紅水河斜拉橋的安全監控措施及檢測技術

謝 麟

（南寧鐵路局工務檢測所，工程師，廣西 柳州 545007）

紅水河鐵路斜拉橋位于湘桂線柳黎復線下行線來賓―良江區間，是我國第一座鐵路斜拉橋。該橋地處廣西中部的典型喀斯特地區，巖溶發育良好，地下水分布廣且較為豐富。橋全長398 m，橋的兩頭曲線半徑小且線路坡度較大，引橋部分為分片式T形梁結構。主橋斜拉橋部分為三跨連續預應力混凝土結構，長192 m，主跨96 m，梁塔固結。梁截面為單箱雙室構造，纜索呈豎琴形布置。梁墩之間設有大噸位盆式橡膠支座，分為固定和活動2種受力方式。該橋由鐵道部科學研究院設計及試驗研究，原柳州鐵路局橋隧工程段施工，于1981年建成通車，至今已經受了近30年的運營考驗。

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、梁均為壓彎構件。由于斜拉橋的拉索承受巨大拉力，拉索疲勞問題隨時間的變化而變化，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。該類型橋梁動力特性的觀測和橋梁的安全監控就與其它常見的鐵路橋梁有很大的不同。因此，探討鐵路斜拉橋的安全監控措施和檢測技術就顯得十分重要。

1 斜拉橋的監控措施

由于該橋建成時沒有可借鑒的鐵路斜拉橋安全監控、維修養護經驗，為了確保行車安全，延長設備使用壽命，原柳州鐵路局遵循柳總室（82）05號文件要求，根據斜拉橋橋自身的特點，并結合實際工作體會，總結出一套較為成熟的安全監控措施。

1.1 橋梁管理的三級監控 對斜拉橋的安全監控實施三級管理：工務處為主管單位，主持制定橋梁監控和檢測的管理措施，并最終形成其實施意見和評價體系；工務段為橋梁安全監控的執行部門，負責協調和監督各個監控項目的進行和驗收，并提出維修養護意見；車間為具體實施單位，負責日常的外觀檢查和普通的維修養護工作。

1.2 定期進行常規試驗 《鐵路橋梁檢定規范》（簡稱《檢規》）要求，采用新材料、新工藝、新結構的重要橋梁要按周期進行全面的常規試驗。紅水河斜拉橋不但結構新，而且所用的材料也是在鐵路橋梁中不多見的。因此，制定了定期進行常規試驗的措施，以監控橋梁的運用狀態。常規試驗包括靜載試驗和動載試驗兩部分，靜載試驗項目包括應力、變位及索力三大部分；動載試驗項目包括主梁和纜索動應力、主梁動撓度、塔頂和墩頂動位移、橋梁結構自振特性及強振特性。

1.3 制定專項檢測項目 針對斜拉橋的受力特點和所處位置的地質情況，制定了纜索索力檢測、梁塔振動特性和梁體變位（拱度和撓度）檢查3個專項檢測項目。該專項檢測是長期性的，每年進行1次。

1.4 定期檢查和隨機檢查相結合 除了每年的秋季大檢查外，工務段橋隧車間還根據橋梁結構自身特點制定了定期檢查制度，每半年對橋上線路的軌道運行狀態、索塔、纜索及支座位移變化等情況進行檢查，并將檢查情況和處理結果做好記錄。檢查項目和內容如表1。

表1 普通項目檢查措施

1.5 特殊部位的檢查 由于斜拉橋的受力特點，纜索質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控的重點。除了橋隧車間每半年，定期檢查外，工務段每年還組織專業技術人員對纜索防護和纜索錨具進行1次詳細檢查。如1997年換下了2根纜索。通過對纜索內部受力變化、材料磨損情況的詳細檢查，并參照歷年對纜索的專項檢測資料，確定了纜索更為詳細的維修養護措施。纜索的檢查是常規試驗時檢測的重要內容，必須由檢測機構人員打開纜索防護裝置進行檢查。

2 斜拉橋的檢測技術

斜拉橋是多跨連續預應力混凝土結構，雖然對該結構進行檢測的儀器與其它類型橋梁沒有明顯的不同，但由于其自身的受力特點決定了它與鐵路橋梁常用的檢測技術有所不同。

2.1 常規試驗 1981年、1994年、2009年鐵科院曾對紅水河斜拉橋進行過3次靜、動載試驗，且3次試驗的項目和測點的布置基本相同。目的是在對橋梁基本狀態評估的基礎上，盡量使測試項目有一個直觀的比較并一直延續下去。

2.1.1靜載試驗 靜載試驗包括應力、變位及索力測試。

1）應力測試。主梁應力測定選取中跨中截面、中支點截面及邊跨中截面，測試中介用電阻絲片或鋼鉉計皆可，測點布置以對稱、重點加密布置為原則。索塔應力測點布置在塔柱上游下端，位于主梁重心以上3 m處。溫度補償片原則上每個轉換箱設1個，主梁及橋塔的補償片貼于混凝土試塊或擋碴塊上，纜索的補償片貼于預留的纜索節段上。

應力測試所用的儀器可采用程控巡測儀等常用的設備。

2）變位測試。變位測點布置在主梁中跨中、邊跨中、塔頂、引橋橋墩支點處。

跨中撓度用水平儀或激光測撓儀量測。塔頂水平位移用攝像儀或傾角儀量測。支承位移量測包括垂直位移、縱向位移及轉角。量測墩頂垂直位移和縱向位移采用4個千分表，墩頂及梁體的轉角采用傾角儀。

3）索力測試。纜索拉力的測試可采用貼電阻片、裝位移計及測自振頻率3種方法。貼電阻片的優點是方便測試，可與梁體應力同時進行。但貼電阻片也有局限性，一是只能測加載時的索力變化，無法測恒載下的索力；二是測點數量受轉換盒、補償塊等限制；三是電阻片只能貼在纜索防護套上，有一定的誤差。位移計的特點與電阻片類似，也是只能測索力變化且數量有限。測頻率的方法可克服上述缺點，因只在恒載下進行，不需要在加載時間段內進行，不受天窗點的影響，可根據纜索的數量逐根或逐組對其進行測試。但仍存在纜索的計算長度不夠明確的問題，在制定測試方案時應多加考慮。

纜索應力測點對稱布置在中跨外索、邊跨外索及邊跨中索中間鋼束上，可根據纜索的多少來確定測點數量，原則上多測或測試全部纜索。

纜索力的測定除了采用傳統的電阻應變片、位移計外，近年來公路部門還采用了如頻率計等設備，在今后的工作中可根據鐵路斜拉橋的特點選取一些方便、精確的新型測試設備。

2.1.2 動載試驗 結構的強度、剛度及強振特性是評估橋梁結構使用性能的重要指標。通過動載試驗可及時地掌握結構在現行荷載下的安全度，為列車提速及運能的增加提供橋梁結構合理的使用條件。動載試驗項目包括主梁和纜索動應力、主梁動撓度、塔頂和墩頂動位移及振動測試。

1）動應力測試。主要測試混凝土動應力和纜索動應力，由動應力值來確定混凝土強度及纜索的實際應力是否與計算值相符。

主梁測點選取中跨中截面上游外側、中擱板、下游外側等3個；邊跨中截面上游外側、中擱板、下游外側等3個。纜索動應力測點選取中跨上游外索、邊跨中索、邊跨外索各1個。所用儀器為動態應變儀等常用測試設備。

2）動撓度和動位移測試。通過這2個項目的測試來判斷橋梁結構的剛度是否滿足規范要求，是否影響旅客列車的舒適度。

動撓度測點可布置在中跨中和邊跨中，可根據計算要求確定。塔頂的動位移是必須測定的，至少要量測出一個塔頂的橫向動位移。

跨中動撓度用水平儀或激光測撓儀量測。塔頂和墩頂動位移用攝像儀或傾角儀量測，量測儀器亦可根據測點的具體情況來選擇設備的種類和數量。

3）振動測試。通過振動測試可以得出結構在列車動荷載作用下的振幅、加速度、強振頻率值，掌握橋梁結構的動力特性。

在中跨中和邊跨中及塔頂布置橫向、豎向振動測點各1個，在墩頂布置橫向測點1個。所用測試儀器為伺服式加速度計、放大器、采集分析儀、濾波器等常用的振動測試設備。

由于《檢規》中沒有對斜拉橋塔頂的橫向振幅做相應規范，所測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構做定性分析和評估。

2.2 專項檢測 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，如果只是靠常規試驗是很難及時發現問題的。因此，對斜拉橋的重要部位，采用專項檢測監控橋梁的技術狀態，十分必要。專項檢測包括索力測試、梁跨結構變位量測、梁塔振動測試。

2.2.1 索力的測試 恒載下纜索力的測定，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其自振頻率，從中發現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記錄。

索力測試的原理：把纜索視為兩端固定的一根弦，根據弦的振動理論，對于給定的一根弦，其振動頻率與其拉力相關。用公式表示為

式中：f為纜索的自振頻率；

σ為纜索的恒載應力；

g為重力加速度；

r為纜索的換算容重；

l為纜索長度。

因此，測試索力，只需測試纜索自振頻率即可。在實際運用中，每年測試完纜索自振頻率后與原先建立的觀測記錄作比較，從中發現并解決問題。

從歷年測試的全部144根纜索頻率值來看，每組（6根一組，幾何位置基本一致）的自振頻率基本一致，數據保持穩定且有一定的規律性。如1997年8月新更換的纜索，它們的自振頻率測值與同組的其它纜索接近，說明不同材質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 梁體變位的量測分為梁體動撓度和上拱度量測2種。梁體動撓度測點布置在跨中梁底，并用鐵標尺固定。梁體上拱度測點布置在整個連續梁上，用鐵件形式固定在擋碴槽上，并做好編號。動撓度一般用撓度儀量測。梁體上拱度觀測一般用水平儀量測。

1）動撓度。采用撓度儀觀測，荷載為過往列車。從1982年～2009年的觀測結果來看，主跨下撓度測值變化不大，且小于通常值53 mm。

2）梁體上拱度。采用水平儀測量道碴槽上事先預埋好的38個測點高程。從1984年～2009年的觀測結果來看，各測點的高程變化不大，歷年的觀測值與1984年第1次觀測值接近。這說明影響梁體拱度變化的因素沒有發生質的變化。

2.2.3 梁塔振動測試 主梁和塔頂的振動測試方法及儀器與常規試驗基本相同。不同的是該方法用過往列車作為測試荷載，來測試梁體跨中垂直、橫向水平、索塔的縱向和橫向等振動特性，與常規試驗相比可以更為機動地得到更多的測試數據。通過分析振動測試數據可以隨時得出結構在列車動荷載作用下的振幅、加速度、強振頻率值，掌握橋梁結構的動力特性。并可以很方便地加大梁塔振動測試密度，及時掌握全橋因纜索、索塔發生變化而帶來的運營變化情況，將索力、梁變位量測值作為橋梁動力特性評估的依據。振動測試測點分別為在中跨中和邊跨中布置橫向、豎向振動測點各1個；塔頂布置橫向、豎向振動測點各1個；墩頂布置橫向測點1個。所用測試儀器為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構振動測試設備。

3 結束語

從歷年專項檢測項目采集到的波形來看，其振動波形勻稱圓順，沒有異常情況出現。從譜圖上看，頻譜特性單一，能量集中，歷年來自振頻率沒有發生明顯變化。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年中國鐵道科學研究院的測試結果一致。

梁體跨中垂直、橫向水平、索塔的縱向和橫向振動振幅值隨每次過往列車的載重不同而有所差異，但總體變化規律沒有明顯不同，各個部位的實測值滿足規范要求。測試結果表明，橋梁的動力特性仍處于良好狀態。同時也說明，目前所采用的安全監控措施和檢測技術是較為成熟的，為推廣使用鐵路斜拉橋打下了堅實的基礎。

〔1〕李國豪.橋梁結構穩定與振動〔M〕.北京：中國鐵道出版社，2002.