高速鐵路大跨度橋梁運營監測系統研究

岳青，吳來義，朱利明，毛國輝，劉有橋，丁幼亮

(1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢430050;2.南京工業大學軌道交通與橋隧診治研究中心，江蘇南京210009; 3.東南大學混凝土及預應力混凝土教育部重點實驗室，江蘇南京210096)

高速鐵路大跨度橋梁運營監測系統研究

岳青1，吳來義1，朱利明2，毛國輝1，劉有橋1，丁幼亮3

(1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢430050;2.南京工業大學軌道交通與橋隧診治研究中心，江蘇南京210009; 3.東南大學混凝土及預應力混凝土教育部重點實驗室，江蘇南京210096)

從高速鐵路大跨度橋梁運營養護需求出發，結合大跨度橋梁的結構特點，采用自動化監測與電子化人工巡檢相結合的運營監測系統。監測系統包括自動化監測、電子化人工巡檢、數據分析處理及數據管理。監測內容包括橋址環境、外部荷載、結構響應、動力特性、特殊設備和結構表觀病害。對監測數據采用統計分析、趨勢分析、特征值提取、相關分析、回歸分析等分析方法，從而掌握大跨度橋梁在運營階段的力學行為，提供橋梁養護管理決策。監測系統具有實時在線信息查詢、統計報表等功能。本文提出的監測系統設計方案已應用于京滬高鐵南京大勝關長江大橋和石鄭鐵路客運專線鄭州黃河公鐵兩用橋的運營監測，減少了人工檢測的工作量，為養護管理人員提供了大量的監測數據。

高鐵大跨度橋梁 運營監測 測點優化布置 電子化巡檢 數據分析

高速鐵路是現代科技的產物，與發達國家相比，我國高速鐵路發展起步雖晚，但發展最快［1］。經過10多年的發展，我國已建成了世界上規模最大、運營速度最高的高速鐵路網。截止2013年12月底，我國高速鐵路運營里程已超過13 000 km，占全球高速鐵路運營里程的50%以上［2］。為確保高速鐵路的運營安全，全線采用封閉行車模式，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營關鍵性節點。

大跨度橋梁具有結構復雜、規模宏大的特點，在設計階段和運營階段全面掌握其力學行為是困難的。定期對橋梁結構進行檢測評定，缺少整體性和連續性，且影響列車的正常運營，對于繁忙的鐵路干線甚至難以實施。因此，對大跨度高速鐵路橋梁進行運營監測是十分必要的。

1 工程背景

京滬高速鐵路大勝關長江大橋［3-4］為六線高速鐵路特殊橋梁。橋上有雙線京滬高速鐵路及雙線滬漢蓉鐵路，外側搭載南京雙線地鐵。京滬高速鐵路正線設計行車速度300 km/h。主橋長度1 615 m，采用2× (84+84)m連續鋼桁梁+1×(108+192+336+336 +192+108)m連續鋼桁拱結構，橫橋向采用三桁承重結構，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180 000 kN。主橋兩端設有特制梁端伸縮裝置和軌道伸縮調節器，最大伸縮量為500 mm。大勝關長江大橋具有高速、大跨、重載等技術特點，獲得國際橋協的喬治·理查德森大獎。

石鄭鐵路客運專線鄭州黃河公鐵兩用橋［5-6］上層通行6車道高速公路，下層為雙線客運專線。大橋主橋全長1 684.35 m，共兩聯，第一聯為(120+5×168+ 120)m 6塔連續鋼桁梁斜拉橋，第二聯為(120.95+3 ×120+120.95)m連續鋼桁梁橋。第一聯主梁為兩片邊桁傾斜的空間三片桁架結構形式，主桁桿件截面為平行四邊形。上層公路橋面采用預制混凝土橋面板，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準公鐵兩用客運專線上采用6塔連續單索面的大跨度鋼桁梁斜拉橋。

2 運營監測系統設計總則

2．1總體設計思路

大跨高速鐵路橋梁運營監測系統通過測試反映大橋環境激勵、結構響應狀態及行車安全方面的某些信息，實時監測大橋的工作性能和評價大橋的工作條件，以保證大橋的運營安全，為大橋的養護維修提供科學依據。總體設計思路為:對人工日常巡檢無法檢測的結構工作性能和人工無法到達的隱蔽部位進行監測;準確地把握橋梁在各種荷載下真實的受力及變形情況;評判在突發性事件(如強烈地震、強臺風等)后的結構狀態。另外，實時監測的數據和分析結果對橋梁的設計者和建造者是非常重要的資料，這些監測資料可以提高人們對大型復雜結構的認識，為今后類似工程提供設計和建造依據。

2.2 監測系統架構及功能

大跨高速鐵路橋梁運營監測系統采用在線監測與人工巡檢相結合的技術路線，系統包括自動化監測、電子化人工巡檢、數據分析處理及數據管理4個分系統。其中自動化監測分系統和電子化人工巡檢分系統是整個系統的基礎，其主要功能是獲取橋梁各類監測數據，為橋梁健康狀態評估提供及時、準確、全面的監測數據;數據分析處理分系統是整個系統的核心，其主要功能是對監測數據進行分析處理和橋梁結構健康評估;數據管理分系統是整個系統的中心和目標，其主要功能是為各個分系統提供數據接口、建立數據庫，對數據進行綜合管理，同時將監測數據及分析結果應用于橋梁養護管理。

3 監測內容及測點優化布置

要充分發揮大橋運營監測系統的作用，在建立監測系統時，應從數據分析和管養的需要出發，確定監測內容;在對結構進行安全評估時，可以充分利用監測系統輸出的全部信息和其它綜合信息。因此，建立運營監測系統的首要問題就是合理確定監測內容［7］，選取的監測內容是否恰當，直接關系到整個監測系統的實用性和有效性。

3.1 監測內容

大跨度高速鐵路橋梁的監測內容首先應從運營期養護維修角度出發，特別是人工不易檢測的關鍵部位的受力、變形及振動情況。其次，結合橋梁結構在運營階段的受力特點，監測其重點部位及構件的工作狀況。此外，監測內容還需根據監測系統的自身要求選擇合適的監測項目，主要考慮到監測手段的可行性等。

根據大跨度高速鐵路橋梁的運營特點，結構運營監測以動力監測為主、靜力監測為輔。具體監測內容可分為橋址環境監測、外部荷載監測、結構響應監測、動力特性監測、特殊設備監測和結構表觀病害監測。

橋址環境監測。風對大跨度高速鐵路橋梁橫向振動和拉索、吊桿的局部振動影響顯著;大跨度橋梁通常都是超靜定結構，溫度引起的結構內力不容忽視，設計采用的溫度場與實際情況存在一定差別;濕度對鋼橋銹蝕影響顯著。

受力狀態監測。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，因此應力監測方面側重于疲勞應力監測。

振動響應監測。橋梁橫向振動會帶動軌道一起振動，引起軌道的橫向變形，增加輪軌之間的橫向作用力，影響行車安全。根據文獻［8］，當橋面板豎向振動超過一定限值時會引起道砟塌陷，影響軌道線形和行車安全。因此，振動響應監測是大跨度高鐵橋梁監測的重點。

結構線形監測。橋梁線形反映了橋梁整體剛度和工作性能的變化，也是保證行車安全的重要衡量指標。

支座位移監測。橋梁運營期間，主梁和支座在荷載作用下可視為協調變形，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。

行車狀態監測。與公路橋梁相比，鐵路橋梁列車荷載明確，列車行車狀態監測的數據可以作為實測荷載用于結構反演仿真計算，同時也可作為系統觸發式采集的“開關”。

3.2 測點的優化布置

考慮到經濟和結構運營狀態等原因，在整座橋梁所有自由度上安裝傳感器是不可能也是不現實的，只能通過有限的傳感器獲取橋梁健康狀況信息。因此就需要對監測點進行優化布置，以達到用最少的傳感器完成必要項目監測的目的。

目前，關于橋梁結構監測點布置大多是基于經驗，但是僅憑經驗不能保證傳感器測點的布點質量。傳感器測點的布設應遵循“從狀態評估的需要出發，以有效性和經濟性為主，使測點能夠發揮最大效應”的原則［9］。主要依據如下:①監測信息的類型、結構力學行為、響應的數據量等;②根據橋梁靜、動力計算結果確定監測部位，結構空間變形控制點、最大應力分布及幅值變化的位置、可能產生應力集中的位置、動力響應敏感點等;③在有限元分析的基礎上，應用相關優化理論進行測點優化;④設計人員的設計思想，安全評估需求;⑤橋梁專家的經驗與建議，以及國內外其它類似結構的經驗和教訓。

根據監測內容和測點優化布置原則，對大勝關長江大橋和鄭州黃河公鐵兩用橋進行測點布置。兩橋分別布設了116個和92個測點。測點總體布置見圖1［3］和圖2［6］。

圖1 大勝關長江大橋測點總體布置

圖2 鄭州黃河公鐵兩用橋測點總體布置

4 自動化監測分系統

自動化監測分系統是通過合理布置傳感器，按照一定的采集和傳輸策略，自動獲取環境作用和結構狀態數據的傳感測試系統，包括用于獲取自動實時監測數據和數據處理分析所需的硬件和軟件，由傳感器、信號采集與傳輸模塊組成。自動化監測分系統具有以下優點:傳感器和采集系統長期穩定性好;系統可以連續采集、運行;能夠實現信號實時、同步采集;能夠實現設備自診斷，并實時報警;能夠對原始數據進行初級校驗和選擇存儲;能夠按照既定程序自動完成或在用戶干預下進行數據采集。

4.1 傳感器模塊

傳感器模塊是整個運營監測系統的硬件基礎，通過傳感器來記錄結構響應及荷載、環境特征值，以模擬信號或數字信號反饋給數據采集系統。傳感器的選擇原則:可靠性、實用性、耐久性、經濟性。

大勝關長江大橋及鄭州黃河公鐵兩用橋運營監測系統的傳感器包括以下類型:橋址環境監測采用大氣溫濕度傳感器、機械式及超聲式風速風向儀;結構溫度及應變監測采用FGB光纖光柵傳感器;主梁線形監測采用壓差變送器;主梁及橋墩的振動監測采用磁電振動傳感器;梁端及中間支座位移監測采用拉繩式位移傳感器;斜拉索的索力監測采用電容式加速度索力動測儀;列車速度監測采用多普勒原理的測速雷達;列車車號識別采用國內快速標配鐵路車號讀取器。

4.2 信號采集與傳輸模塊

信號采集與傳輸模塊完成傳感器信號的采集、調理，并把信號實時傳輸到數據管理分系統。該模塊又可分為信號采集系統、信號傳輸系統和輔助支持系統三部分。其中信號采集系統是由布置在橋梁結構內部或橋面的調理設備、采集設備、采集計算機和傳感器電纜網絡等組成;信號傳輸系統由布置在橋梁外場工作站機柜內和監控中心機房內的網絡傳輸設備及網絡傳輸線纜組成;輔助支持系統由外場及監控中心輔助上述系統正常運行的設備組成，包括外場機柜、外場機箱、配電及UPS、防雷和遠程電源監控等子系統。

信號采集及傳輸模塊的目標功能:通過自編軟件實現信號采集、存儲、數據前處理、同步、數據傳輸、參數配置、采樣控制、系統自檢等功能;對所有傳感器信號按照相應的采集制度和采樣頻率進行實時數據采集和預處理;連續采集或觸發采集傳輸各類實時監測數據。對于特殊傳感器的獨立數據采集系統，通過COM接口的方式對其進行軟件集成，完成各種數據的交換，并盡可能對原采集軟件的正常工作影響最小。自動化監測分系統拓撲圖見圖3。

圖3 自動化監測分系統拓撲圖

5 電子化人工巡檢分系統

電子化人工巡檢分系統結合大橋人工巡檢和定期檢測工作，針對橋梁局部構件劣化以及損傷部位進行數據采集和巡檢管理。該分系統的主要目標:涵蓋各種層次和頻度的巡檢，實現日常巡檢工作的電子化;提供便捷的巡檢信息數據錄入手段和接口;提供病害資料庫及合理的處理措施供相關人員參考。分系統采用B/S結構向用戶提供公共的交互界面，不同權限用戶可以在局域網或廣域網使用管養系統。通過該巡檢系統，巡檢人員可利用手持巡檢終端進行數據錄入，不需要傳統的先手工記錄再錄入系統的過程，使得巡檢無紙化。

電子化人工巡檢分系統主模塊包括電子化巡檢、報告報表以及系統管理。

6 數據分析處理分系統

數據分析處理分系統由布置在監控中心的服務器完成，接收并處理自動化監測分系統采集到的監測數據、人工巡檢數據和其它系統數據。數據分析處理分系統包括信號處理和數據分析統計。

信號處理模塊側重于數據的實時信息提取，接收來自于自動化監測分系統的數據信號。信號處理首先對原始數據信號進行解調、清洗、整理;然后對異常數據進行診斷識別，根據信號的異常情況診斷儀器設備的工作狀態，并對異常數據進行校正處理;最后對監測數據進行特征參數統計、計算目標測量，為數據分析模塊提供“干凈”的監測數據，并且將數據存入中心數據庫。

數據分析統計模塊側重于數據的長期信息提取，從中心數據庫獲取經過處理后的長時間數據，進行在線、離線分析，通過統計分析、特征提取、數據挖掘的手段來獲取隱含特征、長期規則、模型參數，并將結果存入中心數據庫。數據分析采用了特征值提取、統計分析、趨勢分析、對比分析、相關/相干性分析、回歸分析等相關分析方法。

6.1 結構溫度監測數據分析

大勝關長江大橋結構溫度場見圖4。由圖4可知:桿件截面梯度溫差最大，溫差最大值達18.2℃;其次是結構豎向溫差，溫差最大值為10.8℃;結構橫向溫差最小，溫差最大值不超過3℃。數據分析表明，日照是引起桿件截面梯度溫差和結構豎向溫差的主要因素，結構溫度的變化會影響結構應力的分布，因此在夏季陽光強烈時應加強結構溫度和應變監測。

圖4 結構溫度場

6.2 支座位移監測數據分析

支座位移與結構溫度相關性見圖5。由圖5可知:支座位移與結構溫度具有良好的線性相關性，但是由于支座位移變化較溫度變化存在一定的相位差，導致支座位移與溫度相關性表現出特定的圓環特性。數據分析表明:支座位移與結構溫度相關性的斜率變化可以反映支座的工作性能;通過統計支座位移的總里程可以科學合理地安排支座檢修和養護工作。

圖5 支座位移與結構溫度相關性

6.3 動應變監測數據分析

對動應變監測數據通過雨流計數法得到疲勞應力幅值和循環次數［10］，再利用名義應力法中的S-N曲線，結合Miner疲勞損傷線性疊加理論計算橋梁結構累積疲勞損傷，并評估橋梁結構的剩余使用壽命。疲勞應力幅值見圖6。

圖6 疲勞應力幅值

6.4 振動監測數據分析

對振動監測數據首先利用切比雪夫濾波器進行濾波;然后利用小波包［11-12］技術進行分解重構，剔除振動數據中的趨勢項;最后利用傅里葉時頻轉換方法進行頻譜分析得出幅頻特性，并提取出橋梁的各階振動頻率，用于評價橋梁的整體剛度和動力特性。振動信號的幅頻特性見圖7。

圖7 振動信號的幅頻特性

7 數據管理分系統

數據數據管理分系統是在橋梁信息數據庫的基礎上，為橋梁管理工作提供全面、科學的監測數據，逐步實現管養工作數字化、信息化、規范化、科學化，提高橋梁養護管理水平。基本目標:為技術狀況評定提供相關數據;提供信息查詢、統計分析及報告報表輸出;為用戶提出橋梁養護、維修各項建議和橋梁養護管理決策。

大橋監測體系中各類數據量龐大，類型多且雜，因此需要建立完善的數據庫系統，用于分類存儲、查詢、調用。監測系統共構建9類數據庫，能夠快速及時地通過計算機網絡提供橋梁狀態信息，靈活地以圖文并茂、友好自主的方式顯示。數據庫管理工作主要包括系統狀態監控、數據查詢、信息維護、結構狀態、系統維護及管理等工作。數據管理分系統框架見圖8。

圖8 數據管理分系統框架

數據管理分系統管理橋梁的所有動態、靜態數據(設計資料、施工期資料、實時監測數據、人工巡檢數據、預警評定結果及系統管理信息等)，完成數據的歸檔、查詢、存儲，并將監測數據及分析結果應用于橋梁養護管理。

8 結論

1)根據大跨度高速鐵路橋梁的運營特點，橋梁橫向振幅、豎向加速度等影響列車行車安全的參數應作為監測的重點。

2)大跨度高速鐵路橋梁運營監測系統應將自動化監測和人工巡檢相結合，建立全面、綜合的橋梁信息數據庫，為大橋的養護管理提供科學的依據。

3)對監測數據的分析處理方法進行了研究，其分析結果對橋梁管養有一定的指導作用。結構溫度場的變化會影響結構應力的分布，在夏季陽光強烈結構溫差較大時，應加強結構溫度和應變監測;支座位移與結構溫度相關性的斜率變化可以反映支座的工作性能;通過統計支座位移的總里程數可以指導安排支座檢修和養護工作;通過橋梁結構累積疲勞損傷可以評估橋梁的剩余使用壽命;橋梁各階振動頻率可以反映橋梁的整體剛度和動力特性。

4)在預警評定方面還需要進一步深入研究，建立合理的評估指標體系，為管養人員提供直觀明確的科學數據。

目前該系統已經成功應用于南京大勝關長江大橋和鄭州黃河公鐵兩用橋的運營監測，其中大勝關長江大橋運營監測系統于2011年6月建成投入使用，鄭州黃河公鐵兩用橋運營監測系統于2012年7月建成投入使用，為大橋管養提供了科學數據，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營監測系統具有很好的經濟性、實用性和穩定性，可在大跨度鐵路橋梁運營監測中廣泛推廣和應用。

［1］頓小紅.從世界高速鐵路發展看我國高速鐵路建設［J］.現代商貿工業，2007，19(6):22-23.

［2］鄭健.中國高速鐵路橋梁［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［3］岳青.大勝關長江大橋營運監測系統設計方案［Z］.武漢:中鐵大橋勘測設計院有限公司，2011.

［4］易倫雄.大勝關長江大橋工程特點與關鍵技術［J］.鋼結構，2007，22(4):78-80.

［5］岳青.鄭州黃河公鐵兩用橋營運監測系統設計方案［Z］.武漢:中鐵大橋勘測設計院有限公司，2012.

［6］肖海珠，高宗余.鄭州黃河公鐵兩用橋主橋結構設計［J］.鐵道勘察，2007，33(增1):30-34.

［7］蔡建軍，劉芳，楊連軍，等.基于結構實時響應的錢塘江大橋安全監測系統［J］.鐵道建筑，2014(5):21-26.

［8］中華人民共和國鐵道部.鐵路橋梁檢定規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2011.

［9］李愛群，繆長青.橋梁結構健康監測［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［10］郭彤，李愛群.基于長期監測數據的橋面板焊接細節疲勞壽命評估［J］.土木工程學報，2009，42(6):66-72.

［11］劉濤，李愛群，丁幼亮，等.基于小波包能量譜的結構損傷預警方法試驗研究［J］.振動與沖擊，2009，28(4):4-9.

［12］滕軍，朱焰煌，周峰，等.自適應分解層數的小波域中值濾波振動信號降噪法［J］.振動與沖擊，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

(責任審編鄭冰)

2015-09-11;

2015-11-08

國家973計劃項目(2013CB036203);中國鐵路總公司重大課題(2014G004-B)

岳青(1968—)，男，高級工程師。