨中截面上游外側(cè)、中擱板、下游外側(cè)等3個(gè)。纜索動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)選取中跨上游外索、邊跨中索、邊跨外索各1個(gè)。所用儀器為動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀等常用測(cè)試設(shè)備。

2）動(dòng)撓度和動(dòng)位移測(cè)試。通過(guò)這2個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試來(lái)判斷橋梁結(jié)構(gòu)的剛度是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，是否影響旅客列車(chē)的舒適度。

動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)可布置在中跨中和邊跨中，可根據(jù)計(jì)算要求確定。塔頂?shù)膭?dòng)位移是必須測(cè)定的，至少要量測(cè)出一個(gè)塔頂?shù)臋M向動(dòng)位移。

跨中動(dòng)撓度用水平儀或激光測(cè)撓儀量測(cè)。塔頂和墩頂動(dòng)位移用攝像儀或傾角儀量測(cè)，量測(cè)儀器亦可根據(jù)測(cè)點(diǎn)的具體情況來(lái)選擇設(shè)備的種類(lèi)和數(shù)量。

3）振動(dòng)測(cè)試。通過(guò)振動(dòng)測(cè)試可以得出結(jié)構(gòu)在列車(chē)動(dòng)荷載作用下的振幅、加速度、強(qiáng)振頻率值，掌握橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

在中跨中和邊跨中及塔頂布置橫向、豎向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)各1個(gè)，在墩頂布置橫向測(cè)點(diǎn)1個(gè)。所用測(cè)試儀器為伺服式加速度計(jì)、放大器、采集分析儀、濾波器等常用的振動(dòng)測(cè)試設(shè)備。

由于《檢規(guī)》中沒(méi)有對(duì)斜拉橋塔頂?shù)臋M向振幅做相應(yīng)規(guī)范，所測(cè)出的橫向振幅值只做一般性分析，在積累多年資料后再由科研機(jī)構(gòu)做定性分析和評(píng)估。

2.2 專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè) 斜拉橋承受的荷載主要由纜索傳遞給索塔，而主梁的收縮徐變、塔身的沉降及纜索材質(zhì)的變化將引起橋面拱度和纜索索力的變化，如果只是靠常規(guī)試驗(yàn)是很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的。因此，對(duì)斜拉橋的重要部位，采用專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)監(jiān)控橋梁的技術(shù)狀態(tài)，十分必要。專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)包括索力測(cè)試、梁跨結(jié)構(gòu)變位量測(cè)、梁塔振動(dòng)測(cè)試。

2.2.1 索力的測(cè)試 恒載下纜索力的測(cè)定，可采用壓電式加速度傳感器或891型拾振器配合采集分析儀的方法量測(cè)其自振頻率，從中發(fā)現(xiàn)纜索自振頻率或纜索力的變化情況，以便確定下一步的工作方向，并建立好歷年的觀測(cè)記錄。

索力測(cè)試的原理：把纜索視為兩端固定的一根弦，根據(jù)弦的振動(dòng)理論，對(duì)于給定的一根弦，其振動(dòng)頻率與其拉力相關(guān)。用公式表示為

式中：f為纜索的自振頻率；

σ為纜索的恒載應(yīng)力；

g為重力加速度；

r為纜索的換算容重；

l為纜索長(zhǎng)度。

因此，測(cè)試索力，只需測(cè)試?yán)|索自振頻率即可。在實(shí)際運(yùn)用中，每年測(cè)試完纜索自振頻率后與原先建立的觀測(cè)記錄作比較，從中發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。

從歷年測(cè)試的全部144根纜索頻率值來(lái)看，每組（6根一組，幾何位置基本一致）的自振頻率基本一致，數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定且有一定的規(guī)律性。如1997年8月新更換的纜索，它們的自振頻率測(cè)值與同組的其它纜索接近，說(shuō)明不同材質(zhì)的纜索只要受力因素相同，其自振頻率必定是一致的。

2.2.2 梁體變位量測(cè) 梁體變位的量測(cè)分為梁體動(dòng)撓度和上拱度量測(cè)2種。梁體動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)布置在跨中梁底，并用鐵標(biāo)尺固定。梁體上拱度測(cè)點(diǎn)布置在整個(gè)連續(xù)梁上，用鐵件形式固定在擋碴槽上，并做好編號(hào)。動(dòng)撓度一般用撓度儀量測(cè)。梁體上拱度觀測(cè)一般用水平儀量測(cè)。

1）動(dòng)撓度。采用撓度儀觀測(cè)，荷載為過(guò)往列車(chē)。從1982年～2009年的觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，主跨下?lián)隙葴y(cè)值變化不大，且小于通常值53 mm。

2）梁體上拱度。采用水平儀測(cè)量道碴槽上事先預(yù)埋好的38個(gè)測(cè)點(diǎn)高程。從1984年～2009年的觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，各測(cè)點(diǎn)的高程變化不大，歷年的觀測(cè)值與1984年第1次觀測(cè)值接近。這說(shuō)明影響梁體拱度變化的因素沒(méi)有發(fā)生質(zhì)的變化。

2.2.3 梁塔振動(dòng)測(cè)試 主梁和塔頂?shù)恼駝?dòng)測(cè)試方法及儀器與常規(guī)試驗(yàn)基本相同。不同的是該方法用過(guò)往列車(chē)作為測(cè)試荷載，來(lái)測(cè)試梁體跨中垂直、橫向水平、索塔的縱向和橫向等振動(dòng)特性，與常規(guī)試驗(yàn)相比可以更為機(jī)動(dòng)地得到更多的測(cè)試數(shù)據(jù)。通過(guò)分析振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)可以隨時(shí)得出結(jié)構(gòu)在列車(chē)動(dòng)荷載作用下的振幅、加速度、強(qiáng)振頻率值，掌握橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。并可以很方便地加大梁塔振動(dòng)測(cè)試密度，及時(shí)掌握全橋因纜索、索塔發(fā)生變化而帶來(lái)的運(yùn)營(yíng)變化情況，將索力、梁變位量測(cè)值作為橋梁動(dòng)力特性評(píng)估的依據(jù)。振動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)分別為在中跨中和邊跨中布置橫向、豎向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)各1個(gè)；塔頂布置橫向、豎向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)各1個(gè)；墩頂布置橫向測(cè)點(diǎn)1個(gè)。所用測(cè)試儀器為INV306采集分析儀、DASP分析軟件、891型拾振器、濾波器等，也可選用其它普通的結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試設(shè)備。

3 結(jié)束語(yǔ)

從歷年專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目采集到的波形來(lái)看，其振動(dòng)波形勻稱(chēng)圓順，沒(méi)有異常情況出現(xiàn)。從譜圖上看，頻譜特性單一，能量集中，歷年來(lái)自振頻率沒(méi)有發(fā)生明顯變化。主跨垂直自振頻率為1.35～1.50 Hz，主跨橫向自振頻率為1.50～1.60 Hz，全橋以主跨振型為主。與1981年、1994年，2009年中國(guó)鐵道科學(xué)研究院的測(cè)試結(jié)果一致。

梁體跨中垂直、橫向水平、索塔的縱向和橫向振動(dòng)振幅值隨每次過(guò)往列車(chē)的載重不同而有所差異，但總體變化規(guī)律沒(méi)有明顯不同，各個(gè)部位的實(shí)測(cè)值滿(mǎn)足規(guī)范要求。測(cè)試結(jié)果表明，橋梁的動(dòng)力特性仍處于良好狀態(tài)。同時(shí)也說(shuō)明，目前所采用的安全監(jiān)控措施和檢測(cè)技術(shù)是較為成熟的，為推廣使用鐵路斜拉橋打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

〔1〕李國(guó)豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)〔M〕.北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.