鐵路橋梁無線測振系統(tǒng)的可靠性分析及應(yīng)用

張志國

(大秦鐵路股份有限公司工務(wù)檢測所，山西太原 030015)

1 概述

鐵路橋梁在使用過程中，由于常年頻繁受力，再加上大自然、自然災(zāi)害以及機(jī)動車輛等因素的侵襲，致使鐵路橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種損傷或局部破壞。隨著鐵路橋梁使用時間的增長，損傷也會越來越嚴(yán)重，為保障鐵路橋梁的安全運(yùn)營，延長其安全使用壽命，就要在檢測評估的基礎(chǔ)上，對那些承載能力、剛度、耐久性不能滿足新要求的部位或構(gòu)件，進(jìn)行有針對性地維修加固［2］。

隨著當(dāng)今高速客專鐵路日新月異的快速發(fā)展，尤其是我局大秦線重載的貨運(yùn)量不斷增大，既有橋梁經(jīng)受著前所未有的承載考驗(yàn)，采取有針對性地維修加固，其前提就是對橋梁進(jìn)行檢測，才能實(shí)現(xiàn)既經(jīng)濟(jì)又高效地延長既有鐵路橋梁的安全使用壽命。

橋梁檢測是一門與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系的技術(shù)學(xué)科，涉及到橋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算理論、儀器儀表性能、試驗(yàn)測試技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、現(xiàn)場試驗(yàn)組織等方面，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性、綜合性和復(fù)雜性［2］。從方法上分為靜載試驗(yàn)、動載試驗(yàn)和無損檢測;從工程階段上分為成橋試驗(yàn)和施工階段監(jiān)測控制;從時間上分為短期試驗(yàn)和長期試驗(yàn);從過程上分為準(zhǔn)備規(guī)劃階段、加載與觀測階段、分析總結(jié)階段［2］。從線路連接上來講，劃分為有線檢測、無線檢測。

本文著重對無線測振系統(tǒng)進(jìn)行論述，通過寧岢線44號橋同時采用有線和無線兩種測振系統(tǒng)所測橫向振幅的試驗(yàn)實(shí)例，檢驗(yàn)該無線測振系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而將該無線測振系統(tǒng)應(yīng)用在寧岢線48號橋橋墩的橫向振幅測試中。

2 無線測振系統(tǒng)的組成、參數(shù)及功能

2.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)分為現(xiàn)場測振單元和后臺監(jiān)控軟件兩部分，二者通過無線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及命令的雙向無線傳輸。后臺監(jiān)控軟件可同時管理32個現(xiàn)場測振單元(根據(jù)需要可擴(kuò)充現(xiàn)場測振單元)。通過后臺監(jiān)控軟件和測振單元之間的無線通信，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場測振單元的遙控、遙測和信息交互功能，可以及時得到所測信息。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2 系統(tǒng)配置及主要參數(shù)

本軟件運(yùn)行在Windows系列操作系統(tǒng)，要求筆記本電腦擁有最少一個RS232串行接口。系統(tǒng)主要參數(shù)如下:

1)測量范圍:位移0 mm～20.48 mm(單振幅)，加速度0 m/s2～5 m/s2，列車速度 5 km/h～199 km/h;

2)顯示分辨率:0.01;振動臺標(biāo)定誤差:≤5%;現(xiàn)場測量誤差:≤15%;

3)采樣頻率:≥100 Hz;

4)振動傳感器:891-4型拾振器;

5)測試通道:≤32個振動，1個速度;

6)無線數(shù)傳距離:≤2 km，工作頻率433 MHz，傳輸波特率9 600 bps;

7)三種工作方式:全自動觸發(fā)、采樣觸發(fā)、手動觸發(fā);

8)測振單元:外形尺寸170 mm×125 mm×90 mm，重量:＜2 kg;

9)使用條件:溫度范圍:-10℃ ～+50℃，相對濕度:≤85%;

10)電源:6VDC，可持續(xù)供電:≥10 h，可充電。

2.3 系統(tǒng)功能模塊

后臺監(jiān)控軟件由三個模塊構(gòu)成:

1)振動波形分析模塊(波形顯示、波形定位、波形縮放、波形保存、波形加窗、波形濾波、任意時段波形歸零、零點(diǎn)偏移、FFT分析、任意頻段歸零、頻率估算、極值統(tǒng)計(jì)等);

2)遠(yuǎn)程操作模塊(列車過后遠(yuǎn)程調(diào)用振動數(shù)據(jù)、列車通過時遠(yuǎn)程實(shí)時調(diào)用振動數(shù)據(jù)、通道設(shè)置、零點(diǎn)校正、遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程校時、時間查詢、狀態(tài)查詢、速度查詢、遠(yuǎn)程復(fù)位、實(shí)時FFT分析);

3)報(bào)表與打印模塊(圖形打印、極值統(tǒng)計(jì)報(bào)表)，系統(tǒng)設(shè)置模塊(顏色設(shè)置、串口設(shè)置、其他參數(shù)設(shè)置)，文件查看器，幫助模塊等等。

1)對振動波形進(jìn)行分析和顯示。2)遠(yuǎn)程管理現(xiàn)場測振單元及遠(yuǎn)程調(diào)用振動波形。相應(yīng)的，后臺監(jiān)控工作分為本地和遠(yuǎn)程兩類，本地是指軟件處理用戶U盤上的振動數(shù)據(jù)文件(現(xiàn)場測振單元采集到的數(shù)據(jù))，包括頻域波形分析、時域波形分析及波形分析結(jié)果的顯示、打印等功能。遠(yuǎn)程是指通過無線數(shù)據(jù)傳輸與現(xiàn)場測振單元進(jìn)行通信，包括遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程調(diào)用數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程實(shí)時調(diào)用數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程查詢等。

3 通過實(shí)例分析無線測振系統(tǒng)的可靠性

3.1 寧苛線44號橋墩頂振幅測試

該橋位于寧岢線五寨至安塘區(qū)間DK61+010處，于1969年9月建成竣工，為單線四跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋，跨徑為16 m+2-24 m+16 m，橋梁位于1‰和5.5‰坡道的直線上。橋墩為雙柱式鋼筋混凝土柔性墩，橋墩采用鉆孔樁基礎(chǔ)，樁徑1.0 m，樁長20.0 m，承臺采用250級鋼筋混凝土灌注;T形橋臺，橋臺為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，墩臺地基均為黃土質(zhì)砂粘土。

傳統(tǒng)的有線檢測儀器連接方式為:拾振器+放大器+數(shù)據(jù)采集儀+筆記本電腦，各儀器間用專用信號線連接。蘭州交通大學(xué)2009年6月采用有線方式對該橋進(jìn)行動靜載檢測，同年進(jìn)行維修加固，2010年10月采用有線方式對加固后的橋墩墩頂橫向振幅進(jìn)行了測試。

我局2011年7月采用有線和無線兩種方式同時對橋墩墩頂橫向振幅進(jìn)行了測試。試驗(yàn)荷載為通過該橋的列車荷載。

墩頂測點(diǎn)布置如圖2所示。

3.2 測試數(shù)據(jù)對比

歷年各橋墩橫向振幅最大值見表1。

表1 歷年各橋墩橫向振幅最大值

2011年無線測試的動態(tài)誤差以2011年有線測試的結(jié)果為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，從表1可以看出，無線檢測系統(tǒng)的動態(tài)誤差不大于±15%，符合總公司的有關(guān)規(guī)范規(guī)定。

入室盜竊案件發(fā)案展現(xiàn)出的高發(fā)時段規(guī)律，要求公安機(jī)關(guān)應(yīng)在案件高發(fā)時段加強(qiáng)巡防力量的部署，尤其加強(qiáng)居民區(qū)巡防力量的部署，同時可以發(fā)動群眾參與巡防，積極支持和鼓勵社區(qū)工作者和志愿者投身到巡防工作中，從而達(dá)到震懾犯罪分子的目的。同時，應(yīng)加強(qiáng)社區(qū)居民的安全教育，避免在案件高發(fā)時段留給犯罪分子可乘之機(jī)。鼓勵群眾安裝家庭安全防范系統(tǒng)，并與當(dāng)?shù)嘏沙鏊?lián)網(wǎng)也是一種較好的防范措施。

4 無線測振系統(tǒng)可靠性保障的前提條件

無線通信最容易受外界環(huán)境的影響，但是我們可以從以下幾方面進(jìn)行克服，從而保障無線設(shè)備采集數(shù)據(jù)的可靠性。

4.1 設(shè)備方面

1)拾振器擋位要設(shè)置恰當(dāng)。水平或豎向振動測量時，選擇2擋或3擋，相應(yīng)單元的遠(yuǎn)程配置參數(shù)擋位欄選擇要統(tǒng)一;測量加速度時，選用加速度測量單元，891-4擋位撥1擋，相應(yīng)的遠(yuǎn)程配置參數(shù)擋位欄要選擇1。

2)測振單元、通信單元提前充足電。每次使用前應(yīng)充電8 h～12 h。充電時，充電指示燈亮。三個月不用時應(yīng)充電一次，充電時間不少于10 h。

3)測試時，一定要在測振單元上插U盤，這是為了保存原始采集的數(shù)據(jù)。

4.2 軟件操作方面

1)測振單元編址。實(shí)測前，要對測振單元統(tǒng)一編址，若其放置于橋墩頂之后，編號就很費(fèi)人力。

2)測試前，建議采用廣播對時命令統(tǒng)一對時，使測振單元處于同一起始工作時間，便于后期數(shù)據(jù)分析處理。

3)測試時，要在測試空閑時，注意查詢各單元的電池電壓，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某單元電池電壓小于5.8 V時，應(yīng)及時充電或更換欠壓的單元。

4)當(dāng)列車離開橋不少于1 min后，方可用遠(yuǎn)程調(diào)用功能來觀測測振單元所記錄的最新一次振動數(shù)據(jù)。這是為了給測振單元留出寫U盤的時間。

5)遠(yuǎn)程調(diào)用或?qū)崟r調(diào)用正在進(jìn)行時，嚴(yán)禁其他遠(yuǎn)程操作。

6)測試時，嚴(yán)禁使用遠(yuǎn)程“編址”功能，否則，所有單元將使用同一個單元號。系統(tǒng)調(diào)用時會出現(xiàn)混亂，嚴(yán)重時會死機(jī)。

7)在FFT分析時，振動單元采樣頻率與系統(tǒng)分析頻率要一致，否則FFT分析結(jié)果出錯。

4.3 環(huán)境方面

1)遠(yuǎn)離磁場強(qiáng)的地方。尤其是在加速度測試時應(yīng)遠(yuǎn)離磁場強(qiáng)的地方，以免干擾。

2)操作臺位置的選擇。操作臺應(yīng)選擇在人員走動少、能擋風(fēng)遮雨的地方，搭建儀器棚。

5 無線測振系統(tǒng)的推廣應(yīng)用

5.1 無線測振系統(tǒng)推廣應(yīng)用的優(yōu)勢

1)應(yīng)用環(huán)境要求少，適應(yīng)性強(qiáng)。在遇到一些特殊的應(yīng)用環(huán)境，諸如單孔梁體、自然災(zāi)害沖刷橋墩等情況時，傳統(tǒng)的有線連接就顯得費(fèi)時費(fèi)力。而無線設(shè)備就能很好適應(yīng)這種惡劣的地理環(huán)境。例如，2013年2月15日曲亭水庫垮壩，沖刷南同蒲150A橋，第一時間，采用無線測振系統(tǒng)，通過測試橋梁墩頂中心橫向振幅及墩頂四角的垂直振幅，判斷該橋墩臺的穩(wěn)定性，為領(lǐng)導(dǎo)的搶險(xiǎn)決策提供理論依據(jù)。

2)若需增加測點(diǎn)，擴(kuò)展性好。倘若某一測點(diǎn)需要調(diào)換或增加，如果采用有線的方式，則需要重新布線，費(fèi)時費(fèi)力，有些情況就來不及進(jìn)行調(diào)換或增加。而無線方式顯得容易，調(diào)換或增加一個測振單元與通信單元無線連接即可。這種情況是測試時經(jīng)常遇到的情況。

3)測振單元、通信單元出現(xiàn)故障，容易維護(hù)。倘若在測試前或測試中，發(fā)現(xiàn)某個或多個測點(diǎn)不響應(yīng)，采集不到數(shù)據(jù)，如果采用有線的方式，就需檢查連接線接頭是否虛接等故障點(diǎn)，非常繁瑣。而采用無線方式就只需檢查無線單元，快速找出問題所在，及時解決。

4)測試前檢測設(shè)備布置、調(diào)試等準(zhǔn)備工作，不需專門的“天窗點(diǎn)”或“封鎖點(diǎn)”，安全壓力小。目前人員上線作業(yè)的規(guī)章要求越來越嚴(yán)，安全壓力越來越大，像傳統(tǒng)的有線方式，在線路兩側(cè)步行板上來回穿梭布線，安全隱患多。若采用無線方式，則顯得更安全、更容易操作。

5)綜合成本低。盡管一個無線單元比一段信號線要貴，但是考慮到人力、時間、安全等成本，并且該單元能夠重復(fù)使用，相對傳統(tǒng)的有線方式，綜合成本就較低。

6)操作技術(shù)要求不高，容易上手。像傳統(tǒng)的有線檢測設(shè)備，需要專業(yè)技術(shù)人員操作，才能準(zhǔn)確采集到數(shù)據(jù)。該無線測振系統(tǒng)，只需短時培訓(xùn)后，即可上手操作，有利于在工務(wù)段普及。

5.2 寧苛線48號橋墩頂橫向振幅測試實(shí)例

該橋位于寧岢線安塘至秦家莊區(qū)間DK79+265處，于1970年2月建成竣工，為單線四跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋，跨徑為24 m+2-32 m+24 m，橋梁位于-10.5‰和-10.6‰坡道的直線、緩和曲線及圓曲線上。橋墩為工字形鋼筋混凝土輕型墩，橋墩采用鉆孔樁基礎(chǔ)，樁徑1.0 m，樁長20.0 m，承臺采用250級鋼筋混凝土灌注，墩臺地基為黃土質(zhì)砂粘土。2009年維修加固。

2011年我局對該橋進(jìn)行橋墩橫向振幅的測試。設(shè)備采用無線測振系統(tǒng)，試驗(yàn)荷載為通過該橋的列車荷載。

在不同列車荷載作用下，實(shí)測各橋墩墩頂中心橫向振幅，經(jīng)過專用軟件分析，得出各橋墩墩頂?shù)臋M向振幅最大值見表2。

各橋墩墩頂橫向幅值曲線見圖3～圖5。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)顯示，實(shí)測各橋墩墩頂中心橫向振幅最大值均小于《橋檢規(guī)范》規(guī)定的通常值。

表2 各橋墩墩頂?shù)臋M向振幅最大值

6 結(jié)語

隨著無線通信、數(shù)字化電子行業(yè)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，低成本、低功耗、多功能的無線檢測單元會變得越來越小，并且無線傳輸精確度更高。不僅僅無線測振系統(tǒng)會更加成熟、可靠，而且橋梁的整個無線檢測技術(shù)將會更加快捷、準(zhǔn)確、靈活地服務(wù)于橋梁狀態(tài)的監(jiān)測，更加智能化，實(shí)現(xiàn)隨時隨地查看所想了解的某一橋梁的技術(shù)狀態(tài)，節(jié)省大量人力、物力、財(cái)力，為保障高鐵和重載鐵路運(yùn)輸安全奠定技術(shù)之基，同時帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

［1］ 劉自明，王邦楣.橋梁工程檢測手冊［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］ 張俊平，周建賓.橋梁檢測與維修加固［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］ 王建華，孫勝江.橋涵工程試驗(yàn)檢測技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］ 鐵運(yùn)函［2004］120號，鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.