摘 要：本研究以蕪湖長江大橋試驗索更換為背景，對斜拉索更換過程中的主梁線形變化趨勢以及軌道幾何不平順性進行研究。該橋是國內首次進行換索的公鐵兩用斜拉橋，主橋為180m+312m+180m的雙塔雙索面矮塔斜拉橋，全橋共有128根斜拉索，采用強度1670MPa、 直徑7mm鍍鋅平行鋼絲，分為4種規(guī)格，長度為41.624～123.042m。通過理論仿真計算與實時監(jiān)測數(shù)據對比分析，結果表明，在換索期間，橋梁主梁線形變化與理論相符，軌形狀態(tài)滿足鐵路運營標準，但斜拉索更換時應當重點關注邊跨長索的更換過程。研究結果表明，更換單根斜拉索對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，可為同類工程提供參考。

關鍵詞：公路鐵路兩用橋；斜拉索更換；鋼桁梁；軌形；實時監(jiān)測

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斜拉橋是跨越江海的一類重要的橋梁形式，而斜拉索作為斜拉橋重要且主要的受力構件，其健康狀態(tài)對整個橋梁的運營壽命至關重要。根據規(guī)范規(guī)定，斜拉索的設計使用年限為20年，因此需要對超過該年限并存在安全隱患的舊索進行更換。

在斜拉索更換設計方面，專家通過深入計算與研究發(fā)現(xiàn)，在換索設計過程中，需要盡可能準確地模擬結構換索前的線形與索力，避免設計目標值與換索后的線形與索力產生較大偏差[1]。可以通過影響矩陣法來確定對拆索、張拉新索對結構索力、撓度和應力值的影響[2]。在無須中斷鐵路行車的狀況下，對單根拉索進行更換是可行的[3]。在監(jiān)控方面，專家通過工程案例總結了拉索更換的監(jiān)控方法，分析了換索過程的監(jiān)控數(shù)據，為同類工程提供了參考[4]。此外，還有專家詳細介紹了監(jiān)控理論計算、監(jiān)控內容設計以及監(jiān)控數(shù)據分析[5]。

然而，目前關于公路斜拉橋更換的研究較為充分，而對于公鐵兩用斜拉橋的更換工作研究卻相對匱乏。因此，本文以國內首座公鐵兩用斜拉橋—蕪湖長江大橋的三根斜拉索更換工程為背景，對換索過程中軌道與線形控制技術進行了相關研究。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

蕪湖長江大橋是國內公鐵兩用斜拉橋，上層為雙向四車道公路，下層為雙線鐵路，于2000年建成通車。主橋為（180+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12m。主塔為“Y”形塔。斜拉索于主塔兩側各設兩索面，傘形布置，每個索面由間距0.9m的2組平行拉索組成，共8對，全橋共128根斜拉索。設計荷載等級為汽車-超20級、掛車-120、鐵路中活載。

1.2 斜拉索概況

蕪湖長江大橋斜拉索索體采用?7mm鍍鋅平行鋼絲束，標準抗拉強度1670MPa，外包雙層高密度熱擠聚乙烯護套以及螺旋纏包帶，兩端采用冷鑄錨具作為索端頭，用于塔梁錨固。當安裝成橋時，塔梁兩端設索導管，導管內置減振器，同時較長的索在橋面垂直高度2～3m處設外置減振架。

根據拉索長度和采用鋼絲數(shù)量，可將全橋斜拉索分為短索、中長索和長索。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)見表1。

1.3 試驗索更換原則與檢測結果

目前，蕪湖長江大橋已運營超過20年，超過了斜拉索的設計使用年限，為保障橋梁后續(xù)的安全運營，須選擇部分試驗索進行更換，為后續(xù)全橋換索提供技術儲備。為挑選試驗索，在更換前對全橋128根斜拉索進行了專項檢查。結果表明，斜拉索普遍存在PE護套破損、錨頭銹蝕積水，索力退化及偏差等問題。無損檢測顯示約10%的拉索銹蝕等級被評定為II級。

根據檢測結果，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索為11XN-C1（簡稱C1），11XW-C6（簡稱C6），10XW-C8’（簡稱C8），并將新斜拉索鋼絲的抗拉強度由1670MPa升至1770MPa。

2 斜拉索更換設計計算

在斜拉索更換設計階段須對拉索卸載拆除過程中的軌形變化進行全面分析，并控制更換過程中的風險。因此，要建立全橋的有限元模型。

2.1 有限元模型

根據設計文件，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。

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

2.2 主梁線形計算

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，拆除試驗索后，左右側軌下主梁的變形量相似。由于C6索拆除位置在中跨，因此導致橫向和豎向變形最大的位置也在拆索點附近。此外，在拆索點處，變形量發(fā)生了突變，說明拆索對結構的線形平滑連續(xù)有一定的影響。

2.3 軌形影響計算

由于蕪湖長江大橋為公鐵兩用橋，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，根據主梁線形變化計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，高低為沿鐵路前進方向，單根軌道某點與其前后10m范圍內點所連線段的垂向最大高差。軌向為沿鐵路前進方向，單根軌道某點與其前后10m范圍內點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)的上下錯位波動情況。

由上可知，當線形連續(xù)變化時，高低與軌向最大值會出現(xiàn)在軌形曲率值最大點處，因此，對變形量數(shù)據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。經過計算對比，拆除位置的軌道不平順值最大。綜合上述計算結果，在主力作用下的最大值總結見表2。可以發(fā)現(xiàn)，卸索造成的軌道幾何不平順值遠小于規(guī)范要求進行修補的限值。拆索后的結構變形呈現(xiàn)整體平緩下?lián)馅厔?，對軌道局部變位影響較小。

3 斜拉索更換過程監(jiān)控

為保障換索過程中的橋梁結構安全，采用分級卸載與張拉的方式更換斜拉索，因此每級工況下，都須對主梁線形和軌形變化進行監(jiān)控，與設計值和規(guī)范要求進行對比，以達到控制結構安全風險的目的。卸載與張拉過程均按照五點四級控制，即原橋索力的100%、80%、60%、40%、0%。

3.1 監(jiān)控方法與內容

采用基于圖像識別的智能撓度儀實時測量蕪湖長江大橋的主梁線形，將光學采集儀設置在主塔上與主梁交點位置來保證穩(wěn)定，靶標布置在鐵路面縱弦桿處。同時輔以水準儀進行公路面線形測量，監(jiān)測測點布局如圖5所示。通過軌道檢查車測量軌道集合不平順，受鐵路天窗點時間限制，僅在分級張拉和卸載的節(jié)點對主跨312m長度范圍的軌形進行測量。在換索過程中，公路面為半幅通車狀態(tài)，因此鐵路面線形數(shù)據受車輛荷載影響，有較大波動。為準確讀取換索過程中的主梁變形值，須對原始數(shù)據進行降噪處理，本次監(jiān)控采用了經驗模態(tài)分解（EMD）的降噪方法。原始數(shù)據經過處理后，大部分高頻噪聲已經被剔除，可以根據平滑的低頻降噪數(shù)據選取穩(wěn)定水平的片段讀取結果。

3.2 監(jiān)控數(shù)據與分析

在各級卸索張索工況下，通過布設測點監(jiān)測的換索過程中的數(shù)據如下。

3.2.1 線形監(jiān)測

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)測結果。根據測點圖，以C6更換為例，其更換過程中的鐵路面主桁架弦桿豎向變形量及其與理論值的對比如圖6所示。

可以發(fā)現(xiàn)，在C6更換過程中，主桁變形實測值比理論值小，推測其原因是儀器測量誤差造成。由于光電撓度儀的光學采集設備只能設置在主塔位置，因此該設備會受到主塔偏位影響而導致設備出現(xiàn)偏轉，從而使結果出現(xiàn)誤差，而且靶標距離設備的遠近也會直接影響測量精度。盡管中長索換索過程中，實測值偏小，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，說明結構在換索過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

通過軌道檢測車測量鐵路軌形，受天窗點時間限制，無法在所有分級進行測量工作，因此對60%分級工況下的測量工作進行壓縮。軌道不平順各參數(shù)最大值匯總見表3?？梢园l(fā)現(xiàn)，換索過程中軌道不平順各參數(shù)的變化均較小，且均小于臨時修補要求的8mm，滿足鐵路通行要求。

4 結論

本文以蕪湖長江大橋3根試驗索的更換工程為背景，通過建立有限元模型，對公鐵兩用斜拉橋拉索更換過程中軌道線形的變化進行研究，得出以下結論。1）通過有限元模型計算發(fā)現(xiàn)拆除不同索對主梁的變形產生的影響不同，其中拆除短索引起的變形較小，而拆除長索引起的變形較大。拆索點處的變形發(fā)生了突變，對結構的線形平滑連續(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）通過計算高低、軌向、水平和三角坑等指標，發(fā)現(xiàn)拆索后軌道最大不平順值發(fā)生在拆索位置，但其最大值遠低于規(guī)范要求的修補限值。3）通過對比實測數(shù)據與理論值，其結果趨勢基本一致，說明實施過程安全可控。4）更換單根斜拉索對公鐵兩用斜拉橋的軌道線形影響較小，符合安全要求。

參考文獻

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