重載鐵路鋼桁梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

孟憲洪 鞠曉臣 陳令康

1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062350；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

重載鐵路具有行車密度高、牽引質(zhì)量高、載重大的特點(diǎn)，其動(dòng)載強(qiáng)度大，受載頻率高，導(dǎo)致荷載效應(yīng)和材料應(yīng)力幅增加，加速了鋼桁梁橋的損傷、老化，縮短了橋梁服役期［1-2］。隨著我國重載鐵路軸重提高以及行車密度不斷增加，既有橋梁健康狀況更加惡化，因此有必要安裝橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁狀態(tài)，掌握橋梁運(yùn)行狀況，保證列車長期穩(wěn)定安全運(yùn)行［3］。

本文以朔黃鐵路64 m雙線鋼桁梁為工程背景，搭建橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于長期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀況，評(píng)估橋梁整體運(yùn)營狀態(tài)，為檢查養(yǎng)護(hù)維修提供技術(shù)參考。

1 工程概況

1.1 64 m雙線鋼桁梁

朔黃鐵路神池南—肅寧段（K0—K418）按一次性雙線設(shè)計(jì)；肅寧—黃驊港段（K418—K588）先期按單線設(shè)計(jì)，二期增建復(fù)線。選擇神池南—肅寧段（K0—K418）跨京港澳高速公路64 m雙線鋼桁梁（圖1）為研究對(duì)象，該梁桁高11 m，主桁中心距9.732 m，節(jié)間長8 m。橋上承載雙線鐵路，按雙線中-活載設(shè)計(jì)，北側(cè)線路為重車向，南側(cè)線路為輕車向。鋼梁主桁、橋面系、橫聯(lián)、上下平縱聯(lián)等采用Q345qD鋼，主桁上下弦桿截面采用焊接H形，桿件寬460 mm，高600 mm，最大板厚32 mm；腹桿除E0A1和A3E2采用箱形桿件外，其余桿件均采用H形桿，豎桿為不對(duì)稱截面。主桁內(nèi)側(cè)翼板加厚，板厚16 mm，外側(cè)厚12 mm；節(jié)點(diǎn)板厚16 mm。橋面系縱橫梁均為焊接工形，縱橫梁為不等高設(shè)計(jì)，縱橫梁上翼緣頂齊平，連接采用魚形板，縱梁下部采用三角形隅撐［4-5］。

圖1 64 m雙線鋼桁梁立面

1.2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成見圖2。其中，結(jié)構(gòu)自動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、視頻安全監(jiān)控子系統(tǒng)、電子化人工巡檢子系統(tǒng)用于荷載源、結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場信息的采集，將獲取的數(shù)據(jù)作一定處理后統(tǒng)一存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)中，并通過數(shù)學(xué)工具進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析；然后根據(jù)各特征參數(shù)所設(shè)定的安全閾值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全評(píng)估和預(yù)警功能；最后通過用戶界面子系統(tǒng)完成人機(jī)交互工作［6］。

圖2 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2 鋼桁梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容：①橋址環(huán)境監(jiān)測(cè)，包括橋址環(huán)境溫濕度；②結(jié)構(gòu)特征監(jiān)測(cè)，包括關(guān)鍵桿件及關(guān)鍵構(gòu)造應(yīng)力，結(jié)構(gòu)溫度、撓度、振幅、加速度，支座位移；③視頻監(jiān)測(cè)。

由于該橋?yàn)榇笮弯摻Y(jié)構(gòu)橋梁，測(cè)點(diǎn)有限，因此主要針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起控制作用的截面和關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過理論計(jì)算并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)合理選擇測(cè)點(diǎn)的數(shù)量、優(yōu)化布置，可以簡化數(shù)據(jù)的采集和后處理工作，有利于把握橋梁結(jié)構(gòu)的局部或整體狀態(tài)。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)立面布置見圖3。

圖3 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)立面布置

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)（圖4）包括：

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

1）數(shù)據(jù)感知層。用于基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集形式多樣化，各種形式數(shù)據(jù)信息均可進(jìn)行有效采集、傳輸。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的存儲(chǔ)環(huán)境，分析結(jié)果采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，原始數(shù)據(jù)采用對(duì)象存儲(chǔ)的方式實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的安全有效存儲(chǔ)［7］。

3）數(shù)據(jù)分析層。常見數(shù)據(jù)預(yù)處理方法包括數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)歸約等。數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，通過關(guān)聯(lián)性分析、趨勢(shì)分析、聯(lián)動(dòng)分析評(píng)判等分析算法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值的最大化。

4）功能模塊層。通過各種預(yù)處理和算法分析之后的數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)的應(yīng)用，主要功能模塊包括檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果展示、評(píng)估與診斷、報(bào)表生成、預(yù)警報(bào)警發(fā)布等。基礎(chǔ)設(shè)施長期監(jiān)測(cè)平臺(tái)依托信息化接口規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系實(shí)現(xiàn)邏輯層次之間的數(shù)據(jù)傳輸與交互，依托網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)體系實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［7］。

3 數(shù)據(jù)分析與狀態(tài)評(píng)估

3.1 數(shù)據(jù)分析

1）梁體跨中加速度

梁體跨中重車向加速度幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5。可知，該橋跨中橫向加速度集中在0.05、0.20 m/s2附近，與該橋通行輕車情況相符，跨中橫向加速度最大值為0.40 m/s2，小于鐵運(yùn)函〔2004〕120號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的1.40 m/s2。跨中豎向加速度集中在0.1、0.3 m/s2附近，最大值不超過0.6 m/s2。

圖5 梁體跨中重車向加速度幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2）梁體跨中振幅

梁體跨中重車向振幅幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6。可知：①該橋跨中橫向振幅集中在0.5、1.3 mm附近，與該橋通行輕車情況相符，跨中橫向振幅最大值為2.5 mm。鐵運(yùn)函〔2004〕120號(hào)表10.0.5-2中，有橋面系的桁梁橫向最大振幅通常值為L/（2.6B）=64/（2.6×5.75）=4.28 mm，其中L為跨度，B為主梁中心距，可知該橋橫向振幅最大值均小于通常值。②跨中豎向振幅集中在0.4、1.1 mm附近，最大值不超過2.3 mm。

圖6 梁體跨中重車向振幅幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3）鋼桁梁應(yīng)力

以端橫梁、邊縱梁、重車向下弦桿E0E1、重車向斜桿E0A1為例，分析桿件動(dòng)應(yīng)力變化情況，見圖7、圖8。可知，端橫梁應(yīng)力集中在4.2、25.0 MPa附近，這與該橋通行輕車情況相符，最大值不超過30.0 MPa；邊縱梁應(yīng)力主要集中在6.0 MPa附近，應(yīng)力較大時(shí)離散現(xiàn)象明顯，最大值不超過12.0 MPa；下弦桿應(yīng)力集中在10.5、63.0 MPa附近，最大值不超過84.0 MPa；斜桿E0A1應(yīng)力分布較為離散，最大值不超過12.0 MPa。這表明各桿件受力狀況良好，滿足運(yùn)營承載能力要求。

圖7 縱橫梁應(yīng)力變化情況

圖8 鋼桁梁桿件應(yīng)力變化情況

4）梁體跨中動(dòng)撓度

一天內(nèi)跨中重車向撓度變化情況見圖9。可知，在列車荷載作用下，跨中撓度變化明顯，出現(xiàn)峰值。一段時(shí)間內(nèi)梁體跨中動(dòng)撓度最大值變化情況見圖10，可知，梁體跨中最大動(dòng)撓度不超過22 mm，鐵運(yùn)函〔2004〕120號(hào)表10.0.3中列車豎向靜撓度的通常值為L/1 250=51.2 mm，梁體動(dòng)撓度小于該通常值。

圖9 一天內(nèi)跨中重車向撓度變化情況

圖10 一段時(shí)間跨中動(dòng)撓度最大值變化情況

3.2 基于1/3倍頻程譜的橋梁狀態(tài)評(píng)估

1/3倍頻程譜是一種頻域分析方法，具有譜線少、頻帶寬的特點(diǎn)，常用于機(jī)械振動(dòng)、聲學(xué)等測(cè)試分析以及頻帶范圍較寬的隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試分析等。倍頻程是由一系列頻率點(diǎn)以及這些頻率點(diǎn)附近頻帶內(nèi)信號(hào)的平均幅值（有效值）構(gòu)成，這些頻率點(diǎn)稱為中心頻率fc，中心頻率附近的頻帶處于下限頻率fl和上限頻率fu之間。1/3倍頻程功率譜可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)：

1）時(shí)域分析方法。即在整個(gè)分析頻率范圍，按照不同的中心頻率對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，然后計(jì)算出濾波后數(shù)據(jù)的均方值或均方根值（有效值），即可得到每個(gè)中心頻率的功率譜值和幅度譜值。

2）頻域分析方法。首先對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，計(jì)算出功率譜值或幅度譜值，然后利用功率譜或幅度譜值的數(shù)據(jù)計(jì)算每一個(gè)中心頻率帶寬內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值［8］。

對(duì)于同一座橋梁，在列車荷載作用下，橋梁上下游相同位置測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的頻域成分應(yīng)基本相同。基于此特點(diǎn)，可利用1/3倍頻程對(duì)朔黃鐵路橋梁整體狀態(tài)進(jìn)行分析，評(píng)估結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀。若某個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)于某一刻突然變化，且后面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不變回原始值時(shí)，排除傳感器故障，判斷橋梁可能存在損傷，后續(xù)需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)提出處理決策，并采取相應(yīng)的檢查維修措施。

相似性度量常用的方法比較多，比如歐式距離、夾角余弦、曼哈頓距離等。夾角余弦越接近1，歐式距離越小，說明兩點(diǎn)的空間位置重合度越高，兩個(gè)向量越相似，即測(cè)量數(shù)據(jù)未發(fā)生較大變化，可判斷橋梁結(jié)構(gòu)未發(fā)生損傷。常用的向量相似性指標(biāo)包括相關(guān)系數(shù)、余弦相似度和歐式距離。

由于傳感器每次采集的原始加速度數(shù)據(jù)長度不同，相關(guān)系數(shù)的適用性較低，因此只計(jì)算以歐式距離和余弦相似度為相似性度量的指標(biāo)。

根據(jù)上述分析結(jié)論，選取朔黃鐵路橋梁跨中橫向加速度（跨中重車向測(cè)點(diǎn)編號(hào)為JSD-06-08，跨中輕車向測(cè)點(diǎn)編號(hào)為JSD-06-10）的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，中心頻率對(duì)比見圖11。可知，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度有效值相差不大，頻帶能量占比相似，變化情況基本一致。

余弦相似度和歐氏距離計(jì)算結(jié)果分別見圖12、圖13。其中，余弦相似度集中在1附近，歐氏距離集中在0.01附近。根據(jù)夾角余弦定義和歐氏距離定義可知，上下游數(shù)據(jù)在各頻帶上的能量成分越相似，兩加速度時(shí)程越相似，表明當(dāng)前橋梁狀態(tài)良好。

圖12 中心頻率對(duì)比

圖13 中心頻率對(duì)比

4 結(jié)論

1）跨中橫向最大加速度為0.40 m/s2，豎向加速度集中在0.1、0.3 m/s2附近，最大值不超過0.6 m/s2；跨中橫向振幅最大值為2.5 mm，豎向振幅集中在0.4、1.1 mm附近；端橫梁應(yīng)力集中在4.2、25.0 MPa附近，最大值不超過30 MPa；邊縱梁應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯；斜桿E0A1應(yīng)力分布較為離散，最大應(yīng)力不超過12 MPa；下弦桿應(yīng)力分布較為集中，最大應(yīng)力不超過83 MPa；梁體跨中動(dòng)撓度最大不超過22 mm，小于規(guī)范通常值。

2）對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的加速度、振幅、應(yīng)力、撓度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求。

3）對(duì)跨中重車向和輕車向橫向加速度進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)上下游加速度數(shù)據(jù)頻譜基本一致，表明當(dāng)前橋梁運(yùn)行狀況良好。