红水河斜拉桥的安全监控措施及检测技术

谢 麟

（南宁铁路局工务检测所，工程师，广西 柳州 545007）

红水河铁路斜拉桥位于湘桂线柳黎复线下行线来宾―良江区间，是我国第一座铁路斜拉桥。该桥地处广西中部的典型喀斯特地区，岩溶发育良好，地下水分布广且较为丰富。桥全长398 m，桥的两头曲线半径小且线路坡度较大，引桥部分为分片式T形梁结构。主桥斜拉桥部分为三跨连续预应力混凝土结构，长192 m，主跨96 m，梁塔固结。梁截面为单箱双室构造，缆索呈竖琴形布置。梁墩之间设有大吨位盆式橡胶支座，分为固定和活动2种受力方式。该桥由铁道部科学研究院设计及试验研究，原柳州铁路局桥隧工程段施工，于1981年建成通车，至今已经受了近30年的运营考验。

斜拉桥是自锚体系，拉索承受巨大拉力，拉索的水平分力使主梁受压，塔、梁均为压弯构件。由于斜拉桥的拉索承受巨大拉力，拉索疲劳问题随时间的变化而变化，且在拉索的水平分力作用下主梁的拱度变化亦不同于一般的铁路桥梁。该类型桥梁动力特性的观测和桥梁的安全监控就与其它常见的铁路桥梁有很大的不同。因此，探讨铁路斜拉桥的安全监控措施和检测技术就显得十分重要。

1 斜拉桥的监控措施

由于该桥建成时没有可借鉴的铁路斜拉桥安全监控、维修养护经验，为了确保行车安全，延长设备使用寿命，原柳州铁路局遵循柳总室（82）05号文件要求，根据斜拉桥桥自身的特点，并结合实际工作体会，总结出一套较为成熟的安全监控措施。

1.1 桥梁管理的三级监控 对斜拉桥的安全监控实施三级管理：工务处为主管单位，主持制定桥梁监控和检测的管理措施，并最终形成其实施意见和评价体系；工务段为桥梁安全监控的执行部门，负责协调和监督各个监控项目的进行和验收，并提出维修养护意见；车间为具体实施单位，负责日常的外观检查和普通的维修养护工作。

1.2 定期进行常规试验 《铁路桥梁检定规范》（简称《检规》）要求，采用新材料、新工艺、新结构的重要桥梁要按周期进行全面的常规试验。红水河斜拉桥不但结构新，而且所用的材料也是在铁路桥梁中不多见的。因此，制定了定期进行常规试验的措施，以监控桥梁的运用状态。常规试验包括静载试验和动载试验两部分，静载试验项目包括应力、变位及索力三大部分；动载试验项目包括主梁和缆索动应力、主梁动挠度、塔顶和墩顶动位移、桥梁结构自振特性及强振特性。

1.3 制定专项检测项目 针对斜拉桥的受力特点和所处位置的地质情况，制定了缆索索力检测、梁塔振动特性和梁体变位（拱度和挠度）检查3个专项检测项目。该专项检测是长期性的，每年进行1次。

1.4 定期检查和随机检查相结合 除了每年的秋季大检查外，工务段桥隧车间还根据桥梁结构自身特点制定了定期检查制度，每半年对桥上线路的轨道运行状态、索塔、缆索及支座位移变化等情况进行检查，并将检查情况和处理结果做好记录。检查项目和内容如表1。

表1 普通项目检查措施

1.5 特殊部位的检查 由于斜拉桥的受力特点，缆索质量的好坏成为桥梁能否正常使用的主要因素。因此，缆索的检查成为安全监控的重点。除了桥隧车间每半年，定期检查外，工务段每年还组织专业技术人员对缆索防护和缆索锚具进行1次详细检查。如1997年换下了2根缆索。通过对缆索内部受力变化、材料磨损情况的详细检查，并参照历年对缆索的专项检测资料，确定了缆索更为详细的维修养护措施。缆索的检查是常规试验时检测的重要内容，必须由检测机构人员打开缆索防护装置进行检查。

2 斜拉桥的检测技术

斜拉桥是多跨连续预应力混凝土结构，虽然对该结构进行检测的仪器与其它类型桥梁没有明显的不同，但由于其自身的受力特点决定了它与铁路桥梁常用的检测技术有所不同。

2.1 常规试验 1981年、1994年、2009年铁科院曾对红水河斜拉桥进行过3次静、动载试验，且3次试验的项目和测点的布置基本相同。目的是在对桥梁基本状态评估的基础上，尽量使测试项目有一个直观的比较并一直延续下去。

2.1.1静载试验 静载试验包括应力、变位及索力测试。

1）应力测试。主梁应力测定选取中跨中截面、中支点截面及边跨中截面，测试中介用电阻丝片或钢铉计皆可，测点布置以对称、重点加密布置为原则。索塔应力测点布置在塔柱上游下端，位于主梁重心以上3 m处。温度补偿片原则上每个转换箱设1个，主梁及桥塔的补偿片贴于混凝土试块或挡碴块上，缆索的补偿片贴于预留的缆索节段上。

应力测试所用的仪器可采用程控巡测仪等常用的设备。

2）变位测试。变位测点布置在主梁中跨中、边跨中、塔顶、引桥桥墩支点处。

跨中挠度用水平仪或激光测挠仪量测。塔顶水平位移用摄像仪或倾角仪量测。支承位移量测包括垂直位移、纵向位移及转角。量测墩顶垂直位移和纵向位移采用4个千分表，墩顶及梁体的转角采用倾角仪。

3）索力测试。缆索拉力的测试可采用贴电阻片、装位移计及测自振频率3种方法。贴电阻片的优点是方便测试，可与梁体应力同时进行。但贴电阻片也有局限性，一是只能测加载时的索力变化，无法测恒载下的索力；二是测点数量受转换盒、补偿块等限制；三是电阻片只能贴在缆索防护套上，有一定的误差。位移计的特点与电阻片类似，也是只能测索力变化且数量有限。测频率的方法可克服上述缺点，因只在恒载下进行，不需要在加载时间段内进行，不受天窗点的影响，可根据缆索的数量逐根或逐组对其进行测试。但仍存在缆索的计算长度不够明确的问题，在制定测试方案时应多加考虑。

缆索应力测点对称布置在中跨外索、边跨外索及边跨中索中间钢束上，可根据缆索的多少来确定测点数量，原则上多测或测试全部缆索。

缆索力的测定除了采用传统的电阻应变片、位移计外，近年来公路部门还采用了如频率计等设备，在今后的工作中可根据铁路斜拉桥的特点选取一些方便、精确的新型测试设备。

2.1.2 动载试验 结构的强度、刚度及强振特性是评估桥梁结构使用性能的重要指标。通过动载试验可及时地掌握结构在现行荷载下的安全度，为列车提速及运能的增加提供桥梁结构合理的使用条件。动载试验项目包括主梁和缆索动应力、主梁动挠度、塔顶和墩顶动位移及振动测试。

1）动应力测试。主要测试混凝土动应力和缆索动应力，由动应力值来确定混凝土强度及缆索的实际应力是否与计算值相符。

主梁测点选取中跨中截面上游外侧、中搁板、下游外侧等3个；边跨中截面上游外侧、中搁板、下游外侧等3个。缆索动应力测点选取中跨上游外索、边跨中索、边跨外索各1个。所用仪器为动态应变仪等常用测试设备。

2）动挠度和动位移测试。通过这2个项目的测试来判断桥梁结构的刚度是否满足规范要求，是否影响旅客列车的舒适度。

动挠度测点可布置在中跨中和边跨中，可根据计算要求确定。塔顶的动位移是必须测定的，至少要量测出一个塔顶的横向动位移。

跨中动挠度用水平仪或激光测挠仪量测。塔顶和墩顶动位移用摄像仪或倾角仪量测，量测仪器亦可根据测点的具体情况来选择设备的种类和数量。

3）振动测试。通过振动测试可以得出结构在列车动荷载作用下的振幅、加速度、强振频率值，掌握桥梁结构的动力特性。

在中跨中和边跨中及塔顶布置横向、竖向振动测点各1个，在墩顶布置横向测点1个。所用测试仪器为伺服式加速度计、放大器、采集分析仪、滤波器等常用的振动测试设备。

由于《检规》中没有对斜拉桥塔顶的横向振幅做相应规范，所测出的横向振幅值只做一般性分析，在积累多年资料后再由科研机构做定性分析和评估。

2.2 专项检测 斜拉桥承受的荷载主要由缆索传递给索塔，而主梁的收缩徐变、塔身的沉降及缆索材质的变化将引起桥面拱度和缆索索力的变化，如果只是靠常规试验是很难及时发现问题的。因此，对斜拉桥的重要部位，采用专项检测监控桥梁的技术状态，十分必要。专项检测包括索力测试、梁跨结构变位量测、梁塔振动测试。

2.2.1 索力的测试 恒载下缆索力的测定，可采用压电式加速度传感器或891型拾振器配合采集分析仪的方法量测其自振频率，从中发现缆索自振频率或缆索力的变化情况，以便确定下一步的工作方向，并建立好历年的观测记录。

索力测试的原理：把缆索视为两端固定的一根弦，根据弦的振动理论，对于给定的一根弦，其振动频率与其拉力相关。用公式表示为

式中：f为缆索的自振频率；

σ为缆索的恒载应力；

g为重力加速度；

r为缆索的换算容重；

l为缆索长度。

因此，测试索力，只需测试缆索自振频率即可。在实际运用中，每年测试完缆索自振频率后与原先建立的观测记录作比较，从中发现并解决问题。

从历年测试的全部144根缆索频率值来看，每组（6根一组，几何位置基本一致）的自振频率基本一致，数据保持稳定且有一定的规律性。如1997年8月新更换的缆索，它们的自振频率测值与同组的其它缆索接近，说明不同材质的缆索只要受力因素相同，其自振频率必定是一致的。

2.2.2 梁体变位量测 梁体变位的量测分为梁体动挠度和上拱度量测2种。梁体动挠度测点布置在跨中梁底，并用铁标尺固定。梁体上拱度测点布置在整个连续梁上，用铁件形式固定在挡碴槽上，并做好编号。动挠度一般用挠度仪量测。梁体上拱度观测一般用水平仪量测。

1）动挠度。采用挠度仪观测，荷载为过往列车。从1982年～2009年的观测结果来看，主跨下挠度测值变化不大，且小于通常值53 mm。

2）梁体上拱度。采用水平仪测量道碴槽上事先预埋好的38个测点高程。从1984年～2009年的观测结果来看，各测点的高程变化不大，历年的观测值与1984年第1次观测值接近。这说明影响梁体拱度变化的因素没有发生质的变化。

2.2.3 梁塔振动测试 主梁和塔顶的振动测试方法及仪器与常规试验基本相同。不同的是该方法用过往列车作为测试荷载，来测试梁体跨中垂直、横向水平、索塔的纵向和横向等振动特性，与常规试验相比可以更为机动地得到更多的测试数据。通过分析振动测试数据可以随时得出结构在列车动荷载作用下的振幅、加速度、强振频率值，掌握桥梁结构的动力特性。并可以很方便地加大梁塔振动测试密度，及时掌握全桥因缆索、索塔发生变化而带来的运营变化情况，将索力、梁变位量测值作为桥梁动力特性评估的依据。振动测试测点分别为在中跨中和边跨中布置横向、竖向振动测点各1个；塔顶布置横向、竖向振动测点各1个；墩顶布置横向测点1个。所用测试仪器为INV306采集分析仪、DASP分析软件、891型拾振器、滤波器等，也可选用其它普通的结构振动测试设备。

3 结束语

从历年专项检测项目采集到的波形来看，其振动波形匀称圆顺，没有异常情况出现。从谱图上看，频谱特性单一，能量集中，历年来自振频率没有发生明显变化。主跨垂直自振频率为1.35～1.50 Hz，主跨横向自振频率为1.50～1.60 Hz，全桥以主跨振型为主。与1981年、1994年，2009年中国铁道科学研究院的测试结果一致。

梁体跨中垂直、横向水平、索塔的纵向和横向振动振幅值随每次过往列车的载重不同而有所差异，但总体变化规律没有明显不同，各个部位的实测值满足规范要求。测试结果表明，桥梁的动力特性仍处于良好状态。同时也说明，目前所采用的安全监控措施和检测技术是较为成熟的，为推广使用铁路斜拉桥打下了坚实的基础。

〔1〕李国豪.桥梁结构稳定与振动〔M〕.北京：中国铁道出版社，2002.