基于軌檢車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)的橋梁變形分析

張宇飛 上海鐵路局上海工務(wù)段

基于軌檢車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)的橋梁變形分析

張宇飛 上海鐵路局上海工務(wù)段

根據(jù)電子水準(zhǔn)儀線上測(cè)量數(shù)據(jù)，總結(jié)了某鐵路橋梁的變形規(guī)律，然后結(jié)合數(shù)據(jù)分析探討了利用軌檢車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鐵路橋梁變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)的可行性。最后，針對(duì)該鐵路橋梁變形規(guī)律，設(shè)計(jì)了4套軌面調(diào)整方案供鐵路工務(wù)部門(mén)參考。

變形監(jiān)測(cè)；鐵路橋梁；軌檢車(chē)；軌面調(diào)整

橋梁是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是交通網(wǎng)絡(luò)的重要聯(lián)結(jié)。在正常的以及不可預(yù)期的荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形甚至是破壞，因此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)是橋梁運(yùn)營(yíng)和管理階段非常重要的環(huán)節(jié)。特別是對(duì)于鐵路橋梁，輕微的梁體變形會(huì)導(dǎo)致其上部軌道結(jié)構(gòu)的變形，并最終表現(xiàn)為線路的長(zhǎng)波高低不平順，而“平順性”是鐵路列車(chē)安全運(yùn)行與旅客乘坐舒適性的重要保障，一旦出現(xiàn)不平順，必須采取積極主動(dòng)的處理措施使線路恢復(fù)正常狀態(tài)。

軌檢車(chē)是一種用于檢測(cè)軌道幾何狀態(tài)動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備。對(duì)于某鐵路橋梁區(qū)段的日常動(dòng)態(tài)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該區(qū)段經(jīng)常出現(xiàn)三級(jí)垂加警報(bào)，但其他不平順指標(biāo)并無(wú)明顯超限，推測(cè)這一情況與該鐵路橋梁結(jié)構(gòu)變形有關(guān)，因此有必要對(duì)該鐵路橋梁變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 橋梁變形監(jiān)測(cè)

自上世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程人員針對(duì)橋梁變形監(jiān)測(cè)方法開(kāi)展了廣泛的研究。橋梁變形監(jiān)測(cè)方法主要包括靜態(tài)測(cè)量?jī)x器法、GPS法、激光法、連通管法、光纖傳感器法、微變形監(jiān)測(cè)雷達(dá)以及攝影測(cè)量法等。不同監(jiān)測(cè)方法具有各自適用范圍，本文采用傳統(tǒng)的電子水準(zhǔn)儀法，在每月天窗點(diǎn)對(duì)該橋梁區(qū)段軌面高程進(jìn)行了測(cè)量。經(jīng)過(guò)為期一年的監(jiān)測(cè)，總結(jié)其變形規(guī)律如圖1所示。在夏季環(huán)境溫度較高時(shí)，該鐵路橋梁中跨向上翹起，而兩邊跨則下凹；隨著環(huán)境溫度不斷降低，中跨變形形式由上凸發(fā)展為下凹，兩邊跨變形趨勢(shì)一致且與中跨相反。中跨變形幅度達(dá)到60 mm，邊跨變形幅度為30 mm。橋梁變形與環(huán)境溫度變化呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，因此推斷其變形主要是由溫度荷載導(dǎo)致。

圖1 橋梁變形規(guī)律示意圖

2 基于軌檢車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)的橋梁變形分析

軌檢車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)包括高低、軌向、軌距、水平、三角坑、車(chē)體加速度等。本文試圖探討利用軌檢車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鐵路橋梁變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)的可行性。為此，本文選取了一年內(nèi)的軌檢車(chē)動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)用以分析說(shuō)明。

2.1 分析方法

（1）分析指標(biāo)

選擇高低、水平、三角坑、垂向加速度等項(xiàng)目在特定里程范圍內(nèi)各自的標(biāo)準(zhǔn)差作為分析指標(biāo)。

（2）區(qū)段劃分

根據(jù)該鐵路橋梁所在里程，適當(dāng)向前后延伸得到一段長(zhǎng)度為400 m的數(shù)據(jù)分析區(qū)段。

（3）分析方法

分析檢測(cè)數(shù)據(jù)中各項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)差與橋梁變形幅值間的相關(guān)性。

2.2 相關(guān)性分析

對(duì)水平、左高低、右高低、以及三角坑在橋梁區(qū)段內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差與橋梁變形的相關(guān)性進(jìn)行定量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 相關(guān)性分析結(jié)果

由圖2可知，橋梁區(qū)段內(nèi)的水平、高低和三角坑標(biāo)準(zhǔn)差與橋梁豎向變形幅值的相關(guān)度不高，即無(wú)法通過(guò)對(duì)上述三個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差分析估計(jì)橋梁豎向變形幅值。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是：

（1）橋梁的豎向變形是一種波長(zhǎng)較長(zhǎng)的“不平順“，本文所采用的檢測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法識(shí)別；

（2）諸如水平、高低和三角坑的軌道垂向不平順隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間增長(zhǎng)逐漸惡化。

2.3 應(yīng)用分析

橋梁區(qū)段內(nèi)的垂向加速度標(biāo)準(zhǔn)差與橋梁豎向變形幅值存在較高的相關(guān)性。以垂向加速度標(biāo)準(zhǔn)差為橫坐標(biāo)，橋梁中跨變形幅值為縱坐標(biāo)作圖，即可直觀地表現(xiàn)出兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 垂向加速度標(biāo)準(zhǔn)差與橋梁變形幅值對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)圖3中垂向加速度標(biāo)準(zhǔn)差與中跨變形幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合第2節(jié)中的橋梁變形規(guī)律，即可以推算出軌檢車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)垂向加速度標(biāo)準(zhǔn)差與邊跨變形幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

以中跨變形為例為例，說(shuō)明如何利用軌檢車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鐵路橋梁變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，詳見(jiàn)表1。

表1 基于標(biāo)準(zhǔn)差分析法的軌檢車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用分析表

獲取軌檢車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)后，計(jì)算橋梁區(qū)段內(nèi)垂向加速度的標(biāo)準(zhǔn)差，，根據(jù)擬合公式 y=2346.8x^2-614.39x+39.712，估算橋梁中跨變形幅值。對(duì)比一年內(nèi)變形量的估算值與實(shí)際值，平均誤差為3.3 mm，誤差較小且具有可行性。

3 軌面調(diào)整方案設(shè)計(jì)

本文的研究對(duì)象雖然在豎向上存在較大幅度的變形，但是對(duì)其上部軌道的高低不平順影響并不顯著，無(wú)法簡(jiǎn)單地根據(jù)高低不平順檢測(cè)結(jié)果對(duì)軌面進(jìn)行調(diào)整。因此，本文提出了一種基于軌面高程線上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的軌面調(diào)整方案。針對(duì)該鐵路橋梁變形規(guī)律，本文共設(shè)計(jì)了4套軌面調(diào)整方案，以下為方案介紹。

方案A：橋梁年變形規(guī)律表明橋梁中跨的上拱幅度大于下?lián)戏?，而邊跨中心上拱與下?lián)系姆认嘟Ｒ虼耍{(diào)整方案為僅將中跨區(qū)域的軌面向下調(diào)整，以此減小鋼軌的絕對(duì)變形量。調(diào)整完成后，若無(wú)特殊情況不再對(duì)軌面進(jìn)行調(diào)整。

方案B：調(diào)整方案僅對(duì)橋梁邊跨區(qū)域的軌面進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)抬高邊跨區(qū)域軌面高程，間接減小橋梁中跨與邊跨中心間的絕對(duì)變形幅值。調(diào)整完成后，若無(wú)特殊情況不再對(duì)軌面進(jìn)行調(diào)整。

方案C：根據(jù)橋梁年變形規(guī)律，在橋梁出現(xiàn)較大豎向變形前對(duì)軌面進(jìn)行反向調(diào)整，以此減小鋼軌在中跨和邊跨中心的絕對(duì)變形量。由于橋梁豎向變形存在上拱和下?lián)蟽煞N趨勢(shì)，所以每年需要對(duì)軌面進(jìn)行兩次調(diào)整。

方案D：根據(jù)橋梁年變形規(guī)律，在橋梁出現(xiàn)較大豎向變形前對(duì)軌面進(jìn)行反向調(diào)整，以此減小鋼軌在中跨和邊跨中心的絕對(duì)變形量。軌面高程調(diào)整不受扣件調(diào)高范圍（-4 mm，+26 mm）的限制，通過(guò)特殊扣件實(shí)現(xiàn)更大的調(diào)整量。同方案C，每年需要對(duì)軌面進(jìn)行兩次調(diào)整。

從調(diào)整次數(shù)和調(diào)整量?jī)煞矫鎸?duì)上述4套軌面調(diào)整方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。

表2 調(diào)整方案評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2可知，每年經(jīng)過(guò)兩次調(diào)整的方案C和方案D的調(diào)整工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案A和方案B，養(yǎng)護(hù)維修成本高。因此，建議采用方案A或方案B對(duì)橋梁區(qū)段內(nèi)軌道進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)論

本文主要得到以下結(jié)論：

（1）水平、高低以及三角坑在橋梁區(qū)段內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差與橋梁變形幅值變化的相關(guān)性不顯著，無(wú)法用于橋梁變形的估算。

（2）橋梁區(qū)段內(nèi)的垂向加速度標(biāo)準(zhǔn)差與橋梁豎向變形幅值存在較高的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.86。

（3）利用回歸方程，對(duì)橋梁中跨中心處一年內(nèi)的變形幅值進(jìn)行估算，并與實(shí)際值對(duì)比，平均誤差為3.3 mm，該方法能夠作為橋梁變形監(jiān)測(cè)的輔助手段。

（4）針對(duì)該鐵路橋梁變形規(guī)律，設(shè)計(jì)了4套軌面調(diào)整方案，對(duì)于鐵路養(yǎng)護(hù)維修工作具有一定借鑒意義。

責(zé)任編輯：宋飛 龔佩毅

來(lái)稿時(shí)間：2015-5-22