在役軌道交通矮塔斜拉橋檢測與評估

張智力，崔 鑫

（1.上海市青浦區(qū)道路運輸管理事務中心，上海市201799；2.上海市建筑科學研究院有限公司，上海市201108）

0 引 言

矮塔斜拉橋是一種介于連續(xù)剛構(gòu)和斜拉橋之間的一種橋型[1]，由于其具有較好的經(jīng)濟指標和美學效果，近年來在國內(nèi)得到了快速的發(fā)展。從結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點上看，矮塔斜拉橋的主梁梁高介于連續(xù)梁和斜拉橋之間，塔高小于常規(guī)斜拉橋，斜拉索的數(shù)量少于常規(guī)斜拉橋且主梁邊跨和主跨均包含無索區(qū)段。從結(jié)構(gòu)受力特征上看，矮塔斜拉橋以梁受彎、塔受壓、索受拉來承受外界荷載，受力特征更類似于體外索加固的預應力連續(xù)箱梁橋[2]。矮塔斜拉橋在軌道交通領(lǐng)域應用的相對較少[3]，同時在軌道交通運營荷載、外界環(huán)境不利作用以及自身結(jié)構(gòu)材料退化的影響下，橋梁各部件均易出現(xiàn)不同程度的損傷，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營造成影響，因此，應定期對其技術(shù)狀況進行評估以確保橋梁的安全運營[4]。本文以某在役軌道交通矮塔斜拉橋為工程背景，針對矮塔斜拉橋的受力特點，在外觀檢查的基礎(chǔ)上，通過橋梁靜態(tài)幾何形態(tài)監(jiān)測、橋梁動態(tài)工作性能監(jiān)測對橋梁結(jié)構(gòu)進行檢測和對比，為后續(xù)類似橋梁的檢測評估提供參考。

1 工程概況

某軌道交通采用單索面矮塔斜拉橋，塔墩分離，跨徑布置為80 m+140 m+80 m，見圖1。

圖1 橋梁里面示意圖（對稱示意一半）（單位：mm）

橋梁索塔和斜拉索布置在雙線之間，軌道線間距為7.5 m，見圖2。該軌道交通橋梁行駛車輛采用A 型車，軸重不大于160 kN，最高運行速度為160 km/h。主橋采用預應力混凝土單箱雙室斜腹板箱梁，支點處梁高5.6 m，跨中梁高3.0 m。橋塔高度為20.5 m，橋塔順橋向側(cè)面為弧形造型，并設(shè)有索鞍錨固槽口，橫橋向側(cè)面設(shè)有箭頭造型的裝飾。箱梁采用C60 高強度混凝土，索塔采用C50 混凝土。全橋共有2×10對斜拉索，斜拉索在箱梁上的中心距為5.0 m。每對斜拉索有兩根，橫向間距1.3 m。斜拉索采用應力幅參數(shù)250 MPa 的低應力平行鋼絞線斜拉索，Ryb=1 860 MPa。主橋中墩和邊墩均采用鉆孔灌注樁和矩形承臺。主橋邊墩選用JQZ-8000 支座，中墩采用JQZ-4000 支座，活動中墩設(shè)液壓LUD 速度鎖定器（LUD2000/400）兩組。

圖2 橋梁主塔橫斷面示意圖（單位：mm）

2 橋梁靜態(tài)幾何形態(tài)監(jiān)測

橋梁結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)監(jiān)測是橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評定的最直接和最關(guān)鍵的指標之一[5]。通過橋梁結(jié)構(gòu)定期幾何形態(tài)的監(jiān)測和分析，可以建立結(jié)構(gòu)的技術(shù)檔案，同時對結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化趨勢進行預測，為類似橋梁的監(jiān)測提供參考[6]。

2.1 主梁幾何形態(tài)測量

主梁幾何形態(tài)測量應包括橋面沉降和梁底線形測量。采用精密水準儀對橋面永久線形測點進行測量。橋面共設(shè)45 個測試斷面，每個斷面沿橫向各布置2 個測點，全橋設(shè)2 條測線，共90 個測點。本次測量結(jié)果與上次測量結(jié)果相比，主跨跨中位置存在一定程度下?lián)?，其中東側(cè)主跨跨中最大累計沉降值10.0 mm，西側(cè)主跨跨中最大累計沉降值9.1 mm；南、北邊跨均存在上拱現(xiàn)象，北邊跨跨中平均上拱5.0 mm，南邊跨跨中平均上拱5.9 mm，見圖3、圖4。由于兩次測試之間存在整體溫差，分析表明，造成橋面沉降的主要原因為整體溫度的影響；此外，從受力特征上看矮塔斜拉索類似于體外索連續(xù)剛構(gòu)，收縮徐變也是引起橋面沉降的原因，后續(xù)應定期在每年夏天和冬天對橋面沉降進行測量和對比分析。

圖3 橋面累計沉降曲線（與上次測量結(jié)果對比）

圖4 東西側(cè)梁底線形測量結(jié)果

在主橋梁底布置15 個測試斷面，上下游各布置一個梁底線形測點，梁底線形測量結(jié)果表明，梁底恒載線形較為平順，為相對于上次測試結(jié)果，梁底線形變化趨勢與橋面沉降趨勢一致。

2.2 主塔幾何形態(tài)測量

主塔幾何形態(tài)應包括主塔傾斜和主塔塔座底軸線偏位。

主塔傾斜測試結(jié)果表明，與上次測試結(jié)果相比，順橋向北側(cè)索塔南偏5.4 mm，南側(cè)索塔北偏6.0 mm，橫橋向北側(cè)索塔西偏3.5 mm，橫橋向南側(cè)索塔東偏3.2 mm。為測量索塔塔座底軸線偏位，在索塔正下方箱梁底板同一斷面兩側(cè)邊緣各設(shè)置一個永久觀測點，主塔塔座底軸線偏位測試結(jié)果表明，索塔塔座底軸線變化較小，北側(cè)塔座底軸東偏0.4 mm，南側(cè)塔座底軸東偏1.0 mm。

2.3 墩柱幾何形態(tài)測量

墩柱幾何形態(tài)應包括墩臺沉降和墩臺傾斜測量。墩臺沉降測試結(jié)果表明，較上次測量，墩臺最大沉降值為4.3 mm；墩柱傾斜測試表明，墩臺最大傾斜度為1.3‰。墩柱基本保持穩(wěn)定，未發(fā)生明顯變化。

3 橋梁動態(tài)工作性能監(jiān)測

橋梁結(jié)構(gòu)是承受動荷載的結(jié)構(gòu)物，在橋梁日常運營中，不僅需定期監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性，而且應定期監(jiān)測列車運行狀態(tài)下引起的車致振動及動力響應。

3.1 基于頻率法的斜拉索索力監(jiān)測

索力測量采用環(huán)境激勵的頻率測試方法，通過測試斜拉索的頻率推算索力。斜拉索由于自然環(huán)境隨機激振產(chǎn)生的橫向振動信號，通過信號處理分析獲得斜拉索的前若干階自振頻率值，按兩端鉸接的公式進行索力計算，計算中考慮了斜拉索抗彎剛度、斜拉索邊界條件、索管和套筒的影響[7]。檢測結(jié)果表明，在恒載作用下全橋索力分布在1 488.5 kN～2 563.7 kN 之間，有一定程度的離散性。對比上一次測試結(jié)果可知，共2 根斜拉索的索力相對變化量較大，在分別為-16.5%和16.2%，其他斜拉索的索力相對變化量在-4.2%～8.3%之間，索力變化情況相對穩(wěn)定。全橋拉索索力總體對稱性較差。恒載作用下東、西側(cè)有8 對斜拉索的索力相對差值在14.4%～40.4%之間，恒載作用下邊跨和中跨有，15 對斜拉索的索力相對差值在12.5%～44.0%之間。

3.2 自振特性監(jiān)測

現(xiàn)場采用豎向傳感器采集的主梁實測自振頻率見表1。本次試驗中實測頻率與理論計算頻率的比值大于1.05，說明橋梁上部結(jié)構(gòu)整體性能和受力體系未發(fā)生明顯改變，主梁剛度狀況良好。阻尼實測結(jié)果表明，本橋主梁一階對稱豎彎振型的實測阻尼比為1.764%，一階對稱橫彎振型的實測阻尼比為1.938%，斜拉橋上部結(jié)構(gòu)整體剛度較好，無明顯結(jié)構(gòu)性損傷。

表1 自振特性測試結(jié)果

3.3 動位移監(jiān)測

采用激光撓度檢測儀對主梁的跨中、北塔塔頂、南塔塔頂動位移進行檢測。在一列列車通過橋梁的過程中，記錄主梁跨中測點的動撓度時程曲線，并根據(jù)動撓度曲線計算撓度動態(tài)增量，結(jié)果見圖5 和圖6。

圖5 主梁跨中動撓度時程曲線

圖6 北側(cè)索塔塔頂動撓度時程曲線

運營狀態(tài)下實測主梁跨中動位移最大值為22.504 mm，位移動態(tài)增量為0.02，動撓度最大值小于《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013）規(guī)定的豎向撓度容許值，說明橋梁的行車性能以及橋面平整度均良好。北側(cè)索塔順橋向動位移最大值為8.255 mm，南側(cè)索塔順橋向動位移最大值為7.023 mm，均未超過規(guī)范允許值。

4 橋梁外觀檢查

根據(jù)矮塔斜拉橋的受力特點，矮塔斜拉橋主梁和主塔易出現(xiàn)混凝土破損、開裂，鋼筋銹蝕等病害；斜拉索易出現(xiàn)錨頭滲水和銹蝕等病害[8]?，F(xiàn)場檢測結(jié)果表明，箱梁梁底以及腹板局部存在縱向、斜向裂縫析白現(xiàn)象；箱室內(nèi)部頂板出現(xiàn)縱橋向裂縫，裂縫寬度0.04～0.10 mm，該類裂縫屬于頂板收縮裂縫；橫隔梁普遍出現(xiàn)豎向裂縫，最大裂縫寬度達到0.25 mm，最大豎向裂縫長度達到1.5 m，見圖7；斜拉索表面PE護套整體狀況良好，未發(fā)現(xiàn)明顯破損、裂縫、老化等病害，下端錐形筒導管整體狀況較好、存在輕度銹蝕現(xiàn)象，錐形筒頂部密封效果較好，下端密封混凝土未出現(xiàn)開裂。錨頭整體狀況較好，沒有出現(xiàn)滲油、銹蝕等病害，見圖8。

圖7 頂板縱向裂縫

圖8 錨頭狀況較好

根據(jù)《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》（TG/GW103—2010）第5.10.2 條以及《鐵路橋隧建筑物劣化評定標準》（TB/T 2820.1～2820.8）依次對索塔、斜拉索、箱梁、支座和橋墩進行技術(shù)狀況評級，該橋的結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件劣化輕微，對其使用功能和行車安全無影響。

5 結(jié) 論

基于本次軌道交通矮塔斜拉橋檢測評估實踐可知：

（1）該矮塔斜拉橋整體技術(shù)狀況較好，結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件劣化輕微，應定期進行檢測，及時對耐久性病害進行處理。該斜拉橋主跨跨中橋面有沉降的趨勢，后期應加強監(jiān)測。

（2）軌道交通矮塔斜拉橋的定期檢測應重點關(guān)注橋梁靜態(tài)幾何形態(tài)監(jiān)測、橋梁動態(tài)工作性能監(jiān)測和外觀檢查。

（3）軌道交通矮塔斜拉橋靜態(tài)幾何形態(tài)監(jiān)測應針對主梁、主塔和墩柱等部位針對性布置測點，不同測點之間的實測值并非獨立，可以進行互相印證。橋梁動態(tài)工作性能監(jiān)測可以定期監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性和列車運行狀態(tài)下的動力響應.

（4）應定期檢查矮塔斜拉橋的混凝土結(jié)構(gòu)和斜拉索錨頭，隨時掌握橋梁技術(shù)狀況和發(fā)展趨勢。