合福高鐵銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋梁縫值長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

吳振卿

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司蕪湖工務(wù)段，安徽蕪湖 241000)

1 監(jiān)測(cè)工點(diǎn)概況

銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋全長(zhǎng)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(jié)構(gòu)。橋上采用有砟軌道，主橋鋼桁梁梁端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和伸縮裝置[1-2]。調(diào)節(jié)器采用BWG SA60-1200型單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，伸縮量達(dá)到±600 mm，是目前我國(guó)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(diào)節(jié)器的服役狀態(tài)，若梁縫值超出調(diào)節(jié)器的最大伸縮量程，將會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)器超量程使用，危及行車安全，因此有必要對(duì)梁縫值進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[5-7]。銅陵長(zhǎng)江大橋梁端鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和抬軌裝置如圖1所示。

圖1 銅陵長(zhǎng)江大橋梁端鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和抬軌裝置

2 監(jiān)測(cè)方法

振弦式監(jiān)測(cè)方法[8-10]是一種技術(shù)成熟且被廣泛應(yīng)用的監(jiān)測(cè)方法。振弦式監(jiān)測(cè)方法具有數(shù)字傳感器在應(yīng)用和傳輸中的諸多優(yōu)點(diǎn)，在信號(hào)傳輸理論中線路阻抗的變化頻率信號(hào)值是不受影響的，所以振弦式傳感器可以方便地實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)電纜遠(yuǎn)距離的傳輸，傳輸?shù)男盘?hào)不會(huì)衰減，因此也不需要進(jìn)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(dāng)弦的長(zhǎng)度確定之后，其固有振動(dòng)頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過相應(yīng)的測(cè)量電路，就可得到與拉力成一定關(guān)系的電信號(hào)。通過傳感器將這些電信號(hào)傳輸?shù)讲杉瘍x，采集儀經(jīng)過信號(hào)處理還原，得到所需要的監(jiān)測(cè)物理量[11-13]。

根據(jù)銅陵長(zhǎng)江大橋梁端鋼軌伸縮調(diào)節(jié)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)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(shù)指標(biāo)

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

振弦式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)測(cè)量單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

數(shù)據(jù)測(cè)量單元測(cè)量梁縫值，利用數(shù)據(jù)采集傳輸單元對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、備份，并借助無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)管理分析單元，最終完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、分析和預(yù)測(cè)預(yù)警等功能。防雷端接線單元主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)測(cè)量單元提供防雷保護(hù)，供電單元主要是為數(shù)據(jù)測(cè)量單元和數(shù)據(jù)傳輸單元提供電源。

3.1 數(shù)據(jù)測(cè)量單元

數(shù)據(jù)測(cè)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(cè)安裝了防護(hù)罩。

現(xiàn)場(chǎng)在銅陵長(zhǎng)江大橋銅陵端梁縫和無為端梁縫分別設(shè)置2個(gè)橋梁梁縫位移傳感器，傳感器分別位于線路的上行線側(cè)和下行線側(cè)(圖4、圖5)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元主要由數(shù)據(jù)采集儀、無線路由器、數(shù)字量集線器、固態(tài)硬盤等部分組成。

圖4 傳感器測(cè)點(diǎn)布置位置示意(單位：m)

圖5 現(xiàn)場(chǎng)安裝的位移傳感器及其保護(hù)罩

數(shù)據(jù)采集儀主要對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)字量集線器主要是對(duì)傳感器進(jìn)行統(tǒng)一接線后接入采集儀，無線路由器主要是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，固態(tài)硬盤是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行存儲(chǔ)備份。

圖6為數(shù)據(jù)采集機(jī)柜組成示意。圖6中①為空氣開關(guān)，②為電源，③為無線路由器，④為數(shù)字量集線器，⑤為溫度變送器，⑥為靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，⑦為固態(tài)硬盤，⑧為數(shù)字量信號(hào)線，⑨為模擬量信號(hào)線，⑩為電源線。

圖6 數(shù)據(jù)采集機(jī)柜

3.3 數(shù)據(jù)管理分析單元

數(shù)據(jù)管理分析單元包括數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。

數(shù)據(jù)接收模塊接收現(xiàn)場(chǎng)無線路由器通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸來的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)管理模塊將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過管理信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢(圖7)、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)對(duì)比分析等功能。

圖7 數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)中橋梁梁縫位移曲線

數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)還具備預(yù)警功能。由于銅陵長(zhǎng)江大橋梁端鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器允許的最大梁縫值為1 200 mm，當(dāng)監(jiān)測(cè)值大于1 200 mm時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將預(yù)警信息以短信的方式發(fā)送到大橋管理人員的手機(jī)上。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

合福高鐵銅陵長(zhǎng)江大橋梁縫伸縮位移量長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2017年4月18日安裝完成。現(xiàn)選取2017年4月20日至6月30日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[15]。

4.1 橋梁兩端梁縫值分析

圖8 橋梁梁縫值隨時(shí)間變化曲線

圖8為銅陵長(zhǎng)江大橋銅陵端和無為端橋梁梁縫值隨時(shí)間變化曲線。從圖8可以看出：

(1)無為端線路上行側(cè)梁縫的變化范圍為470.9～602.8 mm，線路下行側(cè)梁縫的變化范圍為469.6～601.4 mm，無為端線路上、下行兩側(cè)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(fā)生明顯的扭轉(zhuǎn)；

(2)銅陵端線路上行側(cè)梁縫的變化范圍為535.8～705.8 mm，線路下行側(cè)梁縫的變化范圍為536.9～706.6 mm，銅陵端線路上、下行兩側(cè)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(fā)生明顯的扭轉(zhuǎn)。

圖9為銅陵端與無為端梁縫值的比值隨時(shí)間變化趨勢(shì)。從圖9可以看出，銅陵長(zhǎng)江大橋兩端的梁縫值比值在1.03～1.36。銅陵長(zhǎng)江大橋孔跨布置由北向南為:4×32.7 m簡(jiǎn)支梁+(90+240+630+240+90) m五跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋+34×32.7 m簡(jiǎn)支梁，對(duì)于主橋而言，梁兩端對(duì)應(yīng)的溫度跨度是相同的，主要取決于梁端相鄰的簡(jiǎn)支梁溫度跨度。由于銅陵側(cè)簡(jiǎn)支梁的活動(dòng)支座靠近梁端，無為側(cè)簡(jiǎn)支梁的固定支座靠近梁端，因此銅陵側(cè)的橋梁溫度跨度為678 m，無為側(cè)的橋梁溫度跨度為645 m，比值為1.05，與監(jiān)測(cè)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(guān)。

圖9 銅陵端與無為端梁縫值比值隨時(shí)間變化趨勢(shì)

4.2 橋梁梁縫與大氣溫度關(guān)系分析

圖10為大氣溫度和橋梁梁縫隨時(shí)間變化趨勢(shì)。從圖10可以看出，橋梁梁縫的變化趨勢(shì)與氣溫的變化趨勢(shì)相反。當(dāng)溫度升高時(shí)，橋梁梁縫減小，當(dāng)溫度降低時(shí)，橋梁梁縫增大。

圖10 橋梁梁縫值與大氣溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

5 結(jié)論

橋梁梁縫的變化量直接影響到鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的服役狀態(tài)。為保證鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的正常使用，采用振弦式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)銅陵長(zhǎng)江大橋橋梁梁端的梁縫值進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并對(duì)2017年4月20日至6月30日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下。

(1)目前銅陵長(zhǎng)江大橋梁端的最大梁縫值為706.6 mm，小于調(diào)節(jié)器的最大允許伸縮量1 200 mm，調(diào)節(jié)器服役狀態(tài)正常。

(2)橋梁在溫度荷載作用下是均勻伸縮的，梁端沒有發(fā)生明顯扭轉(zhuǎn)。

(3)銅陵長(zhǎng)江大橋兩端的梁縫值比值在1.03～1.36。銅陵側(cè)的橋梁溫度跨度與無為側(cè)的橋梁溫度跨度比值為1.05，與監(jiān)測(cè)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(guān)。

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