鐵路橋梁無線測振系統的可靠性分析及應用

張志國

(大秦鐵路股份有限公司工務檢測所，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、自然災害以及機動車輛等因素的侵襲，致使鐵路橋梁結構產生各種損傷或局部破壞。隨著鐵路橋梁使用時間的增長，損傷也會越來越嚴重，為保障鐵路橋梁的安全運營，延長其安全使用壽命，就要在檢測評估的基礎上，對那些承載能力、剛度、耐久性不能滿足新要求的部位或構件，進行有針對性地維修加固［2］。

隨著當今高速客專鐵路日新月異的快速發展，尤其是我局大秦線重載的貨運量不斷增大，既有橋梁經受著前所未有的承載考驗，采取有針對性地維修加固，其前提就是對橋梁進行檢測，才能實現既經濟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踐緊密聯系的技術學科，涉及到橋梁的設計計算理論、儀器儀表性能、試驗測試技術、數理統計分析、現場試驗組織等方面，具有較強的應用性、綜合性和復雜性［2］。從方法上分為靜載試驗、動載試驗和無損檢測;從工程階段上分為成橋試驗和施工階段監測控制;從時間上分為短期試驗和長期試驗;從過程上分為準備規劃階段、加載與觀測階段、分析總結階段［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進行論述，通過寧岢線44號橋同時采用有線和無線兩種測振系統所測橫向振幅的試驗實例，檢驗該無線測振系統的可靠性，進而將該無線測振系統應用在寧岢線48號橋橋墩的橫向振幅測試中。

2 無線測振系統的組成、參數及功能

2.1 系統組成

該系統分為現場測振單元和后臺監控軟件兩部分，二者通過無線數傳模塊實現數據及命令的雙向無線傳輸。后臺監控軟件可同時管理32個現場測振單元(根據需要可擴充現場測振單元)。通過后臺監控軟件和測振單元之間的無線通信，實現對現場測振單元的遙控、遙測和信息交互功能，可以及時得到所測信息。圖1為系統結構示意圖。

2.2 系統配置及主要參數

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

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;振動臺標定誤差:≤5%;現場測量誤差:≤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、采樣觸發、手動觸發;

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，可持續供電:≥10 h，可充電。

2.3 系統功能模塊

后臺監控軟件由三個模塊構成:

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、零點偏移、FFT分析、任意頻段歸零、頻率估算、極值統計等);

2)遠程操作模塊(列車過后遠程調用振動數據、列車通過時遠程實時調用振動數據、通道設置、零點校正、遠程配置、遠程校時、時間查詢、狀態查詢、速度查詢、遠程復位、實時FFT分析);

3)報表與打印模塊(圖形打印、極值統計報表)，系統設置模塊(顏色設置、串口設置、其他參數設置)，文件查看器，幫助模塊等等。

1)對振動波形進行分析和顯示。2)遠程管理現場測振單元及遠程調用振動波形。相應的，后臺監控工作分為本地和遠程兩類，本地是指軟件處理用戶U盤上的振動數據文件(現場測振單元采集到的數據)，包括頻域波形分析、時域波形分析及波形分析結果的顯示、打印等功能。遠程是指通過無線數據傳輸與現場測振單元進行通信，包括遠程配置、遠程調用數據、遠程實時調用數據、遠程查詢等。

3 通過實例分析無線測振系統的可靠性

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間DK61+010處，于1969年9月建成竣工，為單線四跨預應力混凝土簡支梁橋，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，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，橋臺為明挖擴大基礎，墩臺地基均為黃土質砂粘土。

傳統的有線檢測儀器連接方式為:拾振器+放大器+數據采集儀+筆記本電腦，各儀器間用專用信號線連接。蘭州交通大學2009年6月采用有線方式對該橋進行動靜載檢測，同年進行維修加固，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行了測試。試驗荷載為通過該橋的列車荷載。

墩頂測點布置如圖2所示。

3.2 測試數據對比

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年無線測試的動態誤差以2011年有線測試的結果為基準進行計算，從表1可以看出，無線檢測系統的動態誤差不大于±15%，符合總公司的有關規范規定。

入室盜竊案件發案展現出的高發時段規律，要求公安機關應在案件高發時段加強巡防力量的部署，尤其加強居民區巡防力量的部署，同時可以發動群眾參與巡防，積極支持和鼓勵社區工作者和志愿者投身到巡防工作中，從而達到震懾犯罪分子的目的。同時，應加強社區居民的安全教育，避免在案件高發時段留給犯罪分子可乘之機。鼓勵群眾安裝家庭安全防范系統，并與當地派出所聯網也是一種較好的防范措施。

4 無線測振系統可靠性保障的前提條件

無線通信最容易受外界環境的影響，但是我們可以從以下幾方面進行克服，從而保障無線設備采集數據的可靠性。

4.1 設備方面

1)拾振器擋位要設置恰當。水平或豎向振動測量時，選擇2擋或3擋，相應單元的遠程配置參數擋位欄選擇要統一;測量加速度時，選用加速度測量單元，891-4擋位撥1擋，相應的遠程配置參數擋位欄要選擇1。

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

4.2 軟件操作方面

1)測振單元編址。實測前，要對測振單元統一編址，若其放置于橋墩頂之后，編號就很費人力。

2)測試前，建議采用廣播對時命令統一對時，使測振單元處于同一起始工作時間，便于后期數據分析處理。

3)測試時，要在測試空閑時，注意查詢各單元的電池電壓，當發現某單元電池電壓小于5.8 V時，應及時充電或更換欠壓的單元。

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

5)遠程調用或實時調用正在進行時，嚴禁其他遠程操作。

6)測試時，嚴禁使用遠程“編址”功能，否則，所有單元將使用同一個單元號。系統調用時會出現混亂，嚴重時會死機。

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

4.3 環境方面

1)遠離磁場強的地方。尤其是在加速度測試時應遠離磁場強的地方，以免干擾。

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

5 無線測振系統的推廣應用

5.1 無線測振系統推廣應用的優勢

1)應用環境要求少，適應性強。在遇到一些特殊的應用環境，諸如單孔梁體、自然災害沖刷橋墩等情況時，傳統的有線連接就顯得費時費力。而無線設備就能很好適應這種惡劣的地理環境。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，通過測試橋梁墩頂中心橫向振幅及墩頂四角的垂直振幅，判斷該橋墩臺的穩定性，為領導的搶險決策提供理論依據。

2)若需增加測點，擴展性好。倘若某一測點需要調換或增加，如果采用有線的方式，則需要重新布線，費時費力，有些情況就來不及進行調換或增加。而無線方式顯得容易，調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常遇到的情況。

3)測振單元、通信單元出現故障，容易維護。倘若在測試前或測試中，發現某個或多個測點不響應，采集不到數據，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，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)測試前檢測設備布置、調試等準備工作，不需專門的“天窗點”或“封鎖點”，安全壓力小。目前人員上線作業的規章要求越來越嚴，安全壓力越來越大，像傳統的有線方式，在線路兩側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使用，相對傳統的有線方式，綜合成本就較低。

6)操作技術要求不高，容易上手。像傳統的有線檢測設備，需要專業技術人員操作，才能準確采集到數據。該無線測振系統，只需短時培訓后，即可上手操作，有利于在工務段普及。

5.2 寧苛線48號橋墩頂橫向振幅測試實例

該橋位于寧岢線安塘至秦家莊區間DK79+265處，于1970年2月建成竣工，為單線四跨預應力混凝土簡支梁橋，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，樁徑1.0 m，樁長20.0 m，承臺采用250級鋼筋混凝土灌注，墩臺地基為黃土質砂粘土。2009年維修加固。

2011年我局對該橋進行橋墩橫向振幅的測試。設備采用無線測振系統，試驗荷載為通過該橋的列車荷載。

在不同列車荷載作用下，實測各橋墩墩頂中心橫向振幅，經過專用軟件分析，得出各橋墩墩頂的橫向振幅最大值見表2。

各橋墩墩頂橫向幅值曲線見圖3～圖5。

根據以上數據顯示，實測各橋墩墩頂中心橫向振幅最大值均小于《橋檢規范》規定的通常值。

表2 各橋墩墩頂的橫向振幅最大值

6 結語

隨著無線通信、數字化電子行業等技術的迅猛發展，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會更加成熟、可靠，而且橋梁的整個無線檢測技術將會更加快捷、準確、靈活地服務于橋梁狀態的監測，更加智能化，實現隨時隨地查看所想了解的某一橋梁的技術狀態，節省大量人力、物力、財力，為保障高鐵和重載鐵路運輸安全奠定技術之基，同時帶來巨大的經濟效益和社會效益。

［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.橋涵工程試驗檢測技術［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］ 鐵運函［2004］120號，鐵路橋梁檢定規范［S］.