吳濤 陳勇 陳朝輝

1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 200032； 2.上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200032；3.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 杭州 310030； 4.中國鐵路上海局集團(tuán)公司， 上海 200071

系桿拱橋兼有拱橋較大的跨越能力和梁橋?qū)Φ鼗m應(yīng)能力強(qiáng)的兩大特點(diǎn)，是橋梁領(lǐng)域常用梁型。近年來，多座高速鐵路系桿拱橋運(yùn)營年限已超過10 年，均存在不同程度的病害，影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用安全。主要原因在于：①施工質(zhì)量欠缺，部分橋梁施工質(zhì)量控制管理不嚴(yán)格；②日常養(yǎng)護(hù)時間受限，養(yǎng)護(hù)人員只能在夜間天窗時間集中進(jìn)行檢查養(yǎng)護(hù)，而天窗時間非常短，一般是（1.5 ～ 4.0）h/次，日常養(yǎng)護(hù)維修工作效率有待提高［1］；③運(yùn)營年限的增加以及高速鐵路列車的提載、提速，導(dǎo)致高速鐵路橋梁在日常運(yùn)營過程中逐漸出現(xiàn)損傷。因此，有必要定期對既有高速鐵路系桿拱橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測，并對其服役狀態(tài)進(jìn)行評定，提供維修建議［2］。公路橋梁與鐵路橋梁的設(shè)計思路不同，鐵路橋梁檢測與評定方法無法完全依據(jù)公路規(guī)范實(shí)施。目前，已經(jīng)正式發(fā)布的鐵路相關(guān)規(guī)范中僅鐵運(yùn)函〔2004〕120 號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［3］可作為高速鐵路橋梁現(xiàn)場檢測的依據(jù)，但該規(guī)范只有第3 章涉及高速鐵路橋梁現(xiàn)場檢測相關(guān)內(nèi)容。該部分內(nèi)容不夠全面，僅包含梁結(jié)構(gòu)橋梁現(xiàn)場檢測條目，沒有針對索結(jié)構(gòu)橋梁比如系桿拱橋、斜拉橋、懸索橋等結(jié)構(gòu)橋梁的檢測條文。高速鐵路系桿拱橋的檢測與評定缺乏相應(yīng)的指導(dǎo)和依據(jù)。

本文以京滬高速鐵路一座跨徑96 m 的剛性系桿拱橋?yàn)楸尘?，采用理論分析、有限元模擬結(jié)合實(shí)橋現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，對高速鐵路系桿拱橋的檢測與評定方法進(jìn)行研究。

1 檢測方法及內(nèi)容

下承式鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)楦叽纬o定結(jié)構(gòu)，需根據(jù)不同構(gòu)件受力狀態(tài)、不同成分材料特性以及橋梁所處的環(huán)境制定針對性的檢測方案。檢測方案應(yīng)充分考慮高速鐵路橋梁自身的特點(diǎn)，不僅要保證運(yùn)營過程中列車的安全性，還要滿足乘客的舒適性［4］。高速鐵路系桿拱橋檢測內(nèi)容見圖1。

圖1 高速鐵路系桿拱橋檢測內(nèi)容

1.1 橋梁外觀缺損檢測

橋梁外觀缺損檢測，主要包括拱肋及風(fēng)撐、橋面系、系梁、系桿、橋墩、附屬設(shè)施等；與公路橋梁設(shè)計以強(qiáng)度控制不同，為了防止列車運(yùn)營過程中橋梁出現(xiàn)較大的撓度和振幅，保證列車安全并平穩(wěn)行駛，兼顧高速鐵路橋梁高密度的運(yùn)營狀況及有限的養(yǎng)護(hù)維修時間，高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計以剛度控制為主。因此，高速鐵路橋梁剛度大，結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸較大，對施工質(zhì)量要求高?？紤]到現(xiàn)場檢測工作只能在夜間天窗時間集中進(jìn)行，為提高檢測效率，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拱肋、系梁的耐久性病害，支座的完整性，以及護(hù)欄等附屬設(shè)施的狀態(tài)。

1.2 吊桿體系專項(xiàng)檢測

京滬高速鐵路一座系桿拱橋吊桿采用尼爾森拱體系布置。與豎向吊桿布置的洛澤拱體系相比，尼爾森拱體系在活載作用下吊桿力變化幅值明顯更大，吊桿疲勞問題更突出［5］。因此，吊桿體系是本次檢測的重點(diǎn)，主要檢測內(nèi)容如下。

1）吊桿體系缺損專項(xiàng)檢測。該橋吊桿采用127根高強(qiáng)低松弛鍍鋅平行鋼絲束，錨頭采用冷鑄墩頭錨。吊桿體系構(gòu)件從上到下依次為：上錨頭、吊桿索體、防雨罩及減震塊組件、下錨頭。現(xiàn)場檢測重點(diǎn)內(nèi)容包括吊桿上下錨頭表面是否存在銹蝕、錨頭開錨檢查內(nèi)部鋼絲墩頭是否存在銹蝕、吊桿聚乙烯護(hù)套以及防水罩組件是否存在損傷。

2）吊桿內(nèi)部鋼絲銹蝕檢測。由于吊桿長期處于高應(yīng)力狀態(tài)下，對腐蝕作用非常敏感，內(nèi)部鋼絲的完整性直接影響吊桿及系桿的安全性和耐久性。常規(guī)的外觀檢測無法對吊桿內(nèi)部鋼絲狀況進(jìn)行檢測，而開窗檢測對吊桿護(hù)套會造成損傷，且僅能對開窗部位鋼絲銹蝕狀況進(jìn)行評定。本文采用磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)對索體內(nèi)部鋼絲銹蝕情況進(jìn)行檢測，并參考公路規(guī)范GB/ T 28704—2012《無損檢測 磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測方法》［6］相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行評定。

3）吊桿力測試。吊桿是系桿拱橋重要的傳力桿件，吊桿力的分布情況直接影響主拱和系梁的受力以及結(jié)構(gòu)線形。本文采用頻率法測量吊桿力，通過測量吊桿的水平橫向振動，獲取吊桿的前5階自振頻率，確定計算長度進(jìn)而計算吊桿力，并與上一次檢測實(shí)測頻率或成橋?qū)崪y頻率進(jìn)行對比，分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力變異情況。

1.3 橋梁結(jié)構(gòu)姿態(tài)檢測

對于系桿拱橋這種高次超靜定結(jié)構(gòu)，橋梁結(jié)構(gòu)姿態(tài)直接反映結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)，主要檢測內(nèi)容如下。

1）拱軸線測量。拱軸線不僅反映了拱橋的實(shí)際受力狀態(tài)，而且是實(shí)際結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算的依據(jù)?？紤]到拱肋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及鐵路橋梁的難接觸性，傳統(tǒng)的接觸式測量方法很難對拱軸線進(jìn)行簡便、快捷和精確的測量［7］。本文采用三維掃描技術(shù)對拱肋的拱軸線進(jìn)行非接觸測量。

2）永久觀測點(diǎn)測量。目前，高架橋梁被廣泛應(yīng)用于高速鐵路。與路基、隧道相比，在高架橋梁上鋪設(shè)無砟軌道橋梁結(jié)構(gòu)在活載作用下引起的彈性變形以及恒載作用下引起的長期變形會直接影響到橋梁軌道結(jié)構(gòu)的受力、平順性以及行車安全性。須嚴(yán)格控制橋梁的沉降和徐變，盡量縮小橋梁結(jié)構(gòu)在垂直方向上產(chǎn)生的位置偏差，并對橋梁設(shè)置永久觀測點(diǎn)，定期測量。此外，永久觀測點(diǎn)測量結(jié)果可以反映橋面線形情況。

1.4 材料性能檢測

由于高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計以剛度控制為主，如果檢測時間受限，可適當(dāng)減少測點(diǎn)數(shù)量。該橋運(yùn)營年限已超過10 年，主體結(jié)構(gòu)材質(zhì)均出現(xiàn)一定程度的退化，應(yīng)對該橋進(jìn)行材料性能檢測，主要包括混凝土強(qiáng)度、碳化深度、鋼筋保護(hù)層厚度、主梁鋼筋銹蝕程度。

1.5 動力特性測試

高速鐵路橋梁應(yīng)具有足夠的剛度，保證動車組列車以規(guī)定的速度通過時橋梁結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)劇烈振動，滿足列車平穩(wěn)運(yùn)行以及旅客乘坐舒適性、軌道幾何狀態(tài)的要求。高速鐵路系桿拱橋動力特性測試可利用過路動車組作為活載進(jìn)行測試。結(jié)合系桿拱橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，動力特性測試項(xiàng)目主要包括：自振頻率、系梁動撓度、系梁橫向及豎向振幅、支座動位移。

1）自振頻率。由于該系桿拱橋未設(shè)置頻率通常值，因此將本次自振頻率測試結(jié)果分別與上一次檢測結(jié)果以及理論計算結(jié)果進(jìn)行對比，判斷橋梁結(jié)構(gòu)剛度狀況是否滿足設(shè)計要求以及結(jié)構(gòu)剛度是否發(fā)生退化。

2）系梁動撓度。由于規(guī)范無相關(guān)通常值作為評定依據(jù)，本文將低通濾波后的動撓度時程曲線與理論靜態(tài)撓度進(jìn)行對比，評定其剛度是否滿足設(shè)計要求。

3）系梁橫向、豎向振幅。由于規(guī)范無相關(guān)通常值作為評定依據(jù)，將本次測試結(jié)果與同線路同類型橋梁實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和評定。

4）支座動位移。測試支座動位移可直接反映支座的工作狀態(tài)。將本次測試結(jié)果與有限元理論分析結(jié)果、相關(guān)規(guī)范通常值進(jìn)行對比和評定。

1.6 承載能力檢算

荷載試驗(yàn)雖然可以直接檢驗(yàn)橋梁的實(shí)際承載能力以及當(dāng)下服役狀態(tài)，但是對于鐵路橋梁，實(shí)施荷載試驗(yàn)一方面需要大量的天窗點(diǎn)配合，另一方面需要借調(diào)靜載編組車輛來現(xiàn)場布載，不僅耗費(fèi)巨大，且對線路的正常運(yùn)營造成一定影響。本文在橋梁外觀缺損狀態(tài)檢查的基礎(chǔ)上，考慮橋梁結(jié)構(gòu)材質(zhì)狀況、結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、約束條件變異等對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所產(chǎn)生的不利影響，采用承載能力檢算的方式對該橋的實(shí)際承載能力進(jìn)行計算分析。

2 工程實(shí)例分析

2.1 橋梁概況

一座下承式鋼管混凝土系桿拱橋于2011 年建成并正式投入使用，橋梁全長100 m，計算跨徑96 m，矢跨比為1/5。拱肋平面內(nèi)矢高19.2 m，采用懸鏈線線形，拱肋截面為啞鈴形鋼管混凝土截面，拱肋鋼管材料采用Q345?D 鋼，鋼管內(nèi)灌注C55 無收縮混凝土，拱肋上橫向設(shè)置5道K 字形風(fēng)撐。系梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，內(nèi)設(shè)16 根19?7?5 環(huán)氧鋼絞線系桿，外包聚乙烯防護(hù)，錨固在系梁的梁端實(shí)體段系桿箱內(nèi)。系梁縱向設(shè)62 束12?7?5 預(yù)應(yīng)力筋及4 束4?7?5 預(yù)應(yīng)力筋，橫向在底板上設(shè)3?7?5 橫向預(yù)應(yīng)力筋，橫隔板上設(shè)4 束9?7?5 預(yù)應(yīng)力筋。全橋共設(shè)置20對（40 根）吊桿，按東西兩側(cè)呈對稱布置，并采用尼爾森體系布置。吊桿均采用高強(qiáng)度低松弛鍍鋅平行鋼絲束，錨頭采用冷鑄墩頭錨。橋梁設(shè)計荷載為ZK 活載，設(shè)計車速為350 km/h，當(dāng)前運(yùn)營車速為300 km/h。橋梁立面見圖2。

圖2 橋梁立面（單位：cm）

該橋位于京滬高速鐵路，交通流量大，服役至今超過10年。該橋于2014年以及2021年進(jìn)行過兩次檢測，本文基于2021年檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

2.2 橋梁外觀缺損檢測

橋梁外觀檢測結(jié)果：①東西兩側(cè)拱肋以及風(fēng)撐均存在大面積銹跡，涂層局部剝落；②4個拱腳均存在多條縱橫向的裂縫，最大縫寬達(dá)0.22 mm，這是系桿拱橋常見的病害，產(chǎn)生裂縫的原因是拱肋鋼管導(dǎo)熱系數(shù)高，而拱腳混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)低，在日照作用下，鋼管膨脹量比混凝土大，外包混凝土脹裂產(chǎn)生裂縫；③拱肋上檢修通道護(hù)欄銹蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致安全風(fēng)險較大。檢修通道護(hù)欄屬于橋梁結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施，但是關(guān)系到現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)及檢測人員人身安全，是高速鐵路橋梁檢測的重點(diǎn)。

2.3 吊桿體系檢測

1）吊桿體系外觀缺損檢測

①采用爬索機(jī)器人對全橋吊桿聚乙烯護(hù)套進(jìn)行外觀缺損檢測，發(fā)現(xiàn)全橋40根吊桿聚乙烯護(hù)套均老化開裂嚴(yán)重，見圖3。主要原因在于京滬高速鐵路交通流量極大，吊桿在列車活載作用下長期處于反復(fù)拉伸狀態(tài)，且經(jīng)受紫外線、雨水等腐蝕［8］。②打開全部的橋面防雨罩，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部封堵油脂均存在劣化，個別防雨罩內(nèi)部存在水漬。③打開全部上下錨頭發(fā)現(xiàn)大部分錨杯內(nèi)黃油分布不均，5 個錨頭錨杯內(nèi)鋼絲墩頭存在銹蝕現(xiàn)象。這是由于橋面雨水從吊桿護(hù)套損傷處以及防雨罩損傷處滲入，并順著索體下流所致。

圖3 聚乙烯護(hù)套老化開裂

2）吊桿內(nèi)部鋼絲銹蝕檢測

依據(jù)外觀缺損檢測結(jié)果，選取10根吊桿使用磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測方法對索體內(nèi)部銹蝕狀況進(jìn)行檢測評定。結(jié)果表明：10 根吊桿檢測結(jié)果較好，內(nèi)部無銹蝕活動或銹蝕活動性不確定，評定標(biāo)度為I類。

2.4 吊桿力檢測

1）絕大多數(shù)吊桿力實(shí)測值與設(shè)計值相比偏差在10%以內(nèi)，有8 根吊桿力實(shí)測值與設(shè)計值相比偏差超過20%。

2）個別端部短吊桿2014 年實(shí)測值缺失，與2014年相比，2021年有3根吊桿力偏差超過20%，主要原因在于：①系桿拱橋?yàn)楦叽纬o定結(jié)構(gòu)，兩次現(xiàn)場檢測時溫度的不同會導(dǎo)致吊桿力發(fā)生變化；②該橋?yàn)槟釥柹w系拱，在列車活載作用下吊桿力變化幅值較大，吊桿在長期疲勞狀態(tài)下出現(xiàn)一定程度的徐變，從而導(dǎo)致吊桿力發(fā)生變化。

2.5 橋梁結(jié)構(gòu)姿態(tài)檢測

1）拱軸線測量

采用LeicaHDS ScanStation C10 三維激光掃描儀對拱肋的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行全景掃描。為了減小測距和拼接帶來的誤差，掃描現(xiàn)場設(shè)置6 個測站進(jìn)行全景掃描，掃描得到的三維點(diǎn)云圖通過Cyclone 軟件進(jìn)行后處理得到拱肋實(shí)際的拱軸線數(shù)據(jù)。拱軸線線形見圖4。可知，東西兩側(cè)拱肋的線形基本一致，實(shí)測線形未出現(xiàn)明顯突變，東西兩側(cè)高程最大高差為0.026 m，說明拱肋在運(yùn)營多年后未出現(xiàn)明顯變異。

圖4 拱軸線線形

2）永久觀測點(diǎn)及橋面線形測量

首次對該橋橋面設(shè)置永久觀測點(diǎn)，全橋共計設(shè)置23個測試斷面，每個斷面沿橫向各布置2個觀測點(diǎn)，分別位于兩側(cè)拱腳、吊桿位置。3 個基準(zhǔn)點(diǎn)BM1、BM2、BM3 設(shè)置在兩側(cè)墩頂橋面位置。觀測結(jié)果表明，東西兩側(cè)橋面線形基本一致，橋面線形整體平順性較好，但局部出現(xiàn)一定的起伏，是吊桿位置附近鋪裝不平整導(dǎo)致。

2.6 材質(zhì)檢測

鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、混凝土碳化深度以及鋼筋銹蝕度結(jié)果均較好，評定標(biāo)度均為1，對鋼筋耐久性影響不顯著。

2.7 動力特性測試

動力特性測試均利用過路動車組作為活載進(jìn)行測試，實(shí)測過路動車組18趟，車輛主要類型為CRH380B、CR400BF。

1）自振頻率

橫向一階自振頻率理論計算值為0.98 Hz，2021年實(shí)測值為1.12 Hz，2014 年實(shí)測值為1.15 Hz；豎向一階自振頻率理論計算值為2.50 Hz，2021 年實(shí)測值為2.69 Hz，2014 年實(shí)測值為2.64 Hz。橫向、豎向一階自振頻率實(shí)測值、振型分別與理論計算自振頻率、振型基本吻合，滿足設(shè)計要求，且2021 年與2014 年自振頻率實(shí)測值接近，也表明經(jīng)過長時間的運(yùn)營該橋橫向、豎向剛度變化不大。

2）系梁動撓度測試

綜合考慮車速和測試干擾，同時采用6 Hz 低通濾波，推算得出實(shí)測跨中豎向最大靜撓度為3.97 mm，理論計算值為4.78 mm，撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)為0.83，滿足設(shè)計要求。實(shí)測豎向撓跨比為1/8691，小于設(shè)計豎向撓跨比1/7442，豎向剛度滿足設(shè)計要求。

3）系梁跨中振幅測試

系梁跨中橫向振幅最大值為0.032 mm，豎向振幅最大值為0.360 mm，與京滬高速鐵路同類型橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試數(shù)據(jù)相接近。

4）活動支座動位移

在過路動車組通過時，支座縱向最大位移實(shí)測值為0.074 mm，遠(yuǎn)小于在CRH380B、CR400BF 動車組作用下的靜載理論支座位移計算值0.302、0.303 mm。支座橫向動位移最大值為0.015 mm，滿足TG/GW 209—2014《高速鐵路橋梁運(yùn)營性能檢定規(guī)定（試行）》［9］中的“動車組列車單線運(yùn)行時，高速鐵路橋梁活動支座的橫向動位移通常值0.2 mm”的要求，說明該橋活動支座工作狀態(tài)正常。

2.8 承載能力檢算

采用MIDAS/Civil 建立有限元模型，模型共包括542 個空間梁單元，44 個空間桁架單元。系梁、拱肋、橫撐均采用具有考慮剪切變形功能的空間梁單元模擬，吊桿采用空間桁架單元模擬。鋼管混凝土采用施工聯(lián)合截面，考慮鋼管與混凝土的協(xié)同作用。一側(cè)墩頂支座采用豎向約束及橫向約束，另一側(cè)墩頂支座采用豎向約束、橫向約束、縱向約束。根據(jù)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件缺損檢測評定結(jié)果對檢算模型進(jìn)行修正。檢算荷載采用鐵路荷載ZK活載。

該橋計算運(yùn)營階段的荷載包括：恒載、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、列車活載、溫度荷載。兩種荷載組合工況分別為：①主力組合，恒載（含二期恒載）+活載+收縮徐變；②主力組合+縱向附加力組合，其中附加力包括系統(tǒng)升降溫、結(jié)構(gòu)升降溫。具體計算結(jié)果見表1、表2。

表1 承載能力檢算結(jié)果

表2 吊桿承載能力檢算結(jié)果

由表1 可知，系梁、拱肋混凝土、拱肋鋼管在兩個荷載組合工況下全截面受壓，最大壓應(yīng)力均小于各自混凝土抗壓強(qiáng)度（系梁混凝土為16.8 MPa，拱肋混凝土為18.5 MPa）或鋼材彎曲應(yīng)力限值（210 MPa）。由表2 可知，吊桿在兩個荷載組合作用下最大拉應(yīng)力及最小拉應(yīng)力均小于抗拉強(qiáng)度1670 MPa，說明拱肋、拱肋混凝土、吊桿以及系梁受力均滿足TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》［10］要求。

3 結(jié)論與建議

1）完整的高速鐵路系桿拱橋檢測內(nèi)容應(yīng)包含外觀缺陷檢測、吊桿體系專項(xiàng)檢測、結(jié)構(gòu)姿態(tài)檢測、材料性能檢測、動力特性測試共五個部分。同時應(yīng)使用有限元方法對橋梁的承載能力進(jìn)行檢算評定。

2）檢測結(jié)果表明，該橋外觀上存在少量病害，主要病害集中出現(xiàn)在拱肋以及吊桿體系。結(jié)構(gòu)整體受力性能良好，相對于橋梁建成初期沒有明顯的變化。

3）針對高速鐵路系桿拱橋，目前尚無規(guī)范針對其動力特性測試設(shè)置相應(yīng)的通常值，因此需要通過一定程度的理論計算、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)以及大量的運(yùn)營期間監(jiān)測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行完善，保證高速鐵路系桿拱橋動力特性測試的規(guī)范與結(jié)構(gòu)的安全。

4）對于高速鐵路系桿拱橋來說，與拱肋、橫梁等結(jié)構(gòu)相比，吊桿體系屬于易損結(jié)構(gòu)，而國內(nèi)高速鐵路系桿拱橋吊桿體系的防護(hù)設(shè)施較為落后?？紤]到高速鐵路橋梁維修難度較大，建議研發(fā)智能化數(shù)字化的防水系統(tǒng)，徹底解決吊桿錨固區(qū)防水問題，同時研發(fā)錨頭防護(hù)新材料和新技術(shù)。