高速鐵路大跨度橋梁運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

岳青，吳來(lái)義，朱利明，毛國(guó)輝，劉有橋，丁幼亮

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430050;2.南京工業(yè)大學(xué)軌道交通與橋隧診治研究中心，江蘇南京210009; 3.東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210096)

高速鐵路大跨度橋梁運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

岳青1，吳來(lái)義1，朱利明2，毛國(guó)輝1，劉有橋1，丁幼亮3

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430050;2.南京工業(yè)大學(xué)軌道交通與橋隧診治研究中心，江蘇南京210009; 3.東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210096)

從高速鐵路大跨度橋梁運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)需求出發(fā)，結(jié)合大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與電子化人工巡檢相結(jié)合的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、電子化人工巡檢、數(shù)據(jù)分析處理及數(shù)據(jù)管理。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括橋址環(huán)境、外部荷載、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、動(dòng)力特性、特殊設(shè)備和結(jié)構(gòu)表觀病害。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)分析、特征值提取、相關(guān)分析、回歸分析等分析方法，從而掌握大跨度橋梁在運(yùn)營(yíng)階段的力學(xué)行為，提供橋梁養(yǎng)護(hù)管理決策。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)在線(xiàn)信息查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。本文提出的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案已應(yīng)用于京滬高鐵南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋和石鄭鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鄭州黃河公鐵兩用橋的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)，減少了人工檢測(cè)的工作量，為養(yǎng)護(hù)管理人員提供了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

高鐵大跨度橋梁 運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè) 測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置 電子化巡檢 數(shù)據(jù)分析

高速鐵路是現(xiàn)代科技的產(chǎn)物，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)高速鐵路發(fā)展起步雖晚，但發(fā)展最快［1］。經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，我國(guó)已建成了世界上規(guī)模最大、運(yùn)營(yíng)速度最高的高速鐵路網(wǎng)。截止2013年12月底，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已超過(guò)13 000 km，占全球高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的50%以上［2］。為確保高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，全線(xiàn)采用封閉行車(chē)模式，因此橋梁比例顯著增大，京津城際鐵路的橋梁占88%，京滬高速鐵路的橋梁占80%，其中大跨度橋梁成為高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)。

大跨度橋梁具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模宏大的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)階段和運(yùn)營(yíng)階段全面掌握其力學(xué)行為是困難的。定期對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定，缺少整體性和連續(xù)性，且影響列車(chē)的正常運(yùn)營(yíng)，對(duì)于繁忙的鐵路干線(xiàn)甚至難以實(shí)施。因此，對(duì)大跨度高速鐵路橋梁進(jìn)行運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)是十分必要的。

1 工程背景

京滬高速鐵路大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋［3-4］為六線(xiàn)高速鐵路特殊橋梁。橋上有雙線(xiàn)京滬高速鐵路及雙線(xiàn)滬漢蓉鐵路，外側(cè)搭載南京雙線(xiàn)地鐵。京滬高速鐵路正線(xiàn)設(shè)計(jì)行車(chē)速度300 km/h。主橋長(zhǎng)度1 615 m，采用2× (84+84)m連續(xù)鋼桁梁+1×(108+192+336+336 +192+108)m連續(xù)鋼桁拱結(jié)構(gòu)，橫橋向采用三桁承重結(jié)構(gòu)，橋面為正交異性板整體橋面，支座采用特制球型鋼支座，最大支座反力達(dá)180 000 kN。主橋兩端設(shè)有特制梁端伸縮裝置和軌道伸縮調(diào)節(jié)器，最大伸縮量為500 mm。大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋具有高速、大跨、重載等技術(shù)特點(diǎn)，獲得國(guó)際橋協(xié)的喬治·理查德森大獎(jiǎng)。

石鄭鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鄭州黃河公鐵兩用橋［5-6］上層通行6車(chē)道高速公路，下層為雙線(xiàn)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)。大橋主橋全長(zhǎng)1 684.35 m，共兩聯(lián)，第一聯(lián)為(120+5×168+ 120)m 6塔連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，第二聯(lián)為(120.95+3 ×120+120.95)m連續(xù)鋼桁梁橋。第一聯(lián)主梁為兩片邊桁傾斜的空間三片桁架結(jié)構(gòu)形式，主桁桿件截面為平行四邊形。上層公路橋面采用預(yù)制混凝土橋面板，下層鐵路橋面采用正交異性整體鋼橋面板。大橋是世界上第一次在標(biāo)準(zhǔn)公鐵兩用客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)上采用6塔連續(xù)單索面的大跨度鋼桁梁斜拉橋。

2 運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總則

2．1總體設(shè)計(jì)思路

大跨高速鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試反映大橋環(huán)境激勵(lì)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)及行車(chē)安全方面的某些信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋的工作性能和評(píng)價(jià)大橋的工作條件，以保證大橋的運(yùn)營(yíng)安全，為大橋的養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)依據(jù)?？傮w設(shè)計(jì)思路為:對(duì)人工日常巡檢無(wú)法檢測(cè)的結(jié)構(gòu)工作性能和人工無(wú)法到達(dá)的隱蔽部位進(jìn)行監(jiān)測(cè);準(zhǔn)確地把握橋梁在各種荷載下真實(shí)的受力及變形情況;評(píng)判在突發(fā)性事件(如強(qiáng)烈地震、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等)后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。另外，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)者和建造者是非常重要的資料，這些監(jiān)測(cè)資料可以提高人們對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，為今后類(lèi)似工程提供設(shè)計(jì)和建造依據(jù)。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)及功能

大跨高速鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與人工巡檢相結(jié)合的技術(shù)路線(xiàn)，系統(tǒng)包括自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、電子化人工巡檢、數(shù)據(jù)分析處理及數(shù)據(jù)管理4個(gè)分系統(tǒng)。其中自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)和電子化人工巡檢分系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其主要功能是獲取橋梁各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為橋梁健康狀態(tài)評(píng)估提供及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)分析處理分系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其主要功能是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和橋梁結(jié)構(gòu)健康評(píng)估;數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的中心和目標(biāo)，其主要功能是為各個(gè)分系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口、建立數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理，同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果應(yīng)用于橋梁養(yǎng)護(hù)管理。

3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置

要充分發(fā)揮大橋運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用，在建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)從數(shù)據(jù)分析和管養(yǎng)的需要出發(fā)，確定監(jiān)測(cè)內(nèi)容;在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)，可以充分利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出的全部信息和其它綜合信息。因此，建立運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的首要問(wèn)題就是合理確定監(jiān)測(cè)內(nèi)容［7］，選取的監(jiān)測(cè)內(nèi)容是否恰當(dāng)，直接關(guān)系到整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性。

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

大跨度高速鐵路橋梁的監(jiān)測(cè)內(nèi)容首先應(yīng)從運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修角度出發(fā)，特別是人工不易檢測(cè)的關(guān)鍵部位的受力、變形及振動(dòng)情況。其次，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)階段的受力特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)其重點(diǎn)部位及構(gòu)件的工作狀況。此外，監(jiān)測(cè)內(nèi)容還需根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自身要求選擇合適的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，主要考慮到監(jiān)測(cè)手段的可行性等。

根據(jù)大跨度高速鐵路橋梁的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)以動(dòng)力監(jiān)測(cè)為主、靜力監(jiān)測(cè)為輔。具體監(jiān)測(cè)內(nèi)容可分為橋址環(huán)境監(jiān)測(cè)、外部荷載監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)、動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)、特殊設(shè)備監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)表觀病害監(jiān)測(cè)。

橋址環(huán)境監(jiān)測(cè)。風(fēng)對(duì)大跨度高速鐵路橋梁橫向振動(dòng)和拉索、吊桿的局部振動(dòng)影響顯著;大跨度橋梁通常都是超靜定結(jié)構(gòu)，溫度引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力不容忽視，設(shè)計(jì)采用的溫度場(chǎng)與實(shí)際情況存在一定差別;濕度對(duì)鋼橋銹蝕影響顯著。

受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)。高速鐵路橋梁整體剛度大，但由于交通繁忙，橋面板局部頻繁承受交變荷載，因此應(yīng)力監(jiān)測(cè)方面?zhèn)戎赜谄趹?yīng)力監(jiān)測(cè)。

振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)。橋梁橫向振動(dòng)會(huì)帶動(dòng)軌道一起振動(dòng)，引起軌道的橫向變形，增加輪軌之間的橫向作用力，影響行車(chē)安全。根據(jù)文獻(xiàn)［8］，當(dāng)橋面板豎向振動(dòng)超過(guò)一定限值時(shí)會(huì)引起道砟塌陷，影響軌道線(xiàn)形和行車(chē)安全。因此，振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)是大跨度高鐵橋梁監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)線(xiàn)形監(jiān)測(cè)。橋梁線(xiàn)形反映了橋梁整體剛度和工作性能的變化，也是保證行車(chē)安全的重要衡量指標(biāo)。

支座位移監(jiān)測(cè)。橋梁運(yùn)營(yíng)期間，主梁和支座在荷載作用下可視為協(xié)調(diào)變形，其位移能夠反映出主梁、支座以及梁端伸縮縫是否處于正常工作狀態(tài)。

行車(chē)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。與公路橋梁相比，鐵路橋梁列車(chē)荷載明確，列車(chē)行車(chē)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可以作為實(shí)測(cè)荷載用于結(jié)構(gòu)反演仿真計(jì)算，同時(shí)也可作為系統(tǒng)觸發(fā)式采集的“開(kāi)關(guān)”。

3.2 測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化布置

考慮到經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)等原因，在整座橋梁所有自由度上安裝傳感器是不可能也是不現(xiàn)實(shí)的，只能通過(guò)有限的傳感器獲取橋梁健康狀況信息。因此就需要對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布置，以達(dá)到用最少的傳感器完成必要項(xiàng)目監(jiān)測(cè)的目的。

目前，關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置大多是基于經(jīng)驗(yàn)，但是僅憑經(jīng)驗(yàn)不能保證傳感器測(cè)點(diǎn)的布點(diǎn)質(zhì)量。傳感器測(cè)點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)遵循“從狀態(tài)評(píng)估的需要出發(fā)，以有效性和經(jīng)濟(jì)性為主，使測(cè)點(diǎn)能夠發(fā)揮最大效應(yīng)”的原則［9］。主要依據(jù)如下:①監(jiān)測(cè)信息的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)力學(xué)行為、響應(yīng)的數(shù)據(jù)量等;②根據(jù)橋梁靜、動(dòng)力計(jì)算結(jié)果確定監(jiān)測(cè)部位，結(jié)構(gòu)空間變形控制點(diǎn)、最大應(yīng)力分布及幅值變化的位置、可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置、動(dòng)力響應(yīng)敏感點(diǎn)等;③在有限元分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用相關(guān)優(yōu)化理論進(jìn)行測(cè)點(diǎn)優(yōu)化;④設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思想，安全評(píng)估需求;⑤橋梁專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)與建議，以及國(guó)內(nèi)外其它類(lèi)似結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置原則，對(duì)大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋和鄭州黃河公鐵兩用橋進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置。兩橋分別布設(shè)了116個(gè)和92個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)總體布置見(jiàn)圖1［3］和圖2［6］。

圖1 大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋測(cè)點(diǎn)總體布置

圖2 鄭州黃河公鐵兩用橋測(cè)點(diǎn)總體布置

4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)是通過(guò)合理布置傳感器，按照一定的采集和傳輸策略，自動(dòng)獲取環(huán)境作用和結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳感測(cè)試系統(tǒng)，包括用于獲取自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理分析所需的硬件和軟件，由傳感器、信號(hào)采集與傳輸模塊組成。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):傳感器和采集系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性好;系統(tǒng)可以連續(xù)采集、運(yùn)行;能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)實(shí)時(shí)、同步采集;能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備自診斷，并實(shí)時(shí)報(bào)警;能夠?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)校驗(yàn)和選擇存儲(chǔ);能夠按照既定程序自動(dòng)完成或在用戶(hù)干預(yù)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4.1 傳感器模塊

傳感器模塊是整個(gè)運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，通過(guò)傳感器來(lái)記錄結(jié)構(gòu)響應(yīng)及荷載、環(huán)境特征值，以模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)反饋給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。傳感器的選擇原則:可靠性、實(shí)用性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性。

大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋及鄭州黃河公鐵兩用橋運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器包括以下類(lèi)型:橋址環(huán)境監(jiān)測(cè)采用大氣溫濕度傳感器、機(jī)械式及超聲式風(fēng)速風(fēng)向儀;結(jié)構(gòu)溫度及應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用FGB光纖光柵傳感器;主梁線(xiàn)形監(jiān)測(cè)采用壓差變送器;主梁及橋墩的振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用磁電振動(dòng)傳感器;梁端及中間支座位移監(jiān)測(cè)采用拉繩式位移傳感器;斜拉索的索力監(jiān)測(cè)采用電容式加速度索力動(dòng)測(cè)儀;列車(chē)速度監(jiān)測(cè)采用多普勒原理的測(cè)速雷達(dá);列車(chē)車(chē)號(hào)識(shí)別采用國(guó)內(nèi)快速標(biāo)配鐵路車(chē)號(hào)讀取器。

4.2 信號(hào)采集與傳輸模塊

信號(hào)采集與傳輸模塊完成傳感器信號(hào)的采集、調(diào)理，并把信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理分系統(tǒng)。該模塊又可分為信號(hào)采集系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)和輔助支持系統(tǒng)三部分。其中信號(hào)采集系統(tǒng)是由布置在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部或橋面的調(diào)理設(shè)備、采集設(shè)備、采集計(jì)算機(jī)和傳感器電纜網(wǎng)絡(luò)等組成;信號(hào)傳輸系統(tǒng)由布置在橋梁外場(chǎng)工作站機(jī)柜內(nèi)和監(jiān)控中心機(jī)房?jī)?nèi)的網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)傳輸線(xiàn)纜組成;輔助支持系統(tǒng)由外場(chǎng)及監(jiān)控中心輔助上述系統(tǒng)正常運(yùn)行的設(shè)備組成，包括外場(chǎng)機(jī)柜、外場(chǎng)機(jī)箱、配電及UPS、防雷和遠(yuǎn)程電源監(jiān)控等子系統(tǒng)。

信號(hào)采集及傳輸模塊的目標(biāo)功能:通過(guò)自編軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)前處理、同步、數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)配置、采樣控制、系統(tǒng)自檢等功能;對(duì)所有傳感器信號(hào)按照相應(yīng)的采集制度和采樣頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理;連續(xù)采集或觸發(fā)采集傳輸各類(lèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于特殊傳感器的獨(dú)立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)COM接口的方式對(duì)其進(jìn)行軟件集成，完成各種數(shù)據(jù)的交換，并盡可能對(duì)原采集軟件的正常工作影響最小。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)拓?fù)鋱D見(jiàn)圖3。

圖3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)拓?fù)鋱D

5 電子化人工巡檢分系統(tǒng)

電子化人工巡檢分系統(tǒng)結(jié)合大橋人工巡檢和定期檢測(cè)工作，針對(duì)橋梁局部構(gòu)件劣化以及損傷部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和巡檢管理。該分系統(tǒng)的主要目標(biāo):涵蓋各種層次和頻度的巡檢，實(shí)現(xiàn)日常巡檢工作的電子化;提供便捷的巡檢信息數(shù)據(jù)錄入手段和接口;提供病害資料庫(kù)及合理的處理措施供相關(guān)人員參考。分系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)向用戶(hù)提供公共的交互界面，不同權(quán)限用戶(hù)可以在局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)使用管養(yǎng)系統(tǒng)。通過(guò)該巡檢系統(tǒng)，巡檢人員可利用手持巡檢終端進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，不需要傳統(tǒng)的先手工記錄再錄入系統(tǒng)的過(guò)程，使得巡檢無(wú)紙化。

電子化人工巡檢分系統(tǒng)主模塊包括電子化巡檢、報(bào)告報(bào)表以及系統(tǒng)管理。

6 數(shù)據(jù)分析處理分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析處理分系統(tǒng)由布置在監(jiān)控中心的服務(wù)器完成，接收并處理自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、人工巡檢數(shù)據(jù)和其它系統(tǒng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析處理分系統(tǒng)包括信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)。

信號(hào)處理模塊側(cè)重于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)信息提取，接收來(lái)自于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)。信號(hào)處理首先對(duì)原始數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、清洗、整理;然后對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷識(shí)別，根據(jù)信號(hào)的異常情況診斷儀器設(shè)備的工作狀態(tài)，并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理;最后對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算目標(biāo)測(cè)量，為數(shù)據(jù)分析模塊提供“干凈”的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)存入中心數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)模塊側(cè)重于數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期信息提取，從中心數(shù)據(jù)庫(kù)獲取經(jīng)過(guò)處理后的長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)，進(jìn)行在線(xiàn)、離線(xiàn)分析，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析、特征提取、數(shù)據(jù)挖掘的手段來(lái)獲取隱含特征、長(zhǎng)期規(guī)則、模型參數(shù)，并將結(jié)果存入中心數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)分析采用了特征值提取、統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)分析、對(duì)比分析、相關(guān)/相干性分析、回歸分析等相關(guān)分析方法。

6.1 結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)見(jiàn)圖4。由圖4可知:桿件截面梯度溫差最大，溫差最大值達(dá)18.2℃;其次是結(jié)構(gòu)豎向溫差，溫差最大值為10.8℃;結(jié)構(gòu)橫向溫差最小，溫差最大值不超過(guò)3℃。數(shù)據(jù)分析表明，日照是引起桿件截面梯度溫差和結(jié)構(gòu)豎向溫差的主要因素，結(jié)構(gòu)溫度的變化會(huì)影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布，因此在夏季陽(yáng)光強(qiáng)烈時(shí)應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

圖4 結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)

6.2 支座位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

支座位移與結(jié)構(gòu)溫度相關(guān)性見(jiàn)圖5。由圖5可知:支座位移與結(jié)構(gòu)溫度具有良好的線(xiàn)性相關(guān)性，但是由于支座位移變化較溫度變化存在一定的相位差，導(dǎo)致支座位移與溫度相關(guān)性表現(xiàn)出特定的圓環(huán)特性。數(shù)據(jù)分析表明:支座位移與結(jié)構(gòu)溫度相關(guān)性的斜率變化可以反映支座的工作性能;通過(guò)統(tǒng)計(jì)支座位移的總里程可以科學(xué)合理地安排支座檢修和養(yǎng)護(hù)工作。

圖5 支座位移與結(jié)構(gòu)溫度相關(guān)性

6.3 動(dòng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)動(dòng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法得到疲勞應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)［10］，再利用名義應(yīng)力法中的S-N曲線(xiàn)，結(jié)合Miner疲勞損傷線(xiàn)性疊加理論計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)累積疲勞損傷，并評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。疲勞應(yīng)力幅值見(jiàn)圖6。

圖6 疲勞應(yīng)力幅值

6.4 振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)首先利用切比雪夫?yàn)V波器進(jìn)行濾波;然后利用小波包［11-12］技術(shù)進(jìn)行分解重構(gòu)，剔除振動(dòng)數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)項(xiàng);最后利用傅里葉時(shí)頻轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行頻譜分析得出幅頻特性，并提取出橋梁的各階振動(dòng)頻率，用于評(píng)價(jià)橋梁的整體剛度和動(dòng)力特性。振動(dòng)信號(hào)的幅頻特性見(jiàn)圖7。

圖7 振動(dòng)信號(hào)的幅頻特性

7 數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)是在橋梁信息數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，為橋梁管理工作提供全面、科學(xué)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，逐步實(shí)現(xiàn)管養(yǎng)工作數(shù)字化、信息化、規(guī)范化、科學(xué)化，提高橋梁養(yǎng)護(hù)管理水平?；灸繕?biāo):為技術(shù)狀況評(píng)定提供相關(guān)數(shù)據(jù);提供信息查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析及報(bào)告報(bào)表輸出;為用戶(hù)提出橋梁養(yǎng)護(hù)、維修各項(xiàng)建議和橋梁養(yǎng)護(hù)管理決策。

大橋監(jiān)測(cè)體系中各類(lèi)數(shù)據(jù)量龐大，類(lèi)型多且雜，因此需要建立完善的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，用于分類(lèi)存儲(chǔ)、查詢(xún)、調(diào)用。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共構(gòu)建9類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠快速及時(shí)地通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供橋梁狀態(tài)信息，靈活地以圖文并茂、友好自主的方式顯示。數(shù)據(jù)庫(kù)管理工作主要包括系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢(xún)、信息維護(hù)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)、系統(tǒng)維護(hù)及管理等工作。數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)框架見(jiàn)圖8。

圖8 數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)框架

數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)管理橋梁的所有動(dòng)態(tài)、靜態(tài)數(shù)據(jù)(設(shè)計(jì)資料、施工期資料、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、人工巡檢數(shù)據(jù)、預(yù)警評(píng)定結(jié)果及系統(tǒng)管理信息等)，完成數(shù)據(jù)的歸檔、查詢(xún)、存儲(chǔ)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果應(yīng)用于橋梁養(yǎng)護(hù)管理。

8 結(jié)論

1)根據(jù)大跨度高速鐵路橋梁的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，橋梁橫向振幅、豎向加速度等影響列車(chē)行車(chē)安全的參數(shù)應(yīng)作為監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

2)大跨度高速鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)將自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和人工巡檢相結(jié)合，建立全面、綜合的橋梁信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為大橋的養(yǎng)護(hù)管理提供科學(xué)的依據(jù)。

3)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理方法進(jìn)行了研究，其分析結(jié)果對(duì)橋梁管養(yǎng)有一定的指導(dǎo)作用。結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的變化會(huì)影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布，在夏季陽(yáng)光強(qiáng)烈結(jié)構(gòu)溫差較大時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè);支座位移與結(jié)構(gòu)溫度相關(guān)性的斜率變化可以反映支座的工作性能;通過(guò)統(tǒng)計(jì)支座位移的總里程數(shù)可以指導(dǎo)安排支座檢修和養(yǎng)護(hù)工作;通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)累積疲勞損傷可以評(píng)估橋梁的剩余使用壽命;橋梁各階振動(dòng)頻率可以反映橋梁的整體剛度和動(dòng)力特性。

4)在預(yù)警評(píng)定方面還需要進(jìn)一步深入研究，建立合理的評(píng)估指標(biāo)體系，為管養(yǎng)人員提供直觀明確的科學(xué)數(shù)據(jù)。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋和鄭州黃河公鐵兩用橋的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)，其中大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2011年6月建成投入使用，鄭州黃河公鐵兩用橋運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2012年7月建成投入使用，為大橋管養(yǎng)提供了科學(xué)數(shù)據(jù)，減少了日常巡檢的工作量。本文提出的大跨度高速鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和穩(wěn)定性，可在大跨度鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)中廣泛推廣和應(yīng)用。

［1］頓小紅.從世界高速鐵路發(fā)展看我國(guó)高速鐵路建設(shè)［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2007，19(6):22-23.

［2］鄭健.中國(guó)高速鐵路橋梁［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［3］岳青.大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋營(yíng)運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案［Z］.武漢:中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，2011.

［4］易倫雄.大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋工程特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2007，22(4):78-80.

［5］岳青.鄭州黃河公鐵兩用橋營(yíng)運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案［Z］.武漢:中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，2012.

［6］肖海珠，高宗余.鄭州黃河公鐵兩用橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.鐵道勘察，2007，33(增1):30-34.

［7］蔡建軍，劉芳，楊連軍，等.基于結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)響應(yīng)的錢(qián)塘江大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.鐵道建筑，2014(5):21-26.

［8］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2011.

［9］李?lèi)?ài)群，繆長(zhǎng)青.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［10］郭彤，李?lèi)?ài)群.基于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的橋面板焊接細(xì)節(jié)疲勞壽命評(píng)估［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2009，42(6):66-72.

［11］劉濤，李?lèi)?ài)群，丁幼亮，等.基于小波包能量譜的結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警方法試驗(yàn)研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2009，28(4):4-9.

［12］滕軍，朱焰煌，周峰，等.自適應(yīng)分解層數(shù)的小波域中值濾波振動(dòng)信號(hào)降噪法［J］.振動(dòng)與沖擊，2009，28(12):58-62.

Research on operation monitoring system of high speed railway large span bridge

YUE Qing1，WU Laiyi1，ZHU Liming2，MAO Guohui1，LIU Youqiao1，DING Youliang3
(1.China Railway Major Bridge Reconnaissance＆Design Institute Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430050，China; 2.Nanjing University of Technology Track Traffic and Bridge Diagnosis and Treatment Research Center，Nanjing Jiangsu 210009，China; 3.Key Laboratory for Concrete＆Prestressed Concrete of the Education Ministry of China in Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China)

A combination of automatic operation monitoring system and electronic manual inspection are applied in high speed railway large span bridge for its operation and maintenance.T he system is consist of 4 sub-systems including automatic monitoring，electronic manual inspection，data analysis processing and data management. M onitoring system includes site environment，external loads，structural response，dynamic characteristics，special devices and visual damages.Statistical analysis，trend analysis，feature extraction，correlation analysis and regression analysis are performed.T he behavior of large span bridge in-service is studied，helping bridge maintenance and management decisions.T he system has real-time online monitoring system information，statistical reports and other features.T he proposed monitoring system design scheme has been applied to operation monitoring of Nanjing Dashengguan Yangtze River Bridge in the Beijing-Shanghai high speed railway and Zhengzhou YellowRiver highway-railway dual-purpose bridge in the Shizheng passenger dedicated line.T his system reduces the workload of manual testing and provides scientific data for maintenance management.

High speed railway large span bridge;Operation monitoring;Optimization of measuring points; Electronic inspection;Data analysis

U446

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.01

1003-1995(2015)12-0001-06

(責(zé)任審編鄭冰)

2015-09-11;

2015-11-08

國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB036203);中國(guó)鐵路總公司重大課題(2014G004-B)

岳青(1968—)，男，高級(jí)工程師。