大跨鐵路橋梁支座位移監測數據漂移現象分析及處理★

劉興旺 吳來義 劉 華 陳 斌 戴新軍

(1.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司，江蘇 南京 210061；2.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430050)

1 概述

大跨鐵路橋梁是鐵路建設的關鍵所在，也是鐵路運輸的重要節點[1]，為了保障大跨鐵路橋梁結構的運營安全，實時查看橋梁結構的運營狀態，科學指導橋梁結構的運營管養[2]，新建大跨鐵路橋梁設計時需考慮橋梁健康監測系統的實施與應用，為實現以上目標，橋梁健康監測系統監測數據需準確可靠，能夠反映結構的真實響應信息。然而對于系統海量監測數據而言，由于前端設備故障、噪聲干擾等問題，經常會出現諸如數據缺失、跳點、漂移等異常狀況[3]，需進行修正，其中，數據漂移通常是指數據由于某些原因在某一時刻總體偏離以往趨勢，漂移后的數據除了在量值上不同于以往的數據外，其趨勢特征和以往數據相同。工程實踐中，常用的數據漂移處理方法有“零變化值法”，該方法是假定數據漂移前后，前數據點正常，將后續數據消除前后點間距離進行修正，優點是處理簡單，然而偏移距離較難計算準確，受局部跳點影響較大，從而導致誤差不可控，修正后數據容易失真。王建等[4]采用回歸分析進行數據歸位并進行校正誤差分析，回歸分析方法誤差較小，然而數據的校正精度和數據模型選擇有關，不利于程序化實現。黃冠利等[5]提出基于時間序列算法修正歸位GPS數據漂移，提高了GPS定位數據的準確性，其通用性有待探究。研究發現，對于大跨鐵路橋梁而言，數據漂移現象并不完全是不符合結構力學特征的異常數據，部分數據漂移是結構真實的受力及變形狀態。數據漂移現象可分為突變式漂移和漸進式漂移，其中，突變式漂移往往是異常數據，比如：靜力水準管測量的梁體豎向位移數據由于主梁振動、水壓調整等因素產生數據的整體漂移。漸進式漂移通常是結構自身受力或者變形產生，是結構真實的響應特征，比如：軌道下縱梁動應變由于列車輪軌壓力產生的局部數據漂移。由于大跨鐵路橋梁支座位移漂移現象具有典型性和共性，本文以國內某大跨鐵路橋梁支座位移監測數據為例，對大跨鐵路橋梁支座位移監測數據漂移現象進行分析及處理。

2 工程概況

國內某大跨鐵路橋梁為兩塔五跨鋼桁梁斜拉橋，跨徑布置為90 m+240 m+630 m+240 m+90 m，主跨630 m，單孔雙向通航。鋼桁主梁為板桁結合結構，N型桁架。主桁寬度定為2×17.1 m，橫向采用三片主桁布置，桁高為15.5 m，節間長度15 m。京福客運專線線路中心線和廬銅鐵路線路中心線的線間距定為14.3 m。鋼梁主桁采用桁片式，桁片鋼梁長度30 m，單片最大重量約360 t。斜拉索為扇形三索面布置，采用抗拉強度標準值為1 860 MPa的鍍鋅鋼絞線斜拉索(單股索股絞線直徑為15.2 mm)。主塔為菱形鋼筋混凝土結構，塔高212 m。主塔順橋向寬度為9.6 m～16 m。下塔柱高32.517 m，采用單箱雙室截面，中塔柱高98.483 m，采用單箱單室截面，上塔柱高81 m，采用單箱三室截面[6-9]。監測系統于2015年7月正式運營，全橋共有測點305個，主要監測橋址環境、結構變形、結構受力及動態響應等。其中，支座位移測點共4個，采用磁致式位移傳感器，采樣頻率為1 Hz，布置在1號、6號墩處，上、下游對稱分布，測點詳細布置如圖1,圖2所示。

3 支座位移數據漂移現象分析

大跨鐵路橋梁支座位移監測數據漂移現象細分為漸進式漂移和突變式漂移，其中，漸進式漂移是指環境溫度及列車荷載等多種因素影響下，橋梁支座位移在較短時間漸進式增大或者減小到一定的數值，數據偏移的幅度較為穩定，幅值較小。突變式漂移是由于人為觸碰設備，大風等惡劣天氣，設備故障等原因影響而導致的監測數據數值突變，即某一個時刻起，監測數據突變到另一個量值，突變量值較為隨機。

以2018年1月21日及2018年1月31日，6號橋墩下游支座位移測點WY-15-01監測數據為例，解析支座位移漂移現象，支座位移時程如圖3a),圖3b)所示，可以看出，橋梁支座位移主要受環境溫度及列車荷載的影響，天氣良好的情況下，支座位移隨環境溫度呈現明顯的“類正弦變化趨勢”，數據漂移現象多發生在列車過橋時段。漸進式漂移現象如圖3c)，圖3d)所示，當環境溫度下降時，主梁收縮，支座位移漸進式減小，反之，當環境溫度上升時，主梁伸長，支座位移漸進式增加。支座位移漸進式漂移現象是結構正常的變形響應，即大跨鐵路橋梁主梁與支座位移間存在一定的摩擦力，隨著環境溫度的變化，主梁收縮或者伸長，由于端部摩擦力的存在對主梁因溫度變化導致的主梁變形有一定的約束力，當約束變形足夠大時，由于列車過橋產生振動，主梁對于支座壓力產生一定的變化，此時主梁與支座位移間的靜摩擦力轉為動摩擦力，釋放因支座摩擦力帶來的主梁變形，從而產生支座位移漸進式漂移現象，而非監測異常數據，不做處理。支座位移突變式漂移現象如圖3e)所示,監測數據突變前后，監測值具有一定差異，需進行平移歸位。

4 漂移數據處理

對于支座位移突變式漂移現象，采用概率統計方法進行數據歸位。將支座位移監測數據按天讀取，記一天支座位移監測數據為datai，i=1,2,…,86 400×f，f為支座位移監測數據的采樣頻率，對datai進行一階差分，得到差分值diffi，如圖4所示，由圖4a)可以看出，對于有漸進式漂移現象的支座位移而言，由于其支座位移變化連續，其一階差分值diffi小于設備數據采集精度值0.02 mm，不進行處理。對于有突變式漂移現象的支座位移而言，如圖4b)所示，查找一階差分值diffi>0.02 mm部分，并按照時間發生先后記錄其位置locj，j=1,2,…,n，n為支座位移監測數據突變式漂移次數，統計突變式漂移位置locj左右小區間監測數據的均值，小區間長度通常取2 min位移監測數據(防止局部跳點對小區間均值的影響)，即突變式漂移位置locj左側小區間為[locj-120×f,locj-1]，對應均值為meanj,left，右側小區間為[locj+1,locj+120×f]，對應均值為meanj,right，以locj左側支座位移監測數據為基準，將其右側監測數據平移Mj進行歸位，其中，Mj=|meanj,left-meanj,right|，數據平移歸位從左向右依次進行，平移歸位后的支座位移時程如圖5a)所示，圖中矩形框部分為漸進式漂移，其一階差分時程如圖5b)所示，修正后支座位移的一階差分值在設備精度內隨機變化。

5 對比分析

大橋6號墩主梁處裝有列車測速傳感器，監測列車的過橋時間及車速，統計2018年第四季度列車過橋時段支座位移變化幅值如圖6所示，由圖6a)可知，分析時段橋梁健康監測系統有效識別列車次數為5 924次，過車時段支座位移變化幅值最大值為3.79 mm。由圖 6b)可知，過車時段支座位移集中在[0,0.1]mm，變化幅值大于0.1 mm共有列車2 865次。該橋2015年采用單列動車組(CRH2C-2068)和重聯動車組(CRH2C-2068+CRH2C-2074)對支座位移進行了檢測，最大位移為1.331 mm，相對監測數據支座位移較小，一方面是因為橋梁結構隨著運營時間的增加，部分材料老化所致，另一方面是因為列車載重多樣所致。

6 結語

本文以國內某大跨鐵路橋梁監測系統為背景，分析了大跨鐵路橋梁支座位移漂移現象，主要結論有：

1)大跨鐵路橋梁支座位移監測數據漂移現象可分為漸進式漂移和突變式漂移，支座位移漸進式漂移現象是結構的正常響應，無需處理，支座位移突變式漂移現象為異常數據，需進行歸位修正。

2)支座位移漸進式漂移現象多發生在列車過橋時段，其漂移方向主要受環境溫度的影響，當環境溫度上升時，主梁伸長，支座位移漸進式增加，反之，當環境溫度下降時，主梁收縮，支座位移漸進式減小。

3)采用支座位移一階差分法定位突變式漂移位置，基于突變式漂移位置前后小區間均值可以準確實現數據歸位修正。

4)過車時段支座位移變化幅值最大值為3.79 mm對比2015年檢測試驗結果偏大，一方面是因為橋梁結構隨著運營時間的增加，部分材料老化所致，另一方面是因為列車載重多樣所致，列車過橋時支座漸進式漂移量增大。