公鐵兩用斜拉橋換索過(guò)程軌道線形控制技術(shù)研究

摘 要：本研究以蕪湖長(zhǎng)江大橋試驗(yàn)索更換為背景，對(duì)斜拉索更換過(guò)程中的主梁線形變化趨勢(shì)以及軌道幾何不平順性進(jìn)行研究。該橋是國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行換索的公鐵兩用斜拉橋，主橋?yàn)?80m+312m+180m的雙塔雙索面矮塔斜拉橋，全橋共有128根斜拉索，采用強(qiáng)度1670MPa、 直徑7mm鍍鋅平行鋼絲，分為4種規(guī)格，長(zhǎng)度為41.624～123.042m。通過(guò)理論仿真計(jì)算與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，結(jié)果表明，在換索期間，橋梁主梁線形變化與理論相符，軌形狀態(tài)滿足鐵路運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)，但斜拉索更換時(shí)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注邊跨長(zhǎng)索的更換過(guò)程。研究結(jié)果表明，更換單根斜拉索對(duì)公鐵兩用斜拉橋的軌道線形影響較小，符合規(guī)范安全要求，可為同類(lèi)工程提供參考。

關(guān)鍵詞：公路鐵路兩用橋；斜拉索更換；鋼桁梁；軌形；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：U 44" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

斜拉橋是跨越江海的一類(lèi)重要的橋梁形式，而斜拉索作為斜拉橋重要且主要的受力構(gòu)件，其健康狀態(tài)對(duì)整個(gè)橋梁的運(yùn)營(yíng)壽命至關(guān)重要。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，斜拉索的設(shè)計(jì)使用年限為20年，因此需要對(duì)超過(guò)該年限并存在安全隱患的舊索進(jìn)行更換。

在斜拉索更換設(shè)計(jì)方面，專(zhuān)家通過(guò)深入計(jì)算與研究發(fā)現(xiàn)，在換索設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要盡可能準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)換索前的線形與索力，避免設(shè)計(jì)目標(biāo)值與換索后的線形與索力產(chǎn)生較大偏差[1]?？梢酝ㄟ^(guò)影響矩陣法來(lái)確定對(duì)拆索、張拉新索對(duì)結(jié)構(gòu)索力、撓度和應(yīng)力值的影響[2]。在無(wú)須中斷鐵路行車(chē)的狀況下，對(duì)單根拉索進(jìn)行更換是可行的[3]。在監(jiān)控方面，專(zhuān)家通過(guò)工程案例總結(jié)了拉索更換的監(jiān)控方法，分析了換索過(guò)程的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為同類(lèi)工程提供了參考[4]。此外，還有專(zhuān)家詳細(xì)介紹了監(jiān)控理論計(jì)算、監(jiān)控內(nèi)容設(shè)計(jì)以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析[5]。

然而，目前關(guān)于公路斜拉橋更換的研究較為充分，而對(duì)于公鐵兩用斜拉橋的更換工作研究卻相對(duì)匱乏。因此，本文以國(guó)內(nèi)首座公鐵兩用斜拉橋—蕪湖長(zhǎng)江大橋的三根斜拉索更換工程為背景，對(duì)換索過(guò)程中軌道與線形控制技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

蕪湖長(zhǎng)江大橋是國(guó)內(nèi)公鐵兩用斜拉橋，上層為雙向四車(chē)道公路，下層為雙線鐵路，于2000年建成通車(chē)。主橋?yàn)椋?80+312+180）m雙塔雙索面矮塔斜拉橋。其中主梁為鋼桁梁，桁寬12.5m，高13.5m，節(jié)間長(zhǎng)12m。主塔為“Y”形塔。斜拉索于主塔兩側(cè)各設(shè)兩索面，傘形布置，每個(gè)索面由間距0.9m的2組平行拉索組成，共8對(duì)，全橋共128根斜拉索。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車(chē)-超20級(jí)、掛車(chē)-120、鐵路中活載。

1.2 斜拉索概況

蕪湖長(zhǎng)江大橋斜拉索索體采用?7mm鍍鋅平行鋼絲束，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度1670MPa，外包雙層高密度熱擠聚乙烯護(hù)套以及螺旋纏包帶，兩端采用冷鑄錨具作為索端頭，用于塔梁錨固。當(dāng)安裝成橋時(shí)，塔梁兩端設(shè)索導(dǎo)管，導(dǎo)管內(nèi)置減振器，同時(shí)較長(zhǎng)的索在橋面垂直高度2～3m處設(shè)外置減振架。

根據(jù)拉索長(zhǎng)度和采用鋼絲數(shù)量，可將全橋斜拉索分為短索、中長(zhǎng)索和長(zhǎng)索。而拉索的鋼絲數(shù)量也被分為4種規(guī)格，分別為295根、283根、313根、337根。各索參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)索更換原則與檢測(cè)結(jié)果

目前，蕪湖長(zhǎng)江大橋已運(yùn)營(yíng)超過(guò)20年，超過(guò)了斜拉索的設(shè)計(jì)使用年限，為保障橋梁后續(xù)的安全運(yùn)營(yíng)，須選擇部分試驗(yàn)索進(jìn)行更換，為后續(xù)全橋換索提供技術(shù)儲(chǔ)備。為挑選試驗(yàn)索，在更換前對(duì)全橋128根斜拉索進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)檢查。結(jié)果表明，斜拉索普遍存在PE護(hù)套破損、錨頭銹蝕積水，索力退化及偏差等問(wèn)題。無(wú)損檢測(cè)顯示約10%的拉索銹蝕等級(jí)被評(píng)定為II級(jí)。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，考慮更換索的施工難度、可操作性、工期等要求，確定本次更換的試驗(yàn)索為11XN-C1（簡(jiǎn)稱(chēng)C1），11XW-C6（簡(jiǎn)稱(chēng)C6），10XW-C8’（簡(jiǎn)稱(chēng)C8），并將新斜拉索鋼絲的抗拉強(qiáng)度由1670MPa升至1770MPa。

2 斜拉索更換設(shè)計(jì)計(jì)算

在斜拉索更換設(shè)計(jì)階段須對(duì)拉索卸載拆除過(guò)程中的軌形變化進(jìn)行全面分析，并控制更換過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。因此，要建立全橋的有限元模型。

2.1 有限元模型

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，采用Midas Civil建立全橋有限元模型，用于考察橋梁在換索過(guò)程中的主梁變形、軌形變形等表現(xiàn)。模型示意如圖1所示。

建模過(guò)程采用一次成橋，同時(shí)，根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002—2017）規(guī)范要求，設(shè)計(jì)荷載取主力與附加力組合。斜拉索更換過(guò)程從正常成橋狀態(tài)-卸索狀態(tài)-空索狀態(tài)-張索狀態(tài)-正常成橋狀態(tài)，由于結(jié)構(gòu)在舊索拆除完畢、新索張拉之前的空索狀態(tài)受力最不利，因此以上模型在計(jì)算分析中均用該狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果和初始狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 主梁線形計(jì)算

以C6索更換為例，該索拆除后鋼桁梁線形變化如圖2所示。

由圖2可知，拆除試驗(yàn)索后，左右側(cè)軌下主梁的變形量相似。由于C6索拆除位置在中跨，因此導(dǎo)致橫向和豎向變形最大的位置也在拆索點(diǎn)附近。此外，在拆索點(diǎn)處，變形量發(fā)生了突變，說(shuō)明拆索對(duì)結(jié)構(gòu)的線形平滑連續(xù)有一定的影響。

2.3 軌形影響計(jì)算

由于蕪湖長(zhǎng)江大橋?yàn)楣F兩用橋，因此除了橋梁的受力狀態(tài)需要滿足規(guī)范要求外，鐵路軌道的線形也需要滿足《普速鐵路線路修理規(guī)則》（TG/GE 102—2019）中軌道靜態(tài)幾何不平順容許偏差管理值的要求。因此，根據(jù)主梁線形變化計(jì)算卸索后鐵路軌道的幾何不平順狀態(tài)是否滿足規(guī)范中的高低、軌向、水平和三角坑等指標(biāo)的要求。軌道的幾種幾何不平順示意如圖3所示。其中，高低為沿鐵路前進(jìn)方向，單根軌道某點(diǎn)與其前后10m范圍內(nèi)點(diǎn)所連線段的垂向最大高差。軌向?yàn)檠罔F路前進(jìn)方向，單根軌道某點(diǎn)與其前后10m范圍內(nèi)點(diǎn)所連線的橫向最大差值。水平為同一線路兩條鐵軌在同一橫截面上的豎向最大高差。而三角坑量化了兩條鐵軌出現(xiàn)的上下錯(cuò)位波動(dòng)情況。

由上可知，當(dāng)線形連續(xù)變化時(shí)，高低與軌向最大值會(huì)出現(xiàn)在軌形曲率值最大點(diǎn)處，因此，對(duì)變形量數(shù)據(jù)沿軌道延伸方向求曲率，可得圖4。

由圖可知，拉索拆除后，在拆索位置線形曲率有較大變化，因此該位置的軌向與高低值最大。經(jīng)過(guò)計(jì)算對(duì)比，拆除位置的軌道不平順值最大。綜合上述計(jì)算結(jié)果，在主力作用下的最大值總結(jié)見(jiàn)表2?？梢园l(fā)現(xiàn)，卸索造成的軌道幾何不平順值遠(yuǎn)小于規(guī)范要求進(jìn)行修補(bǔ)的限值。拆索后的結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)整體平緩下?lián)馅厔?shì)，對(duì)軌道局部變位影響較小。

3 斜拉索更換過(guò)程監(jiān)控

為保障換索過(guò)程中的橋梁結(jié)構(gòu)安全，采用分級(jí)卸載與張拉的方式更換斜拉索，因此每級(jí)工況下，都須對(duì)主梁線形和軌形變化進(jìn)行監(jiān)控，與設(shè)計(jì)值和規(guī)范要求進(jìn)行對(duì)比，以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)的目的。卸載與張拉過(guò)程均按照五點(diǎn)四級(jí)控制，即原橋索力的100%、80%、60%、40%、0%。

3.1 監(jiān)控方法與內(nèi)容

采用基于圖像識(shí)別的智能撓度儀實(shí)時(shí)測(cè)量蕪湖長(zhǎng)江大橋的主梁線形，將光學(xué)采集儀設(shè)置在主塔上與主梁交點(diǎn)位置來(lái)保證穩(wěn)定，靶標(biāo)布置在鐵路面縱弦桿處。同時(shí)輔以水準(zhǔn)儀進(jìn)行公路面線形測(cè)量，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布局如圖5所示。通過(guò)軌道檢查車(chē)測(cè)量軌道集合不平順，受鐵路天窗點(diǎn)時(shí)間限制，僅在分級(jí)張拉和卸載的節(jié)點(diǎn)對(duì)主跨312m長(zhǎng)度范圍的軌形進(jìn)行測(cè)量。在換索過(guò)程中，公路面為半幅通車(chē)狀態(tài)，因此鐵路面線形數(shù)據(jù)受車(chē)輛荷載影響，有較大波動(dòng)。為準(zhǔn)確讀取換索過(guò)程中的主梁變形值，須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，本次監(jiān)控采用了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）的降噪方法。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，大部分高頻噪聲已經(jīng)被剔除，可以根據(jù)平滑的低頻降噪數(shù)據(jù)選取穩(wěn)定水平的片段讀取結(jié)果。

3.2 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與分析

在各級(jí)卸索張索工況下，通過(guò)布設(shè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的換索過(guò)程中的數(shù)據(jù)如下。

3.2.1 線形監(jiān)測(cè)

由于鐵路面線形是主要控制線形，因此僅展示鐵路面線形的監(jiān)測(cè)結(jié)果。根據(jù)測(cè)點(diǎn)圖，以C6更換為例，其更換過(guò)程中的鐵路面主桁架弦桿豎向變形量及其與理論值的對(duì)比如圖6所示。

可以發(fā)現(xiàn)，在C6更換過(guò)程中，主桁變形實(shí)測(cè)值比理論值小，推測(cè)其原因是儀器測(cè)量誤差造成。由于光電撓度儀的光學(xué)采集設(shè)備只能設(shè)置在主塔位置，因此該設(shè)備會(huì)受到主塔偏位影響而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，從而使結(jié)果出現(xiàn)誤差，而且靶標(biāo)距離設(shè)備的遠(yuǎn)近也會(huì)直接影響測(cè)量精度。盡管中長(zhǎng)索換索過(guò)程中，實(shí)測(cè)值偏小，但在新索張拉完成后，主桁架出現(xiàn)的豎向變形均能回到卸索前的水平，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在換索過(guò)程中與換索完成后處于安全狀態(tài)。

3.2.2 鐵路軌形監(jiān)測(cè)

通過(guò)軌道檢測(cè)車(chē)測(cè)量鐵路軌形，受天窗點(diǎn)時(shí)間限制，無(wú)法在所有分級(jí)進(jìn)行測(cè)量工作，因此對(duì)60%分級(jí)工況下的測(cè)量工作進(jìn)行壓縮。軌道不平順各參數(shù)最大值匯總見(jiàn)表3。可以發(fā)現(xiàn)，換索過(guò)程中軌道不平順各參數(shù)的變化均較小，且均小于臨時(shí)修補(bǔ)要求的8mm，滿足鐵路通行要求。

4 結(jié)論

本文以蕪湖長(zhǎng)江大橋3根試驗(yàn)索的更換工程為背景，通過(guò)建立有限元模型，對(duì)公鐵兩用斜拉橋拉索更換過(guò)程中軌道線形的變化進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。1）通過(guò)有限元模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)拆除不同索對(duì)主梁的變形產(chǎn)生的影響不同，其中拆除短索引起的變形較小，而拆除長(zhǎng)索引起的變形較大。拆索點(diǎn)處的變形發(fā)生了突變，對(duì)結(jié)構(gòu)的線形平滑連續(xù)有一定的影響。但在新索張拉完成后，主桁架出現(xiàn)的豎向變形均能回到卸索前的水平。2）通過(guò)計(jì)算高低、軌向、水平和三角坑等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)拆索后軌道最大不平順值發(fā)生在拆索位置，但其最大值遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的修補(bǔ)限值。3）通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論值，其結(jié)果趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明實(shí)施過(guò)程安全可控。4）更換單根斜拉索對(duì)公鐵兩用斜拉橋的軌道線形影響較小，符合安全要求。

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