摘要：我國(guó)的斜拉橋自20世紀(jì)70年代開始逐漸發(fā)展，早期建造的斜拉橋相繼出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的腐蝕和損壞現(xiàn)象，需要對(duì)這部分斜拉橋進(jìn)行換索。蕪湖長(zhǎng)江大橋是國(guó)內(nèi)首座進(jìn)行換索的公鐵兩用斜拉橋。本文以蕪湖長(zhǎng)江大橋試驗(yàn)索更換為背景，首先對(duì)橋梁及其斜拉索概況進(jìn)行介紹，其次對(duì)更換原則、施工方案、關(guān)鍵工序進(jìn)行研究，最后對(duì)線形與索力監(jiān)測(cè)分析。結(jié)果表明，在換索期間施工前后線形索力能夠回到初始狀態(tài)，施工過程可靠，可為同類換索工程提供參考。

關(guān)鍵詞：公鐵兩用斜拉橋；斜拉索更換；監(jiān)測(cè)方法

1引言

我國(guó)的斜拉橋自20世紀(jì)70年代開始逐漸發(fā)展，如今已經(jīng)在設(shè)計(jì)和建造技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位。然而，部分早期建造的斜拉橋由于經(jīng)驗(yàn)技術(shù)的限制、交通量的迅速增長(zhǎng)以及養(yǎng)護(hù)管理不當(dāng)，出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的腐蝕和損壞現(xiàn)象，需要對(duì)這部分斜拉橋換索^［1］。

隨著換索工程數(shù)量的增加，技術(shù)已逐漸成熟，主要技術(shù)包括兩大類：換索技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)，二者共同確保換索工程的安全和可靠。換索技術(shù)方面，楊超等對(duì)換索技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，提出中斷交通或部分中斷交通的換索技術(shù)已經(jīng)基本成熟，完全不中斷交通的快速換索將成為未來發(fā)展的趨勢(shì)^［2］；張乃樂對(duì)鐵路斜拉橋的換索方案進(jìn)行了研究，通過對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在不中斷鐵路行車的情況下進(jìn)行單根拉索更換是可行的，但需要保證換索施工全過程的橋梁受力合理性^［3］。監(jiān)控技術(shù)方面，姜俊杰等以軍都山斜拉渡槽為例對(duì)換索施工控制及調(diào)索進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)斜拉索更換過程撓度監(jiān)測(cè)和索力測(cè)量是監(jiān)控工作的重要部分，必須予以足夠重視^［4］；唐繼舜等以犍為岷江大橋?yàn)槔龑?duì)監(jiān)控理論計(jì)算、監(jiān)控內(nèi)容設(shè)計(jì)及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析進(jìn)行了詳細(xì)的研究，結(jié)果表明斜拉橋換索監(jiān)控的關(guān)鍵是準(zhǔn)確模擬原結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求控制索力和線形^［5］。

然而，目前的換索工作主要針對(duì)公路橋，對(duì)于鐵路橋或公鐵兩用斜拉橋換索工作的研究十分稀少。因此目前公鐵兩用斜拉橋換索監(jiān)控技術(shù)仍存在較大空白。本文以國(guó)內(nèi)首座公鐵兩用斜拉橋——蕪湖長(zhǎng)江大橋的試驗(yàn)索更換工程為背景，以索力和線形為主要控制對(duì)象，對(duì)換索過程中智能監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。

2項(xiàng)目簡(jiǎn)介

2.1橋梁概況

蕪湖長(zhǎng)江大橋是我國(guó)首座公鐵兩用斜拉橋，于1997年3月22日正式開工，2000年9月建成通車，橋梁如圖1所示。

主橋?yàn)殇撹炝?，跨徑布置為?80+312+180） m的雙塔雙索面矮塔斜拉橋，其中桁寬12.5 m，高13.5 m，節(jié)間長(zhǎng)12 m，上層為雙向四車道公路，公路橋面寬21.7 m，下層為雙線鐵路。主塔為Y形塔，編號(hào)為10、11，主梁以上高度48.7 m，橋型布置如圖2所示。本橋斜拉索為雙索面?zhèn)阈尾贾?，兩索面（橫橋向）間距23.4 m，每索面有兩根平行拉索，間距0.9 m，每塔布置8對(duì)，全橋共128根斜拉索。

2.2斜拉索概況

蕪湖長(zhǎng)江大橋128根斜拉索索體采用7 mm鍍鋅平行鋼絲束，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度1 670 MPa，外包雙層高密度熱擠聚乙烯護(hù)套以及PVF纏包帶。斜拉索采用冷鑄錨具，梁端為固定端，塔端為張拉端。

根據(jù)斜拉索規(guī)格，可將全橋斜拉索分為短索、中索、長(zhǎng)索。其中短索為靠近主塔的C1、C2、C3，主跨和邊跨分別采用295根和283根鋼絲；中長(zhǎng)索為C4、C5、C6，采用313根鋼絲；長(zhǎng)索為C7與C8，采用337根鋼絲。各索參數(shù)見表1。

2.3斜拉索現(xiàn)狀

目前，蕪湖長(zhǎng)江大橋的運(yùn)營(yíng)年限超過了斜拉索最低設(shè)計(jì)使用年限。同時(shí)，根據(jù)全橋128根斜拉索的專項(xiàng)檢查結(jié)果，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題。無損檢測(cè)顯示約10%的斜拉索銹蝕等級(jí)被評(píng)定為Ⅱ級(jí)。部分外觀檢查照片和檢查數(shù)據(jù)如圖3和圖4所示。亟需更換試驗(yàn)索來進(jìn)一步精確掌握斜拉索的力學(xué)狀況。

3換索施工技術(shù)

3.1更換原則

根據(jù)檢查結(jié)果，同時(shí)考慮實(shí)施難度、實(shí)施工期要求，最終確定更換11XN-C1、11XW-C6、10XW-C8′（編碼由前至后代表拉索所在塔號(hào)、下游、同編號(hào)的內(nèi)外側(cè)拉索以及索號(hào)）三根斜拉索作為試驗(yàn)索，并將新斜拉索鋼絲的抗拉強(qiáng)度由1 670 MPa提升至1 770 MPa。

新制拉索更換時(shí)應(yīng)遵循等強(qiáng)度替換原則，即新斜拉索索力應(yīng)與原斜拉索索力基本一致。新斜拉索材質(zhì)性能指標(biāo)應(yīng)滿足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求。更換的順序遵循計(jì)算分析結(jié)果，采取逐根更換。同時(shí)，新更換斜拉索應(yīng)與原斜拉索等標(biāo)高，彈性模量、剛度等相匹配。

3.2施工方案

考慮到更換試驗(yàn)索的便利性、難易度和存在的風(fēng)

險(xiǎn)，建議更換順序?yàn)橛啥讨灵L(zhǎng)，即按照C1→C6→C8′的順序依次進(jìn)行更換。試驗(yàn)索更換的主要工作內(nèi)容包括臨時(shí)措施的安裝、試驗(yàn)索附屬設(shè)施拆除、斜拉索卸載拆除、新索掛設(shè)安裝、附屬設(shè)施安裝等，施工流程如圖5所示。

3.3關(guān)鍵工序

在更換斜拉索的過程中，卸載舊索和張拉新索是最為關(guān)鍵的兩個(gè)步驟。為了避免荷載的急速升降導(dǎo)致的施工風(fēng)險(xiǎn)不可控，需要對(duì)卸載和張拉過程進(jìn)行分級(jí)，并全面監(jiān)測(cè)橋梁在每個(gè)級(jí)別的工況下的響應(yīng)，以確保安全更換斜拉索。張拉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及施工人員操作如圖6所示。卸載和張拉過程都按照五點(diǎn)四級(jí)控制，即原橋索力的100%、80%、60%、40%、0%。需要注意的是，當(dāng)拉索索力較小時(shí)，索結(jié)構(gòu)的自重荷載和較大的柔度使得用于張拉卸載的千斤頂無法準(zhǔn)確讀取索力值，因此在20%時(shí)未設(shè)級(jí)別。

雖然仿真計(jì)算表明拆除單根斜拉索不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的承載力水平，但為了保證鐵路線運(yùn)營(yíng)的安全，卸索和張索的工序必須在鐵路營(yíng)業(yè)線天窗時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，以消除可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。然而，蕪湖長(zhǎng)江大橋鐵路線天窗時(shí)間僅有180 min，無法一次性完成更換斜拉索的工作，因此需要將卸索和張索分別安排在兩天進(jìn)行。

4線形與索力監(jiān)測(cè)

斜拉索更換過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制是保障安全的重要工作之一，還可以確認(rèn)斜拉索更換過程中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化情況與理論計(jì)算結(jié)果的吻合度，為后續(xù)全橋斜拉索的更換提供依據(jù)。

4.1監(jiān)測(cè)技術(shù)與測(cè)點(diǎn)布置

采用由機(jī)器視覺智能測(cè)量?jī)x及靶標(biāo)等組成的位移測(cè)量集成系統(tǒng)進(jìn)行主梁拆索位置多點(diǎn)實(shí)時(shí)撓度的采集和分析。采用加速度傳感器采集拉索振動(dòng)信號(hào)，利用索頻法測(cè)量換索過程中周圍索索力變化。主梁索力測(cè)點(diǎn)布置和主梁撓度測(cè)點(diǎn)布置分別如圖7和圖8所示。

4.2數(shù)據(jù)處理方法

本次索力監(jiān)測(cè)利用索頻法進(jìn)行索力識(shí)別，通過布設(shè)在被監(jiān)測(cè)索上的加速度傳感器采集拉索振動(dòng)信號(hào)，然后采用傅里葉變換（FFT）方法獲取拉索頻率，進(jìn)而根據(jù)頻率與索力的關(guān)系識(shí)別拉索索力。其中FFT是一種將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)的數(shù)學(xué)算法，是索頻法中常用的數(shù)據(jù)處理方法之一。它通過將信號(hào)分解為一系列正弦和余弦波的頻譜成分，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，其公式如下：

Xk=∑N-1n=0xne-2πjkn/N（k=0，1，2，…，N-1）（1）

式中Xk——頻域上的復(fù)數(shù)結(jié)果；

xn——采集到的加速度信號(hào)；

k——頻率的索引；

n——時(shí)域上的樣本點(diǎn)；

j——虛數(shù)單位。

通過該方法對(duì)拉索的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以得到拉索的各階頻率。

對(duì)于鐵路面線形的監(jiān)測(cè)采用機(jī)器視覺圖像識(shí)別技術(shù)，然而，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(jù)受車輛荷載影響存在較大噪聲。為準(zhǔn)確讀取換索過程中的變化值，需對(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。

EMD是一種自適應(yīng)信號(hào)濾波方法，它將一組混頻信號(hào)中的不同頻率的信號(hào)分量定義為本征模函數(shù)（IMF），根據(jù)由高頻至低頻篩選IMF的思路將低頻信號(hào)分量與高頻信號(hào)分量剝離出來。信號(hào)可以表達(dá)為

I（n）=∑Mm=1IMFm（n）+ResM（n）（2）

式中I（n）——混頻信號(hào)；

n——信號(hào)長(zhǎng)度；

M——信號(hào)中包含的IMF的數(shù)量；

Res——分解剩余的殘差。

通過該方法，最終頻率最低的殘差Res即為原始信號(hào)的低頻走勢(shì)。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，大部分高頻噪聲已經(jīng)被剔除，可以在平滑的低頻降噪數(shù)據(jù)中選取穩(wěn)定水平的片段進(jìn)行結(jié)果讀取。

4.3數(shù)據(jù)對(duì)比與分析

根據(jù)以上監(jiān)測(cè)手段和數(shù)據(jù)處理方法，得到拉索更換過程中的索力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，C1索、C6索、C8′索更換索力變化分別如圖9～圖11所示，這里展示被更換索同索號(hào)的內(nèi)外側(cè)相鄰索和前后相鄰索號(hào)的拉索索力。

圖9～圖11中索力變化量均以換索前（分級(jí)卸索100%）各索索力值為對(duì)比值。圖9中C1索卸載60%開始引起內(nèi)外側(cè)相鄰索索力增加，數(shù)值較為穩(wěn)定，張拉至80%時(shí)，內(nèi)外側(cè)相鄰索索力增加值為0；圖10中C6索卸載80%開始引起前后相鄰索索力增加，增加值在卸載至0%達(dá)到峰值，張拉至80%時(shí)，前后相鄰索索力增加值為0；圖11中C8′索卸載80%開始引起內(nèi)外側(cè)相鄰索索力增加，增加值在卸載至0%達(dá)到峰值，張拉至100%時(shí)，內(nèi)外側(cè)相鄰索索力增加降至最低。

可以發(fā)現(xiàn)，斜拉索更換前后，其鄰側(cè)索索力均能基本回到原始狀態(tài)，說明三根斜拉索更換后結(jié)構(gòu)能夠保持原來的受力狀態(tài)，更換后的斜拉索工作狀態(tài)良好。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，短索更換時(shí)的索力變化較長(zhǎng)索更大，說明該橋短索更換時(shí)更需要注意。

此外，更換過程中部分主梁撓度測(cè)點(diǎn)的變形結(jié)果如圖12～圖14所示。這里展示更換索位置和其前后測(cè)點(diǎn)的桁架測(cè)點(diǎn)豎向變形量。由于邊跨C8′索更換時(shí)主梁撓度變化最大的位置在中跨，因此展示拆索點(diǎn)和中跨對(duì)稱位置測(cè)點(diǎn)的豎向撓度。

從C1索和C6索的撓度變化可以看出，拆索點(diǎn)的撓度是最大的，前后測(cè)點(diǎn)的撓度相對(duì)較小。C8′索的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，實(shí)際換索過程中，中跨的撓度（測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4）比邊跨拆索點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)1′）更大，與理論計(jì)算相符。三根索更換后，變形量能夠基本恢復(fù)至更換前狀態(tài)，表明結(jié)構(gòu)在拉索更換后是安全可靠的。

5結(jié)語

蕪湖長(zhǎng)江大橋斜拉索更換過程中，采用了基于索頻法和快速降噪濾波算法的索力識(shí)別及線形測(cè)量智能監(jiān)測(cè)方法，對(duì)三根斜拉索更換前后的臨近索索力和主梁豎向位移進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和快速數(shù)據(jù)處理。結(jié)果表明，基于索頻法的索力識(shí)別能夠在拉索分級(jí)卸載和張拉過程中獲得連續(xù)數(shù)據(jù)，在各階段掌握除更換索以外的拉索索力?；贓MD的降噪算法能夠在不中斷交通的情況下濾除噪聲，掌握高頻的實(shí)時(shí)線形動(dòng)態(tài)變化。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)施工前后斜拉索索力和主梁線形能夠回到初始狀態(tài)，證明了換索工作施工的可靠性。

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作者單位：中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司蕪湖工務(wù)段，蕪湖241000

作者簡(jiǎn)介：陸亞峰，男，高級(jí)工程師。