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剛構和斜拉橋之間的一種橋型[1]，由于其具有較好的經濟指標和美學效果，近年來在國內得到了快速的發展。從結構構造特點上看，矮塔斜拉橋的主梁梁高介于連續梁和斜拉橋之間，塔高小于常規斜拉橋，斜拉索的數量少于常規斜拉橋且主梁邊跨和主跨均包含無索區段。從結構受力特征上看，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箱梁橋[2]。矮塔斜拉橋在軌道交通領域應用的相對較少[3]，同時在軌道交通運營荷載、外界環境不利作用以及自身結構材料退化的影響下，橋梁各部件均易出現不同程度的損傷，對橋梁結構的安全運營造成影響，因此，應定期對其技術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，在外觀檢查的基礎上，通過橋梁靜態幾何形態監測、橋梁動態工作性能監測對橋梁結構進行檢測和對比，為后續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，橋塔順橋向側面為弧形造型，并設有索鞍錨固槽口，橫橋向側面設有箭頭造型的裝飾。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 橋梁靜態幾何形態監測

橋梁結構的幾何形態監測是橋梁結構狀態評定的最直接和最關鍵的指標之一[5]。通過橋梁結構定期幾何形態的監測和分析，可以建立結構的技術檔案，同時對結構形態的變化趨勢進行預測，為類似橋梁的監測提供參考[6]。

2.1 主梁幾何形態測量

主梁幾何形態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45 個測試斷面，每個斷面沿橫向各布置2 個測點，全橋設2 條測線，共90 個測點。本次測量結果與上次測量結果相比，主跨跨中位置存在一定程度下撓，其中東側主跨跨中最大累計沉降值10.0 mm，西側主跨跨中最大累計沉降值9.1 mm；南、北邊跨均存在上拱現象，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剛構，收縮徐變也是引起橋面沉降的原因，后續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（與上次測量結果對比）

圖4 東西側梁底線形測量結果

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，梁底線形測量結果表明，梁底恒載線形較為平順，為相對于上次測試結果，梁底線形變化趨勢與橋面沉降趨勢一致。

2.2 主塔幾何形態測量

主塔幾何形態應包括主塔傾斜和主塔塔座底軸線偏位。

主塔傾斜測試結果表明，與上次測試結果相比，順橋向北側索塔南偏5.4 mm，南側索塔北偏6.0 mm，橫橋向北側索塔西偏3.5 mm，橫橋向南側索塔東偏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邊緣各設置一個永久觀測點，主塔塔座底軸線偏位測試結果表明，索塔塔座底軸線變化較小，北側塔座底軸東偏0.4 mm，南側塔座底軸東偏1.0 mm。

2.3 墩柱幾何形態測量

墩柱幾何形態應包括墩臺沉降和墩臺傾斜測量。墩臺沉降測試結果表明，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‰。墩柱基本保持穩定，未發生明顯變化。

3 橋梁動態工作性能監測

橋梁結構是承受動荷載的結構物，在橋梁日常運營中，不僅需定期監測橋梁結構的動力特性，而且應定期監測列車運行狀態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測

索力測量采用環境激勵的頻率測試方法，通過測試斜拉索的頻率推算索力。斜拉索由于自然環境隨機激振產生的橫向振動信號，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定。全橋拉索索力總體對稱性較差。恒載作用下東、西側有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 自振特性監測

現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，說明橋梁上部結構整體性能和受力體系未發生明顯改變，主梁剛度狀況良好。阻尼實測結果表明，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%，斜拉橋上部結構整體剛度較好，無明顯結構性損傷。

表1 自振特性測試結果

3.3 動位移監測

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，并根據動撓度曲線計算撓度動態增量，結果見圖5 和圖6。

圖5 主梁跨中動撓度時程曲線

圖6 北側索塔塔頂動撓度時程曲線

運營狀態下實測主梁跨中動位移最大值為22.504 mm，位移動態增量為0.02，動撓度最大值小于《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）規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。北側索塔順橋向動位移最大值為8.255 mm，南側索塔順橋向動位移最大值為7.023 mm，均未超過規范允許值。

4 橋梁外觀檢查

根據矮塔斜拉橋的受力特點，矮塔斜拉橋主梁和主塔易出現混凝土破損、開裂，鋼筋銹蝕等病害；斜拉索易出現錨頭滲水和銹蝕等病害[8]。現場檢測結果表明，箱梁梁底以及腹板局部存在縱向、斜向裂縫析白現象；箱室內部頂板出現縱橋向裂縫，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，未發現明顯破損、裂縫、老化等病害，下端錐形筒導管整體狀況較好、存在輕度銹蝕現象，錐形筒頂部密封效果較好，下端密封混凝土未出現開裂。錨頭整體狀況較好，沒有出現滲油、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《鐵路橋隧建筑物修理規則》（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狀況評級，該橋的結構物或構件劣化輕微，對其使用功能和行車安全無影響。

5 結 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狀況較好，結構物或構件劣化輕微，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，后期應加強監測。

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

（3）軌道交通矮塔斜拉橋靜態幾何形態監測應針對主梁、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。橋梁動態工作性能監測可以定期監測橋梁結構的動力特性和列車運行狀態下的動力響應.

（4）應定期檢查矮塔斜拉橋的混凝土結構和斜拉索錨頭，隨時掌握橋梁技術狀況和發展趨勢。