高原高寒地區橋梁長期監測技術應用研究

王樂然，趙相卿，肖祥淋

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

高原高寒地區橋梁長期監測技術應用研究

王樂然1，趙相卿2，肖祥淋1

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

為準確掌握惡劣環境和列車荷載的共同作用下，青藏鐵路混凝土橋梁的服役狀態和病害發展，同時為類似條件下進行橋梁監測提供借鑒，針對青藏鐵路沿線K973石灰溝特大橋的墩梁振動特性和既有病害的發展展開了長期監測。實踐證明:現場太陽能供電和GSM/GPRS無線網絡傳輸條件，基本可以支撐監測系統的正常工作;專門研發的現場數據采集分析設備和軟件調控平臺，能夠適應高原高寒地區混凝土橋梁長期監測的需要，系統穩定、數據可靠。監測結果顯示，石灰溝特大橋既有橋臺前傾的病害發生并穩定后，對相鄰梁體及橋墩的工作狀態暫無不利影響。

青藏鐵路 橋梁 監測

青藏鐵路等基礎設施的工程問題和病害主要由地基多年凍土引起，國內外研究機構和工程單位圍繞凍土病害進行了長期的研究和實踐活動。針對橋梁結構的研究工作，主要從提高結構耐久性和減少橋梁工程對凍土的擾動等方面開展。中國鐵道科學研究院、鐵道專業設計院、中鐵第一勘察設計院、北方交通大學等研究設計單位，從青藏鐵路橋梁工程的結構、材料和工藝等方面研究了橋梁結構形式和提高耐久性的措施，諸如采用摻加改性材料和外加劑的高性能混凝土、較大跨度的簡支結構、先張法預應力混凝土梁、圓柱面鋼支座以及真空灌漿工藝等措施，可以較好地適應施工和使用環境條件，減少對凍土干擾，從整體上提高橋梁的耐久性［1-4］。前期的研究工作主要集中于橋梁結構的設計和施工階段。本文通過2011—2012年青藏鐵路昆侖山區石灰溝特大橋監測系統的構建和運營，對高原高寒地區的橋梁監測技術進行了初步探索。

1 橋梁監測方案設計

2009年，根據對青藏鐵路橋梁服役狀態的調查分析，擬重點針對中心里程為K973+551等具有典型病害的預應力混凝土橋梁實施監測。經現場調研，病害橋梁位于北緯35°的昆侖山區，海拔4 700 m以上，區內年平均氣溫在-3.5℃以下，多年凍土厚度在20～100 m，年平均地溫為-2℃～-3℃，現場氣壓為0.5～0.6個標準大氣壓，年平均濕度為33%，實際日間陽光照射時間不足6 h，現場僅有鐵路專用電和GSM-R鐵路專用通訊網絡、GSM/GPRS移動網絡等供電和通訊條件。

列車作為鐵路橋梁的主要運營荷載，其通過時對橋梁結構的動力影響較大且頻繁，是鐵路橋梁長期監測的重要內容。青藏鐵路實際運營的車輛多為行包車和客車，牽引機車采用從美國GE引進的23 t軸重NJ2型內燃機車，貨車車輛多為棚車P62，P64，P65，P70，P80以及敞車C64等。青藏鐵路行車頻率較低，每天約20列，機車車輛軸重較小，過橋速度較低，約為30～40 km/h。

根據實際調研結果和需求分析，青藏鐵路橋梁監測系統及現場設備應具備以下功能。

1)監測內容應涵蓋橋梁梁體以及病害墩臺、支座等部位。

2)設備結構合理耐用、功能模塊化、低功耗，以滿足分布式區域監測大量使用的需求。

3)數據信號以動態模擬信號為主，為不過分增加傳輸負擔，在滿足使用的前提下，采樣精度以夠用為原則，現場采集系統應具備濾波、積分、放大等基本調理功能，同時應保證在青藏鐵路沿線環境下系統的耐候性和可靠性;對于不同測試內容和信號內容的數據采集，應通過設計相互獨立功能模塊實現，并與功能控制部分分離，以提高采集部分的可靠性和耐久性。

4)考慮到鐵路橋梁監測的現場條件，采集和傳輸系統設計的器件選型和外殼設計至少應適應-40℃～50℃的工作溫度，并具備防水功能。

5)列車行車時間相對固定，因此可通過定時觸發實現采集系統的模式轉換。

6)使用太陽能電源。

7)鐵路沿線覆蓋無線網絡，采用無線遠程傳輸，可大大降低系統安裝難度，有利于多點分布式監測系統的布局和功能實現(圖1)。在無線網絡平臺上，可以自由地增加監測節點、擴大監測區域，用戶可以通過手機終端實現系統控制和查詢。

8)軟件平臺界面簡潔、清晰，易操作。

圖1 多點分布式監測系統布局

2 橋梁監測實施

根據對青藏鐵路橋梁實施監測的功能需求，采用多點分布監測的低功耗模塊式無線采集/傳輸系統和現場調控軟件平臺(圖2)，該系統采用獨立模塊化可靠設計，集各類常用動靜態信號的調理、采集、傳輸以及系統管理與控制于一體，使用操作簡單、安裝維護方便。

圖2 數據采集和分析調控平臺

主要功能特點如下:

1)供電電源反接保護;

2)供電電源電壓檢測;

3)備用電源供電的時鐘模塊，可避免主電掉電時時鐘丟失;

4)可控DC-12V電源輸出;

5)SD卡大容量本地存儲;

6)遠程雙向GSM/GPRS數據傳輸;

7)用戶手機終端可隨時獲取系統狀態并進行控制;

8)運行模式可選擇:自動/正常;

9)節能模式設定;

10)具備全雙工RS485、串行RS232以及CAN總線接口;

11)定時觸發，實現工作、待機等模式轉換。

監測點石灰溝大橋中心里程為K973+551.02，全長504.2 m，中心里程處軌底海拔高度為4 720.59 m。橋梁上部結構為15孔預應力混凝土雙片式T梁，圖號為青藏耐久梁07。支座采用QZ-YZM圓柱面鋼支座，格爾木端為固定端。下部結構為T形臺、圓形橋墩、鉆孔灌注樁基礎。設計荷載為中—活載。橋上線路為直線，縱坡為20%。本橋竣工時間為2003年6月。

根據青藏公司工務部門提供的2009年資料以及2010年間對該橋進行的現場調查情況來看，本橋存在的主要問題有:活動支座上、下擺縱向錯位，限位塊頂裂(圖3);格爾木橋臺固定支座下擺錨固螺栓剪斷;梁體之間或梁體與橋臺之間的伸縮縫間隙減小;格爾木橋臺的臺后填土路基沉降，片石護坡沉降、開裂。2011年底，青藏鐵路公司工務部對該橋進行了支座更換。

圖3 石灰溝大橋支座病害

K973石灰溝大橋監測系統主要由傳感器子系統、采集和傳輸子系統、供電子系統構成。根據橋梁結構和病害的特點，傳感器子系統由振動傳感器、位移傳感器和溫度傳感器構成，振動傳感器布設于第1，2，3孔梁的跨中和第1#，2#橋墩，用于監測梁體橫向振幅、豎向加速度及墩臺結構橫向及縱向剛度的長期變化規律。鑒于1#，2#橋墩支座螺栓部分被剪斷、活動支座縱向限位塊被頂彎的病害，位移傳感器布設于該部位，用以監測該處梁體與墩臺的相對位移(圖4、圖5)。監測系統中的采集和傳輸子系統采用定時采集、定時傳輸的工作模式，非工作模式下系統處于休眠狀態，這樣有效地降低了現場設備功耗和傳輸負擔。現場傳輸采用GPRS網絡實現數據遠程無線傳輸，供電子系統采用太陽能電池板、控制器和蓄電池的結構。

圖4 監測點分布

圖5 位移傳感器

3 監測數據分析［5-8］

梁體的橫向剛度是衡量梁體抵抗橫向荷載引起的變形能力的重要內容，跨中橫向振幅和橫向自振頻率是其中關鍵的參數。對K973石灰溝大橋的第1，2，3孔梁列車通過時跨中橫向振幅進行長期監測，監測時間約6個月。結果顯示:車輛通過第1，2，3孔梁所引起的跨中橫向振幅(圖6為第3孔梁)最大值分別為1.057，1.161和1.093 mm，橫向一階自振頻率為4.004，4.004和3.906 Hz，滿足《鐵路橋梁檢定規范》中預應力混凝土簡支梁跨中橫向振幅和自振頻率的通常值要求。第3孔梁的跨中橫向振幅均值略大于第1，2孔梁，初步分析這是由于原格臺前傾造成梁體縱向頂緊的程度不同所致，管養單位為防止病害發展加設了縱向、橫向等臨時限位措施影響了橋梁的邊界約束條件，這也造成了梁體橫向振動特性的區別。

圖6 第3孔梁跨中橫向振幅最大值分布

列車通過橋梁時，會激發鐵路橋上部結構產生較大的加速度，在非常不利的情況下，會導致道床結構的不穩定，影響行車安全。考慮到青藏鐵路沿線凍土融沉、凍脹引起的橋梁基礎和墩臺變形對梁軌結構安全及旅客乘坐感受的影響，選擇第1～3孔梁跨中豎向加速度進行監測(圖7)。根據現場測量，K973石灰溝特大橋第1，2，3孔梁跨中位置軌枕底至梁頂面道砟厚度均約為35 cm，符合設計和規范要求;橋上鋪設有縫鋼軌，第1，2孔梁跨中位置距最近軌縫10 m左右，第3孔梁跨中位置距最近軌縫約2 m，列車輪對通過軌縫造成的沖擊，是引起第3孔梁跨中豎向加速度略大于第1，2孔梁的主要原因。

圖7 梁體跨中豎向加速度最大值分布

為掌握行車對于橋梁原有病害發展的影響，選擇在第1#，2#墩活動支座處，對行車時墩梁間的相對縱向位移進行長期監測。監測結果顯示，活動支座處墩梁間縱向相對位移最大值在0.12～2.24 mm范圍內。從數據上看，由行車引起的墩梁間縱向相對位移很小，更換后的活動支座能夠滿足梁體縱向活動的需要。第1#，2#墩的墩頂橫向振幅最大監測值分別為0.677，0.496 mm，縱向振幅最大監測值分別為0.299，0.277 mm，墩頂橫向振幅滿足《鐵路橋梁檢定規范》通常值的要求。

4 結語

青藏鐵路格拉段全線長1 142 km，橋梁約占14%，多為常用跨度簡支混凝土結構，數量較大，沿線分布廣泛，管養任務繁重。本文通過在格拉段典型病害橋實施長期監測，并對監測數據進行統計分析，得出以下結論:

1)受惡劣環境和現場條件的制約，高寒高原地區橋梁長期監測系統應采用多點分布的布局模式，監測設備應具備結構合理耐用、耐低溫、耐低壓、防水、低功耗和功能模塊化的特點;系統供電使用太陽能;數據傳輸采用GSM-R鐵路專用通訊網絡或GSM/GPRS移動網絡。

2)2011—2012年對K973石灰溝大橋監測數據顯示，梁體和橋墩的橫向振動特性滿足《鐵路橋梁檢定規范》規定的通常值的要求;更換后的活動支座可以滿足梁體縱向活動的需要;該橋原有格臺前傾的病害發生并穩定后，對病害相關梁體及橋墩的工作狀態暫無明顯不利影響。

3)實踐證明，石灰溝大橋橋梁服役狀態監測系統能夠滿足現場數據實時采集、分析和遠程傳輸的需要，對推動高寒高原地區橋梁監測技術進步及提高橋梁養修效率具有積極的意義。

［1］中國鐵道科學研究院.青藏鐵路低溫早強耐腐蝕高性能混凝土應用試驗研究階段報告［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2001.

［2］鐵道專業設計院.青藏線常用跨度橋梁提高耐久性措施試驗研究報告［R］.北京:鐵道專業設計院，2002.

［3］辛學忠.青藏鐵路橋梁結構形式和提高耐久性措施分析研究［J］.橋梁建設，2002(6):6-10.

［4］吳少海.青藏鐵路多年凍土區橋涵設計與施工［J］.冰川凍土，2003，25(增1):59-68.

［5］胡大新.八渡南盤江大橋模態試驗分析［J］.鐵道建筑，2013 (4):1-5.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［7］中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］120號鐵路橋梁檢定規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［8］中國科學院數學研究所.常用數理統計方法［M］.北京:科學出版社，1973.

Study on application of long-term monitoring technology for bridges in plateau cold area

WAN Leran1，ZHAO Xiangqing2，XIAO Xianglin1
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Northwest Research Institute Limited Company of CREC，Lanzhou Gansu 730000，China)

A long-term monitoring on vibration characteristics and development of existing disease of K973 Shihuigou Bridge in Qinghai-Tibet Railway was conducted to understand the performance of bridges in service under the train live load in the severe environment.This case study can offer valuable reference and experiences for bridges under the similar conditions.It proved that solar energy and GSM/GPRS wireless network satisfy the requirements for normal functioning of monitoring system.A special Data Acquisition/Analysis Instrument and a Debugging/ Controlling Software Platform were used to monitor concrete bridge in Qinghai-Tibet Alpine area.The monitoring data indicated that the stabilized inclination of the abutment had little adverse effect on the adjacent piers and girders in service.

Qinghai-Tibet Railway;Bridge;Monitor

U446.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.04

1003-1995(2015)01-0019-04

(責任審編 孟慶伶)

2014-10-15;

2014-11-06

王樂然(1979—)，男，山東濟南人，助理研究員，碩士。