橋上無縫線路附加伸縮力的遠程監(jiān)測與分析

馮紹敏，雷曉燕，張鵬飛，劉慶杰

（華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西南昌 330013）

高速鐵路因其運行速度快，行車平穩(wěn)，機車車輛及軌道維修費用低，線路使用壽命長，全封閉，全立交，高度自動化，高效率，高舒適度，高安全性，高可靠性等特點[1]，使得無砟軌道結(jié)構(gòu)和跨區(qū)間無縫線路技術(shù)快速發(fā)展。跨區(qū)間無縫線路的一項關(guān)鍵技術(shù)是如何在特大橋上鋪設(shè)無縫線路，即解決橋上無縫線路縱向附加力的分布及傳遞問題。

目前，對于橋上無縫線路縱向附加力的試驗研究，一些國家的科技工作者也做了相關(guān)的試驗研究[2-4]，取得了一定的研究成果，但這些大都是基于普通無縫線路。對于無砟軌道無縫線路，國內(nèi)的研究還不夠全面，特別是在長大橋梁無砟軌道無縫線路的研究方面。國外在這方面雖然有一定的研究，但是其設(shè)計理念、方法與我國不同。在長大橋梁無砟軌道無縫線路的試驗研究中，雖然對鋼軌所承受的伸縮附加力計算方法進行了許多研究[5-6]，研究人員相繼提出了測試方法和儀器，但都受到各種條件的限制，不能很好地應(yīng)用于現(xiàn)場高速鐵路長大橋梁無砟軌道無縫線路測試當(dāng)中。目前，世界各國正在繼續(xù)研究這一看似簡單而實際極難的無縫線路科研課題[7]。

為了解決以上問題，該文通過對國內(nèi)某高速鐵路長大橋梁無砟軌道無縫線路現(xiàn)場靜態(tài)試驗研究、無砟軌道無縫線路檢測、監(jiān)測技術(shù)研究，形成一整套高速鐵路長大橋梁無砟軌道無縫線路長期、遠程監(jiān)測體系。通過遠程監(jiān)控，分析所測實驗數(shù)據(jù)，得出相關(guān)的結(jié)論，該體系為列車的安全、平穩(wěn)運行提供保障；為我國后續(xù)的高速鐵路無砟軌道無縫線路設(shè)計、施工、運營提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持；為加快我國鐵路工務(wù)信息化進程作出貢獻。

1 測試方法及原理

1.1 附加伸縮力的產(chǎn)生機理

對于長大橋梁無砟軌道無縫線路的遠程長期監(jiān)測，主要是以靜態(tài)為主，因此主要監(jiān)測鋼軌的附加伸縮力。附加伸縮力是指橋梁在溫度變化下會伸長和收縮，在變形的過程中，梁體拉著鋼軌變形從而使鋼軌產(chǎn)生附加的荷載[8]，所以伸縮力的大小和分布除與梁軌間的連結(jié)強度即線路縱向力、梁的伸縮量有關(guān)外，與長鋼軌的布置方式、梁跨支座布置方式等因素有關(guān)，其作用過程是當(dāng)溫度變化而梁伸縮就開始對鋼軌產(chǎn)生作用，隨著溫度升降循環(huán)變化，鋼軌也發(fā)生拉壓作用變化。理論計算伸縮力時，梁的溫度變化僅考慮單純的升溫或降溫，不考慮梁溫升降的交替變化。由于列車振動要釋放部分溫度力，一般取一天內(nèi)可能出現(xiàn)的最大溫差。

1.2 測試方法

附加伸縮力測試使用應(yīng)變片來測試，通過應(yīng)變來反推內(nèi)力。利用應(yīng)變片測試需要與惠更斯電橋結(jié)合，為了提高測試的精度，選擇全橋的測試方案。應(yīng)變片的粘貼位置如圖1所示，其中R1，R2用于測試鋼軌的垂向應(yīng)變，粘貼于軌腰中部，粘貼方向為垂直線路中心線方向；R3，R4用于測試鋼軌的縱向應(yīng)變，粘貼于軌底，粘貼方向為平行線路中心線方向。測試電橋如圖2所示，圖2（a）為垂向應(yīng)變測試電橋，圖2（b）為縱向應(yīng)變測試電橋，圖中Rb為溫度補償片。

1.3 測試原理

當(dāng)溫度變化時，工作片R1，R2所測得的應(yīng)變由三部分組成，即由附加伸縮力引起的附加伸縮應(yīng)變εf、由于應(yīng)變片的伸縮引起的應(yīng)變及溫度使應(yīng)變片柵絲引起的電阻變化。補償片Rb所得的應(yīng)變也是由三部分組成，后兩部分與R1，R2一樣，第一部分為鋼材在溫度變化下的應(yīng)變εt。令由橋路a測得的應(yīng)變值為εa，橋路b測出的應(yīng)變?yōu)棣舃。經(jīng)過橋路補償后，可得

1.4 測試系統(tǒng)誤差分析

本測試方法主要誤差來源于三個方面：采集系統(tǒng)誤差、應(yīng)變片測量誤差和補償片變形誤差。其中采集系統(tǒng)誤差、應(yīng)變片測量誤差是常規(guī)測量誤差，通過選擇質(zhì)量好的儀器設(shè)備，正確粘貼傳感器可以降低誤差的影響。補償片的變形誤差是影響試驗的重要因素，補償片應(yīng)盡量選擇與測試對象材料、形狀一致的物體。受現(xiàn)場條件的限制，本次測試選擇4 mm厚的鋼板作為補償片，將其放置在測點的附近。

2 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)簡介

為了實現(xiàn)對長大橋梁無砟軌道無縫線路的長期、遠程、無線監(jiān)測，采用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司特為本研究研發(fā)的DH3819A無線靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)。該監(jiān)測采集系統(tǒng)是根據(jù)橋上無砟軌道無縫線路長期監(jiān)測的項目要求，結(jié)合橋梁參數(shù)類型、布點方案及現(xiàn)場安裝情況而專門設(shè)計開發(fā)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)包含橋上無砟軌道無縫線路監(jiān)測所需的分布式參數(shù)測試模塊，數(shù)據(jù)長距離傳輸通訊模塊及配套的采樣控制和計算機通訊軟件、數(shù)據(jù)分析軟件等。系統(tǒng)實現(xiàn)對大型橋梁多測點的長期、遠距實時測量及連續(xù)傳輸，并能完成數(shù)據(jù)的海量存儲、特征信號分析、提取、保存等功能。系統(tǒng)主要由傳感器部分、應(yīng)變采集模塊、數(shù)據(jù)采集控制器、監(jiān)控中心部分、遠程觀測部分等組成。

2.2 應(yīng)變片的選擇

由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣且需要進行長時間的監(jiān)測，應(yīng)變片選用了德國HBM公司生產(chǎn)的LV41型應(yīng)變片，采用專用膠水X61粘貼，在鋼軌兩側(cè)各粘貼一片，可使應(yīng)變片牢固粘貼在鋼軌上。兩應(yīng)變片使用全橋方式連接，并在可自動伸縮的鋼板上粘貼4片溫度補償片。

3 實例分析

選擇國內(nèi)某高速鐵路的特大橋作為試驗點，該特大橋上鋪設(shè)無砟軌道，為雙線，仍在試運營階段，本文對該長大橋梁無縫線路展開了綜合試驗研究，以驗證監(jiān)測理論和現(xiàn)場監(jiān)測方法的可行性。

3.1 測點布置

在該高速鐵路特大橋上選取測試位置，選擇（60+100+60）m的連續(xù)梁，在梁端及跨中布置測點（共7個測點），將應(yīng)變片如圖1所示貼在鋼軌上，測點位置如圖3所示，溫度補償片如圖4所示布置。

3.2 采集系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝

先將軌腰處打磨平整，用丙酮溶液擦拭其表面，除去雜質(zhì)，然后用專用膠水X61將應(yīng)變片粘貼牢靠，最后做防潮處理，如圖5所示。應(yīng)變采集儀及控制器的安裝分別如圖6和圖7所示。

3.3 試驗結(jié)果分析

本次測試主要內(nèi)容是附加伸縮力。數(shù)據(jù)采集是通過DH3819A無線靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)（ZIGBEE）完成的，采集時間間隔為5分鐘。由于采集數(shù)據(jù)量很大，本文僅分析從2010年12月3日6：00到12月10日6：00所采集的數(shù)據(jù)。

從圖8和圖9可以看出，附加伸縮力在橋梁梁端橋臺處較大，在梁中間處較小，可能是滑動層起了作用，全橋最大附加伸縮力為235.6 kN，發(fā)生在2號橋臺處，從國內(nèi)一些單位的測試數(shù)據(jù)進行分析，該文所監(jiān)測的數(shù)據(jù)還是準確的。但是由于該高速鐵路仍在設(shè)備調(diào)試和試運營期間，從監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)中僅只是分析了靜態(tài)數(shù)據(jù)，要想今后準確地分析及評估高速鐵路無縫線路的安全和穩(wěn)定性，必須進行全方位分析。

4 結(jié)論

通過對國內(nèi)某高速鐵路長大橋梁無砟軌道無縫線路的遠程靜態(tài)監(jiān)測，展開了一系列的研究工作。經(jīng)過分析，推導(dǎo)了伸縮附加力的計算公式，建立了長大橋梁無砟軌道無縫線路的遠程、實時監(jiān)測體系，通過該監(jiān)測體系可以較好地對橋上無縫線路的工作狀況進行監(jiān)測，經(jīng)過實際檢驗證明此測試方法是可行的。

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