合福高鐵銅陵公鐵兩用長江大橋梁縫值長期監測技術研究

吳振卿

(中國鐵路上海局集團有限公司蕪湖工務段，安徽蕪湖 241000)

1 監測工點概況

銅陵公鐵兩用長江大橋全長1 290 m，主跨為630 m，橋跨布置為(90+240+630+240+90) m，采用三桁三索面結構。橋上采用有砟軌道，主橋鋼桁梁梁端設置鋼軌伸縮調節器和伸縮裝置[1-2]。調節器采用BWG SA60-1200型單向鋼軌伸縮調節器，伸縮量達到±600 mm，是目前我國乃至世界上的最大伸縮量程[3-4]。由于橋梁梁縫的變化量直接影響到鋼軌伸縮調節器的服役狀態，若梁縫值超出調節器的最大伸縮量程，將會導致調節器超量程使用，危及行車安全，因此有必要對梁縫值進行長期監測[5-7]。銅陵長江大橋梁端鋼軌伸縮調節器和抬軌裝置如圖1所示。

圖1 銅陵長江大橋梁端鋼軌伸縮調節器和抬軌裝置

2 監測方法

振弦式監測方法[8-10]是一種技術成熟且被廣泛應用的監測方法。振弦式監測方法具有數字傳感器在應用和傳輸中的諸多優點，在信號傳輸理論中線路阻抗的變化頻率信號值是不受影響的，所以振弦式傳感器可以方便地實現長電纜遠距離的傳輸，傳輸的信號不會衰減，因此也不需要進行修正。

振弦式傳感器是以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當弦的長度確定之后，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過相應的測量電路，就可得到與拉力成一定關系的電信號。通過傳感器將這些電信號傳輸到采集儀，采集儀經過信號處理還原，得到所需要的監測物理量[11-13]。

根據銅陵長江大橋梁端鋼軌伸縮調節器的伸縮量，選用量程為±650 mm的拉線式振弦位移傳感器。如圖2所示，其各項技術指標見表1。

圖2 拉線式振弦位移傳感器

表1 位移傳感器的技術指標

3 監測系統

振弦式監測系統由數據測量單元、數據傳輸單元、數據管理分析單元、防雷接線端單元、供電單元等組成[14]。如圖3所示。

圖3 監測系統拓撲圖

數據測量單元測量梁縫值，利用數據采集傳輸單元對監測數據進行采集、備份，并借助無線網絡傳輸給數據管理分析單元，最終完成數據的存儲、查詢、分析和預測預警等功能。防雷端接線單元主要是對現場的數據測量單元提供防雷保護，供電單元主要是為數據測量單元和數據傳輸單元提供電源。

3.1 數據測量單元

數據測量單元由安裝在橋梁梁縫處的位移傳感器組成。橋梁梁縫位移傳感器一端固定在混凝土橋的擋墻上，一端焊接在鋼橋上。為保證傳感器的安全，在傳感器的外側安裝了防護罩。

現場在銅陵長江大橋銅陵端梁縫和無為端梁縫分別設置2個橋梁梁縫位移傳感器，傳感器分別位于線路的上行線側和下行線側(圖4、圖5)。

3.2 數據傳輸單元

數據傳輸單元主要由數據采集儀、無線路由器、數字量集線器、固態硬盤等部分組成。

圖4 傳感器測點布置位置示意(單位：m)

圖5 現場安裝的位移傳感器及其保護罩

數據采集儀主要對傳感器的數據進行采集，數字量集線器主要是對傳感器進行統一接線后接入采集儀，無線路由器主要是將采集到的數據進行無線傳輸，固態硬盤是對采集到的數據現場進行存儲備份。

圖6為數據采集機柜組成示意。圖6中①為空氣開關，②為電源，③為無線路由器，④為數字量集線器，⑤為溫度變送器，⑥為靜態數據采集儀，⑦為固態硬盤，⑧為數字量信號線，⑨為模擬量信號線，⑩為電源線。

圖6 數據采集機柜

3.3 數據管理分析單元

數據管理分析單元包括數據接收模塊、數據管理模塊和數據分析模塊。

數據接收模塊接收現場無線路由器通過無線網絡傳輸來的原始數據，數據管理模塊將原始數據轉化為統一格式存儲于數據庫內。數據分析模塊對數據庫內的監測數據進行處理，通過管理信息系統可以實現數據查詢(圖7)、數據下載、數據對比分析等功能。

圖7 數據處理分析系統中橋梁梁縫位移曲線

數據管理信息系統還具備預警功能。由于銅陵長江大橋梁端鋼軌伸縮調節器允許的最大梁縫值為1 200 mm，當監測值大于1 200 mm時，系統會自動將預警信息以短信的方式發送到大橋管理人員的手機上。

4 監測數據分析

合福高鐵銅陵長江大橋梁縫伸縮位移量長期監測系統于2017年4月18日安裝完成。現選取2017年4月20日至6月30日的監測數據進行分析[15]。

4.1 橋梁兩端梁縫值分析

圖8 橋梁梁縫值隨時間變化曲線

圖8為銅陵長江大橋銅陵端和無為端橋梁梁縫值隨時間變化曲線。從圖8可以看出：

(1)無為端線路上行側梁縫的變化范圍為470.9～602.8 mm，線路下行側梁縫的變化范圍為469.6～601.4 mm，無為端線路上、下行兩側梁縫的變化值十分接近，說明橋梁在溫度荷載作用下是均勻伸縮的，梁端沒有發生明顯的扭轉；

(2)銅陵端線路上行側梁縫的變化范圍為535.8～705.8 mm，線路下行側梁縫的變化范圍為536.9～706.6 mm，銅陵端線路上、下行兩側梁縫的變化值十分接近，說明橋梁在溫度荷載作用下是均勻伸縮的，梁端沒有發生明顯的扭轉。

圖9為銅陵端與無為端梁縫值的比值隨時間變化趨勢。從圖9可以看出，銅陵長江大橋兩端的梁縫值比值在1.03～1.36。銅陵長江大橋孔跨布置由北向南為:4×32.7 m簡支梁+(90+240+630+240+90) m五跨連續鋼桁梁斜拉橋+34×32.7 m簡支梁，對于主橋而言，梁兩端對應的溫度跨度是相同的，主要取決于梁端相鄰的簡支梁溫度跨度。由于銅陵側簡支梁的活動支座靠近梁端，無為側簡支梁的固定支座靠近梁端，因此銅陵側的橋梁溫度跨度為678 m，無為側的橋梁溫度跨度為645 m，比值為1.05，與監測的梁縫值比值接近，說明橋梁梁端的伸縮與橋梁的溫度跨度密切相關。

圖9 銅陵端與無為端梁縫值比值隨時間變化趨勢

4.2 橋梁梁縫與大氣溫度關系分析

圖10為大氣溫度和橋梁梁縫隨時間變化趨勢。從圖10可以看出，橋梁梁縫的變化趨勢與氣溫的變化趨勢相反。當溫度升高時，橋梁梁縫減小，當溫度降低時，橋梁梁縫增大。

圖10 橋梁梁縫值與大氣溫度隨時間變化趨勢

5 結論

橋梁梁縫的變化量直接影響到鋼軌伸縮調節器的服役狀態。為保證鋼軌伸縮調節器的正常使用，采用振弦式監測系統對銅陵長江大橋橋梁梁端的梁縫值進行了長期監測，并對2017年4月20日至6月30日的監測數據進行分析，主要結論如下。

(1)目前銅陵長江大橋梁端的最大梁縫值為706.6 mm，小于調節器的最大允許伸縮量1 200 mm，調節器服役狀態正常。

(2)橋梁在溫度荷載作用下是均勻伸縮的，梁端沒有發生明顯扭轉。

(3)銅陵長江大橋兩端的梁縫值比值在1.03～1.36。銅陵側的橋梁溫度跨度與無為側的橋梁溫度跨度比值為1.05，與監測的梁縫值比值接近，說明橋梁梁端的伸縮與橋梁的溫度跨度密切相關。

(4)橋梁梁縫值的變化趨勢與氣溫的變化趨勢相反。當溫度升高時，橋梁梁縫值減小，當溫度降低時，橋梁梁縫位移值增大。