付俊俊

(上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 201108)

隨著軌道交通運(yùn)營(yíng)里程的日益增加，軌道交通橋梁得到迅猛發(fā)展。但針對(duì)服役期軌道交通橋梁的檢測(cè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)尚未頒布，各檢測(cè)單位大多以公路、市政橋梁檢測(cè)評(píng)定規(guī)范為基礎(chǔ)，參照鐵路橋梁檢測(cè)規(guī)范對(duì)其進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定。而軌道交通橋梁與公路、市政橋梁在結(jié)構(gòu)形式、荷載作用、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等方面存在較大差異，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)評(píng)定指標(biāo)不盡相同，且限值大小有差異；《鐵路橋梁檢定規(guī)范》主要偏向于承載能力檢算，且是基于部件評(píng)估，未提及橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，也無(wú)法對(duì)全橋進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定。上述原因?qū)е箩槍?duì)同一座服役期軌道交通橋梁，不同檢測(cè)單位評(píng)定指標(biāo)不同、評(píng)定等級(jí)不同的情況經(jīng)常發(fā)生。因此，在公路、市政橋梁檢測(cè)評(píng)定規(guī)范的基礎(chǔ)上，考慮軌道交通橋梁的特殊性，構(gòu)建服役期軌道交通橋梁檢測(cè)評(píng)定關(guān)鍵指標(biāo)非常必要。該文從橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全性、軌道車輛運(yùn)營(yíng)安全性和乘坐人員舒適性角度出發(fā)，在公路、市政橋梁檢測(cè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合鐵路橋梁檢測(cè)規(guī)范，通過(guò)德?tīng)柗品êY選軌道交通橋梁的關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)，并對(duì)部分關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行理論分析，為軌道交通橋梁技術(shù)狀況評(píng)定提供技術(shù)支撐。

1 關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)的初次篩選

軌道交通橋梁作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，影響其運(yùn)營(yíng)安全和行車舒適性的因素多且復(fù)雜，大多數(shù)因素只能定性描述，無(wú)法準(zhǔn)確定量。對(duì)于砼破損、鋼筋銹蝕、砼保護(hù)層厚度等普遍性檢測(cè)指標(biāo)，技術(shù)狀況評(píng)定時(shí)一般直接參考公路、市政橋梁。而軌道交通橋梁對(duì)結(jié)構(gòu)自身響應(yīng)要求較嚴(yán)，除上述普遍性檢測(cè)指標(biāo)外，還有部分區(qū)別于公路、市政橋梁的關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、設(shè)計(jì)單位和檢測(cè)單位走訪，確定上部結(jié)構(gòu)姿態(tài)變化、邊界條件變化、關(guān)鍵構(gòu)件振動(dòng)和關(guān)鍵構(gòu)件損傷4類，梁端轉(zhuǎn)角、梁端空隙等9個(gè)小類關(guān)鍵檢測(cè)評(píng)定指標(biāo)(見(jiàn)表1)。

表1 初次篩選的軌道交通橋梁關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)

2 基于德?tīng)柗品ǖ年P(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)二次識(shí)別

2.1 德?tīng)柗品ê?jiǎn)介

德?tīng)柗品ㄓ址Q專家調(diào)查修正法，主要針對(duì)預(yù)測(cè)參數(shù)通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查獲取專家意見(jiàn)，根據(jù)專家意見(jiàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行增減，尋求意見(jiàn)逐漸收斂，確定最終指標(biāo)。其基本步驟：1)通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等確定預(yù)測(cè)參數(shù)并制作問(wèn)卷調(diào)查表；2)通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查向熟悉該行業(yè)的專家征詢意見(jiàn)；3)收到專家的反饋意見(jiàn)后對(duì)預(yù)測(cè)參數(shù)進(jìn)行整理、研判，并根據(jù)修正后參數(shù)進(jìn)行下一輪問(wèn)卷調(diào)查，直到專家意見(jiàn)一致性較高，結(jié)束問(wèn)卷調(diào)查，篩選關(guān)鍵指標(biāo)，形成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2.2 調(diào)查實(shí)施

邀請(qǐng)10名專家，包括2名檢測(cè)單位教授級(jí)高工、3名檢測(cè)單位高工、2名設(shè)計(jì)單位高工、1名業(yè)主單位高工，均為橋梁工程專業(yè)專家。采用微信小程序向10名專家投遞調(diào)查表進(jìn)行2輪問(wèn)卷調(diào)查，請(qǐng)專家對(duì)初次篩選的9個(gè)指標(biāo)按照重要性程度分別按10、7、4、0(很重要、重要、一般、不重要)進(jìn)行打分。調(diào)查表設(shè)有指標(biāo)補(bǔ)充欄，便于專家進(jìn)一步補(bǔ)充完善。

(1)專家積極系數(shù)。用調(diào)查表的有效回收率表示。調(diào)查第1輪、第2輪均發(fā)出問(wèn)卷10份，收回有效問(wèn)卷10份，支持系數(shù)均為100%，專家積極系數(shù)較高。

(2)專家權(quán)威程度。包括專家對(duì)調(diào)查事項(xiàng)的熟悉程度和自我判斷依據(jù)2個(gè)指標(biāo)，權(quán)威程度取2個(gè)指標(biāo)的平均值。10位專家均為橋梁專業(yè)的高工，長(zhǎng)期從事相關(guān)工作，權(quán)威程度為0.94，一般不小于0.70即可接受。參與調(diào)查的專家的權(quán)威性較高，調(diào)查結(jié)果可信。

(3)指標(biāo)篩查情況。經(jīng)過(guò)2輪指標(biāo)篩查后，初步擬定的9項(xiàng)指標(biāo)中，支座變位、鋼軌螺栓和聯(lián)結(jié)零件劣化及護(hù)軌和鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器損傷、失效3個(gè)指標(biāo)被剔除，其余指標(biāo)專家意見(jiàn)趨于一致，新增鋼梁疲勞損傷指標(biāo)，最終形成7個(gè)軌道交通橋梁關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)(見(jiàn)表2)。

表2 軌道交通橋梁關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)專家咨詢結(jié)果

2.3 專家意見(jiàn)協(xié)調(diào)程度及顯著性檢驗(yàn)

經(jīng)過(guò)2輪專家問(wèn)卷調(diào)查后，7個(gè)關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)的算術(shù)平均值為8.2～9.4，滿分頻率為30%～80%，變異系數(shù)為12.77%～17.92%(見(jiàn)表2)。一般以滿分比大于20%且變異系數(shù)小于20%為篩選標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此認(rèn)為專家咨詢結(jié)果可信。同時(shí)，Kendall系數(shù)為0.77～0.95，比較接近1，表明表2所示關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)的收斂性較好，專家的認(rèn)可度較一致。

3 關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)研究

3.1 上部結(jié)構(gòu)姿態(tài)變化指標(biāo)

上部結(jié)構(gòu)姿態(tài)變化指標(biāo)包括梁端轉(zhuǎn)角和梁端空隙。梁端轉(zhuǎn)角會(huì)導(dǎo)致墩頂處軌道扣件系統(tǒng)產(chǎn)生附加上拔力，易使扣件系統(tǒng)疲勞、失效。目前中國(guó)鐵路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)采用強(qiáng)度、基頻和梁端轉(zhuǎn)角共同控制，要求有砟軌道梁端轉(zhuǎn)角≤3%、無(wú)砟軌道≤1.5%。對(duì)于服役期橋梁，鐵路橋梁規(guī)定主梁彎曲矢度不超過(guò)跨度的1/1 000，進(jìn)而控制梁端轉(zhuǎn)角。軌道交通橋梁目前暫未作出限值要求。

針對(duì)梁端空隙，目前《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》綜合施工誤差、溫度變形、彈性變形等因素對(duì)梁端最大空隙提出了限值要求(見(jiàn)表3)，同時(shí)對(duì)于服役期橋梁，《鐵路橋梁檢定規(guī)范》要求梁端空隙最小值≥2 mm(見(jiàn)表4)。公路市政和軌道交通橋梁相關(guān)規(guī)范對(duì)梁端空隙最大值和最小值均未作要求。

表3 鐵路橋梁梁端空隙設(shè)計(jì)允許值

表4 鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)期梁端空隙檢定標(biāo)準(zhǔn)

雖然公路和軌道交通橋梁規(guī)范中均未對(duì)梁端間隙作出規(guī)定，但過(guò)大的間隙和過(guò)小的間隙均不合適。對(duì)于軌道交通橋梁，過(guò)大的間隙會(huì)導(dǎo)致軌道梁下方無(wú)支撐而發(fā)生變形，影響行車舒適性和安全性；頂死的梁端可能導(dǎo)致橋梁內(nèi)力變化、軌道變形，也將影響行車舒適性和安全性。因此，這一指標(biāo)應(yīng)在運(yùn)營(yíng)檢測(cè)中測(cè)試。

3.2 邊界條件變化指標(biāo)

基礎(chǔ)沉降對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要包括均勻沉降和沉降差，其中沉降差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響更顯著。橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)沉降的要求非常嚴(yán)格，特別是高速鐵路橋梁(見(jiàn)表5)?；A(chǔ)沉降對(duì)高速鐵路的影響更多體現(xiàn)在無(wú)砟軌道橋梁上，因?yàn)闊o(wú)砟軌道對(duì)沉降變形的自適應(yīng)性能較差，軌道的幾何調(diào)整能力有限，沉降變形大會(huì)導(dǎo)致軌道線形平順性惡化，影響行車安全。為此，曾有學(xué)者提出，橋梁基礎(chǔ)工后沉降能否控制在規(guī)定范圍內(nèi)決定高速鐵路橋梁能否順利鋪設(shè)無(wú)砟軌道，德國(guó)更是提出“工后零沉降”的要求。上海地區(qū)多為軟土地基，基礎(chǔ)工后沉降更明顯，軌道交通橋梁的基礎(chǔ)沉降應(yīng)作為檢測(cè)評(píng)定指標(biāo)。

表5 靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值 mm

3.3 關(guān)鍵構(gòu)件振動(dòng)指標(biāo)

3.3.1 主梁豎向振動(dòng)

研究表明，對(duì)于設(shè)計(jì)速度在120 km/h及以下的軌道交通橋梁，列車運(yùn)行產(chǎn)生的激振頻率一般為1.0～l.5 Hz。對(duì)于目前設(shè)計(jì)體系下軌道交通用簡(jiǎn)支梁，自振頻率遠(yuǎn)在激振頻率范圍外，故軌道交通橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中未直接對(duì)橋梁的豎向自振頻率進(jìn)行限制。但對(duì)于像上海地鐵11號(hào)線跨滬寧(上?！暇?高速公路大橋(75.5 m+129 m+75.5 m)這樣的大跨徑橋梁，其豎向振動(dòng)頻率較小，列車高速行駛可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象。該橋位處實(shí)際列車運(yùn)營(yíng)的最高速度限制在70 km/h。鐵路橋梁對(duì)橋面豎向加速度和車體豎向加速度均作了明確限值要求(見(jiàn)表6)。在結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，有必要結(jié)合列車行駛速度對(duì)結(jié)構(gòu)豎向自振特性進(jìn)行檢測(cè)，特別是對(duì)于剛度較小的大跨度軌道交通橋梁。

此外，根據(jù)表6，在設(shè)計(jì)階段，考慮運(yùn)營(yíng)速度的差別，軌道交通橋梁并未像鐵路橋梁那樣限制橋面豎向加速度。但從運(yùn)營(yíng)期檢測(cè)角度出發(fā)，建議將軌道交通橋梁橋面豎向加速度作為檢測(cè)指標(biāo)，從安全性角度對(duì)運(yùn)營(yíng)期橋面豎向加速度進(jìn)行檢測(cè)，確保列車運(yùn)營(yíng)安全。

表6 軌道交通橋梁和鐵路橋梁豎向加速度限值

3.3.2 主梁橫向振動(dòng)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般梁式橋的橫向一階自振頻率在豎向一階自振頻率之后出現(xiàn)，且隨跨徑的增加而減小。相較于豎向剛性的橋墩支撐，橫向一般依靠支座的約束力，故橫向安全需重點(diǎn)關(guān)注。針對(duì)橫向振幅，鐵路橋梁僅考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式、材料等，未考慮列車載重和車速。而現(xiàn)有研究表明，同一車速下列車空載過(guò)橋時(shí)橋梁的橫向振幅明顯高于重載。因此，對(duì)軌道交通橋梁進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定時(shí)，有必要在不同時(shí)段、不同車速時(shí)進(jìn)行橫向振幅檢測(cè)。

軌道交通橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范和鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范都從列車乘坐舒適性的角度對(duì)列車橫向加速度進(jìn)行了限制(見(jiàn)表7)，同時(shí)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》對(duì)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中振動(dòng)加速度進(jìn)行了限制，有必要參考鐵路橋梁的規(guī)定，在軌道交通橋梁運(yùn)營(yíng)期對(duì)橋梁橫向加速度進(jìn)行測(cè)試，并按照鐵路橋梁1.4 m/s2的限值進(jìn)行安全性評(píng)定。

表7 軌道交通橋梁和鐵路橋梁橫向加速度限值

3.3.3 墩頂橫向振動(dòng)

出于節(jié)約成本和城市空間利用等考慮，類似武漢輕軌1號(hào)線的高墩橋梁越來(lái)越多地被應(yīng)用于城市軌道交通中。而隨著橋墩高度的增加，橋墩的橫向自振頻率逐漸降低，當(dāng)橋墩橫向自振頻率低于上部結(jié)構(gòu)主梁時(shí)，對(duì)全橋橫向振動(dòng)的影響會(huì)顯著加大。《鐵路橋梁檢定規(guī)范》及《鐵路橋隧建筑物大修維修規(guī)則》采用墩頂橫向最大振幅和最低頻率2個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)橋墩在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的剛度狀態(tài)。

表8為軌道交通橋梁和鐵路橋梁橋墩剛度特點(diǎn)對(duì)比。由表8可知：軌道交通橋梁橋墩剛度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于鐵路橋梁略有降低，這與軌道交通車速、運(yùn)載力等參數(shù)適配。針對(duì)軌道交通橋梁墩頂振動(dòng)的檢測(cè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的取值也應(yīng)體現(xiàn)與軌道交通橋梁與鐵路橋梁的差異。

表8 橋墩剛度設(shè)計(jì)允許值

3.4 關(guān)鍵構(gòu)件損傷指標(biāo)

在調(diào)查表意見(jiàn)欄，10位專家一致建議(4位10分，6位7分)軌道交通橋梁關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)應(yīng)考慮鋼梁疲勞損傷。中國(guó)城市軌道交通服役期橋梁鋼橋占比大，而且后續(xù)會(huì)逐年增加，發(fā)生疲勞破壞的基數(shù)較大；另一方面，鋼梁的疲勞破壞為脆性破壞，無(wú)明顯塑性變形，難以在破壞前采取有效預(yù)防措施，而一旦發(fā)生疲勞破壞，將造成巨大人員傷亡事故。因此，城市軌道交通橋梁和鐵路橋梁規(guī)范均對(duì)鋼結(jié)構(gòu)主梁有嚴(yán)格要求。對(duì)于服役期鋼橋，鐵路橋梁檢測(cè)規(guī)范通過(guò)疲勞應(yīng)力截止限檢驗(yàn)、疲勞損傷度檢驗(yàn)及運(yùn)營(yíng)應(yīng)力譜進(jìn)行疲勞損傷檢測(cè)。而軌道交通橋梁尚未提及，應(yīng)在公路、市政橋梁關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁檢測(cè)評(píng)定指標(biāo)的基礎(chǔ)上，參照鐵路橋梁檢測(cè)規(guī)范，對(duì)軌道交通鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行疲勞損傷檢測(cè)判定。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)德?tīng)柗品?gòu)建軌道交通橋梁關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)，收斂性較好，專家認(rèn)可度較一致，可為軌道交通橋梁檢測(cè)評(píng)定提供借鑒。對(duì)軌道交通橋梁進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定時(shí)，應(yīng)在公路、市政橋梁檢測(cè)規(guī)范的基礎(chǔ)上，將上部結(jié)構(gòu)姿態(tài)變化、邊界條件變化、關(guān)鍵構(gòu)件振動(dòng)、關(guān)鍵構(gòu)件損傷納入檢測(cè)評(píng)定范圍。

該文僅研究了軌道交通橋梁的關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)，各指標(biāo)的具體取值還需結(jié)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)營(yíng)實(shí)際進(jìn)一步研究。