公铁两用斜拉桥换索过程轨道线形控制技术研究

摘 要：本研究以芜湖长江大桥试验索更换为背景，对斜拉索更换过程中的主梁线形变化趋势以及轨道几何不平顺性进行研究。该桥是国内首次进行换索的公铁两用斜拉桥，主桥为180m+312m+180m的双塔双索面矮塔斜拉桥，全桥共有128根斜拉索，采用强度1670MPa、 直径7mm镀锌平行钢丝，分为4种规格，长度为41.624～123.042m。通过理论仿真计算与实时监测数据对比分析，结果表明，在换索期间，桥梁主梁线形变化与理论相符，轨形状态满足铁路运营标准，但斜拉索更换时应当重点关注边跨长索的更换过程。研究结果表明，更换单根斜拉索对公铁两用斜拉桥的轨道线形影响较小，符合规范安全要求，可为同类工程提供参考。

关键词：公路铁路两用桥；斜拉索更换；钢桁梁；轨形；实时监测

中图分类号：U 44" " " " " " " " 文献标志码：A

斜拉桥是跨越江海的一类重要的桥梁形式，而斜拉索作为斜拉桥重要且主要的受力构件，其健康状态对整个桥梁的运营寿命至关重要。根据规范规定，斜拉索的设计使用年限为20年，因此需要对超过该年限并存在安全隐患的旧索进行更换。

在斜拉索更换设计方面，专家通过深入计算与研究发现，在换索设计过程中，需要尽可能准确地模拟结构换索前的线形与索力，避免设计目标值与换索后的线形与索力产生较大偏差[1]。可以通过影响矩阵法来确定对拆索、张拉新索对结构索力、挠度和应力值的影响[2]。在无须中断铁路行车的状况下，对单根拉索进行更换是可行的[3]。在监控方面，专家通过工程案例总结了拉索更换的监控方法，分析了换索过程的监控数据，为同类工程提供了参考[4]。此外，还有专家详细介绍了监控理论计算、监控内容设计以及监控数据分析[5]。

然而，目前关于公路斜拉桥更换的研究较为充分，而对于公铁两用斜拉桥的更换工作研究却相对匮乏。因此，本文以国内首座公铁两用斜拉桥—芜湖长江大桥的三根斜拉索更换工程为背景，对换索过程中轨道与线形控制技术进行了相关研究。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

芜湖长江大桥是国内公铁两用斜拉桥，上层为双向四车道公路，下层为双线铁路，于2000年建成通车。主桥为（180+312+180）m双塔双索面矮塔斜拉桥。其中主梁为钢桁梁，桁宽12.5m，高13.5m，节间长12m。主塔为“Y”形塔。斜拉索于主塔两侧各设两索面，伞形布置，每个索面由间距0.9m的2组平行拉索组成，共8对，全桥共128根斜拉索。设计荷载等级为汽车-超20级、挂车-120、铁路中活载。

1.2 斜拉索概况

芜湖长江大桥斜拉索索体采用ø7mm镀锌平行钢丝束，标准抗拉强度1670MPa，外包双层高密度热挤聚乙烯护套以及螺旋缠包带，两端采用冷铸锚具作为索端头，用于塔梁锚固。当安装成桥时，塔梁两端设索导管，导管内置减振器，同时较长的索在桥面垂直高度2～3m处设外置减振架。

根据拉索长度和采用钢丝数量，可将全桥斜拉索分为短索、中长索和长索。而拉索的钢丝数量也被分为4种规格，分别为295根、283根、313根、337根。各索参数见表1。

1.3 试验索更换原则与检测结果

目前，芜湖长江大桥已运营超过20年，超过了斜拉索的设计使用年限，为保障桥梁后续的安全运营，须选择部分试验索进行更换，为后续全桥换索提供技术储备。为挑选试验索，在更换前对全桥128根斜拉索进行了专项检查。结果表明，斜拉索普遍存在PE护套破损、锚头锈蚀积水，索力退化及偏差等问题。无损检测显示约10%的拉索锈蚀等级被评定为II级。

根据检测结果，考虑更换索的施工难度、可操作性、工期等要求，确定本次更换的试验索为11XN-C1（简称C1），11XW-C6（简称C6），10XW-C8’（简称C8），并将新斜拉索钢丝的抗拉强度由1670MPa升至1770MPa。

2 斜拉索更换设计计算

在斜拉索更换设计阶段须对拉索卸载拆除过程中的轨形变化进行全面分析，并控制更换过程中的风险。因此，要建立全桥的有限元模型。

2.1 有限元模型

根据设计文件，采用Midas Civil建立全桥有限元模型，用于考察桥梁在换索过程中的主梁变形、轨形变形等表现。模型示意如图1所示。

建模过程采用一次成桥，同时，根据《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017）规范要求，设计荷载取主力与附加力组合。斜拉索更换过程从正常成桥状态-卸索状态-空索状态-张索状态-正常成桥状态，由于结构在旧索拆除完毕、新索张拉之前的空索状态受力最不利，因此以上模型在计算分析中均用该状态下的计算结果和初始状态进行对比分析。

2.2 主梁线形计算

以C6索更换为例，该索拆除后钢桁梁线形变化如图2所示。

由图2可知，拆除试验索后，左右侧轨下主梁的变形量相似。由于C6索拆除位置在中跨，因此导致横向和竖向变形最大的位置也在拆索点附近。此外，在拆索点处，变形量发生了突变，说明拆索对结构的线形平滑连续有一定的影响。

2.3 轨形影响计算

由于芜湖长江大桥为公铁两用桥，因此除了桥梁的受力状态需要满足规范要求外，铁路轨道的线形也需要满足《普速铁路线路修理规则》（TG/GE 102—2019）中轨道静态几何不平顺容许偏差管理值的要求。因此，根据主梁线形变化计算卸索后铁路轨道的几何不平顺状态是否满足规范中的高低、轨向、水平和三角坑等指标的要求。轨道的几种几何不平顺示意如图3所示。其中，高低为沿铁路前进方向，单根轨道某点与其前后10m范围内点所连线段的垂向最大高差。轨向为沿铁路前进方向，单根轨道某点与其前后10m范围内点所连线的横向最大差值。水平为同一线路两条铁轨在同一横截面上的竖向最大高差。而三角坑量化了两条铁轨出现的上下错位波动情况。

由上可知，当线形连续变化时，高低与轨向最大值会出现在轨形曲率值最大点处，因此，对变形量数据沿轨道延伸方向求曲率，可得图4。

由图可知，拉索拆除后，在拆索位置线形曲率有较大变化，因此该位置的轨向与高低值最大。经过计算对比，拆除位置的轨道不平顺值最大。综合上述计算结果，在主力作用下的最大值总结见表2。可以发现，卸索造成的轨道几何不平顺值远小于规范要求进行修补的限值。拆索后的结构变形呈现整体平缓下挠趋势，对轨道局部变位影响较小。

3 斜拉索更换过程监控

为保障换索过程中的桥梁结构安全，采用分级卸载与张拉的方式更换斜拉索，因此每级工况下，都须对主梁线形和轨形变化进行监控，与设计值和规范要求进行对比，以达到控制结构安全风险的目的。卸载与张拉过程均按照五点四级控制，即原桥索力的100%、80%、60%、40%、0%。

3.1 监控方法与内容

采用基于图像识别的智能挠度仪实时测量芜湖长江大桥的主梁线形，将光学采集仪设置在主塔上与主梁交点位置来保证稳定，靶标布置在铁路面纵弦杆处。同时辅以水准仪进行公路面线形测量，监测测点布局如图5所示。通过轨道检查车测量轨道集合不平顺，受铁路天窗点时间限制，仅在分级张拉和卸载的节点对主跨312m长度范围的轨形进行测量。在换索过程中，公路面为半幅通车状态，因此铁路面线形数据受车辆荷载影响，有较大波动。为准确读取换索过程中的主梁变形值，须对原始数据进行降噪处理，本次监控采用了经验模态分解（EMD）的降噪方法。原始数据经过处理后，大部分高频噪声已经被剔除，可以根据平滑的低频降噪数据选取稳定水平的片段读取结果。

3.2 监控数据与分析

在各级卸索张索工况下，通过布设测点监测的换索过程中的数据如下。

3.2.1 线形监测

由于铁路面线形是主要控制线形，因此仅展示铁路面线形的监测结果。根据测点图，以C6更换为例，其更换过程中的铁路面主桁架弦杆竖向变形量及其与理论值的对比如图6所示。

可以发现，在C6更换过程中，主桁变形实测值比理论值小，推测其原因是仪器测量误差造成。由于光电挠度仪的光学采集设备只能设置在主塔位置，因此该设备会受到主塔偏位影响而导致设备出现偏转，从而使结果出现误差，而且靶标距离设备的远近也会直接影响测量精度。尽管中长索换索过程中，实测值偏小，但在新索张拉完成后，主桁架出现的竖向变形均能回到卸索前的水平，说明结构在换索过程中与换索完成后处于安全状态。

3.2.2 铁路轨形监测

通过轨道检测车测量铁路轨形，受天窗点时间限制，无法在所有分级进行测量工作，因此对60%分级工况下的测量工作进行压缩。轨道不平顺各参数最大值汇总见表3。可以发现，换索过程中轨道不平顺各参数的变化均较小，且均小于临时修补要求的8mm，满足铁路通行要求。

4 结论

本文以芜湖长江大桥3根试验索的更换工程为背景，通过建立有限元模型，对公铁两用斜拉桥拉索更换过程中轨道线形的变化进行研究，得出以下结论。1）通过有限元模型计算发现拆除不同索对主梁的变形产生的影响不同，其中拆除短索引起的变形较小，而拆除长索引起的变形较大。拆索点处的变形发生了突变，对结构的线形平滑连续有一定的影响。但在新索张拉完成后，主桁架出现的竖向变形均能回到卸索前的水平。2）通过计算高低、轨向、水平和三角坑等指标，发现拆索后轨道最大不平顺值发生在拆索位置，但其最大值远低于规范要求的修补限值。3）通过对比实测数据与理论值，其结果趋势基本一致，说明实施过程安全可控。4）更换单根斜拉索对公铁两用斜拉桥的轨道线形影响较小，符合安全要求。

参考文献

[1]陈云峰. 双塔双索面混凝土斜拉桥换索技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2012.

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