基于結構實時響應的錢塘江大橋安全監測系統

蔡建軍，劉 芳，楊連軍，唐 鋒

(1.上海鐵路局，上海 200071;2.上海鐵路局杭州工務段，浙江 杭州 310009;3.北京鐵科金弟測控技術有限公司，北京 100081)

1 概述

1.1 錢塘江大橋概況

錢塘江大橋是由我國著名橋梁專家茅以升先生設計并主持施工的第一座雙層式公鐵兩用特大橋。上層為雙車道公路，下層為單線鐵路。原設計荷載鐵路為E-50級，合中-21.5級;公路為H-15級，合汽-11.7級。鐵路橋由1×13.76 m上承板梁+1×14.63 m上承板梁+16×65.84 m簡支鋼桁梁+1×14.63 m上承板梁組成。現鐵路橋為滬昆繞行線，橋梁中心里程為K8+219。橋上輔設有縫線路，直線。正橋1～6孔為平坡、7～12孔為 －3.2‰下坡、13～16孔為 －4.9‰下坡。正橋長1 072 m，16孔簡支鋼桁梁跨度為65.84 m，桁高10.7 m，主桁中心距6.1 m，除風撐及公路承載部分外，均為鉻銅合金鋼制造，用鉚釘連接。正橋橋墩共15座，其中1#～6#墩直達巖層，7#～15#墩墩底深入沖刷線以下3～4 m，置放在27～30 m長的木樁上，每墩160根，均深達巖層。

大橋于1937年9月通車后不久，即遭受戰爭破壞。1953年10月鋼梁修復后，大橋才恢復其設計的承載能力。至2006年，大橋經歷了多項檢定試驗和修復工程。2006年5月25日，錢塘江大橋被國務院批準列入第六批全國重點文物保護單位名單。目前大橋仍承擔著鐵路運輸任務。

1.2 監測系統概況

根據2009年4月常規檢定試驗結論，錢塘江大橋存在多項病害。2011年初，上海鐵路局工務處組織召開“錢塘江大橋技術管理及安全監測系統專家研討會”，與會專家建議建設大橋安全監測系統，對大橋結構實時響應進行長期監測，為保障大橋運營安全和指導養護維修提供科學和有效的技術手段。2012年2月上海鐵路局立項建設錢塘江大橋安全監測系統。

大橋安全監測系統主要是對橋梁結構振動、橋墩振動、橋梁支座位移和撓度的實時響應進行長期監測，以評估橋梁的動力性能;對橋梁控制桿件和病害桿件所受應力的實時響應進行長期監測，以評估橋梁結構受力狀態和疲勞特征。進而評估橋梁安全狀態，并對超限狀態或非常狀態進行預警。大橋安全監測系統主要包括:監測傳感器系統、數據采集與數據傳輸系統、數據處理與數據分析系統、安全評估與預警系統。

通過對大橋結構的分析，并依據《鐵路橋梁檢定規范》(以下簡稱《規范》)、大橋常規檢定試驗結論、維修養護單位提供的結構病害現狀，首先確定了監測點，進而完成了系統總體設計、數據分析模型建立、傳感器選型、設備研制與軟件開發、安裝施工、系統調試與試運行等項工作。2012年底，錢塘江大橋安全監測系統建設完成，進入實際運用階段。

2 大橋安全監測系統設計

2.1 監測內容與監測點布置

科學、合理地確定監測內容和監測點布置是實現橋梁安全監測目標的前提。對監測內容和監測點進行了初始設計，再經專家論證，結合橋梁實際狀況，經過多次修改，最終確定了實施方案。

1)對重點鋼桁梁的振動實時響應進行監測

錢塘江大橋使用年限長，發生過多次損壞，病害點多，很多部位已經無法修復。大橋的橫向剛度差，對行車安全構成威脅，必須對重點鋼桁梁橫向振動特性進行監測。為此，在第6，9，10和13孔鋼桁梁上布置了橫向振動振幅、振動加速度監測點。為了更有效地評估橋梁安全狀態，在第6，10和13孔鋼桁梁上相應布置了梁體豎向振動振幅監測點，在第6，10孔鋼桁梁上布置了豎向振動加速度監測點。

2)對重點鋼桁梁控制桿件和問題桿件的應力實時響應進行監測

根據大橋常規檢定試驗結果，主桁U3L3豎桿和跨中縱梁為剩余壽命控制桿件，應重點關注第10，12和13孔鋼桁梁的臨界狀態，且第6和13孔梁存在明顯病害，需要對上述相應桿件應力實時響應進行監測，以評估橋梁結構受力狀態和疲勞特征。

3)對重點橋墩振動實時響應進行監測

大橋第14號橋墩基礎曾經出現病害，雖然經過大修加固，仍然需要進行監測，并與相鄰正常橋墩進行比對分析。為此，在第13，14號橋墩墩頂布置了橫向振動振幅和豎向振動振幅監測點。

4)對重點結構位移特性進行監測

大橋第10孔鋼桁梁銹蝕嚴重，因此選取其作為典型梁體進行結構位移監測，同時進行結構溫度監測，以綜合評估結構位移實時響應特性。為此，在相應梁體活動支座端布置縱向位移監測點和梁體溫度監測點。

5)對結構動撓度特性進行監測

大橋主桁動撓度是橋梁結構狀態的重要特征參數，但由于目前橋梁撓度實時響應監測技術尚不成熟，有針對性地開展了橋梁動撓度監測技術的研究與開發，在第6孔鋼桁梁上布置了撓度實時響應監測點。

6)對橋上行車情況進行監測

行車情況監測包括系統數據采集自動觸發和車速監測，為此在相應部位鋼軌側面布置了車軸監測點。

系統監測點布置如圖1所示。

圖1 系統監測點布置

2.2 系統架構與特點

1)系統用戶

錢塘江大橋由上海鐵路局杭州工務段管轄，因此系統設計了大橋車間和工務段兩級用戶，通過鐵路綜合IT網進行大橋安全監測信息發布和數據管理。而路局用戶可以通過工務段信息系統進入本系統，查閱相關信息。系統多級用戶網絡結構如圖2所示。

圖2 系統多級用戶網絡結構

大橋車間位于大橋杭州端橋頭，在大橋車間設置了專用的大橋安全監測系統機房。安裝在機房的大橋安全監測系統服務器是大橋長期監測數據的集匯、存儲和處理中心，負責監測信號采集、數據處理、安全評估和信息發布，以及系統控制和系統維護工作。在大橋車間和工務段設置了系統終端。大橋車間用戶管理和技術需求有限，因此大橋車間系統終端只需具有系統維護功能和基本信息顯示功能，系統操作簡捷明了。杭州工務段位于杭州市區，遠離大橋車間，其系統終端為大橋安全監測系統的遠程控制和信息瀏覽終端。工務段用戶管理和技術需求全面，因此其系統終端功能不僅包含大橋車間系統終端功能，還包括遠程系統控制、監測數據分析、安全評估和大橋養護維修輔助決策等功能。

2)系統結構

大橋安全監測系統主要包括傳感器系統、信號采集系統、數據傳輸系統、信號采集控制與數據處理系統、三維信息展示系統、安全評估與報警系統、局域網通信系統、遠程控制與維護系統。系統拓撲結構如圖3所示。

圖3 系統拓撲結構

每當列車通過大橋時，信號采集系統自動采集傳感器信號，通過數據傳輸系統(無線局域網)將采集數據傳輸至數據處理系統，進行橋梁安全評估和報警。通過鐵路綜合IT網，系統實現了大橋車間、工務段、路局三級信息共享;通過3G無線網或互聯網，系統實現了遠程故障診斷、系統維護，以及數據挖掘、專家論證等。

3)系統特點

錢塘江大橋安全監測系統與其它國內鐵路橋梁健康監測系統相比具有如下特點:

①大橋安全監測系統重點對影響橋梁運營安全的結構響應進行長期監測、安全評估、預警、報警，其監測目的和監測方式與橋梁健康監測系統對橋梁狀態和環境因素進行全面或廣泛的監測是不同的。這種橋梁安全監測方式特別適用于鐵路老齡橋、病害橋和重點橋梁長期的安全監測。

②采用了基于無線局域網通信技術的分布式數據采集結構。無線數據通信方式和分布式數據采集結構徹底解決了橋梁長期監測系統中傳感器、信號采集設備和系統設備之間信號、通信線纜布線與維護困難的問題，大大提高了橋梁監測的技術水平和工作效率，降低了監測系統建設和維護成本，使得系統更加實用。分布式數據采集結構也有利于系統規模和功能的靈活調整，適用于各種應用環境，特別是跨度大、監測點多且位置分散的大型復雜橋梁結構的監測。

③采用的信號采集設備是為鐵路橋梁安全監測系統研制的專用設備。該設備集成了針對各類傳感器的信號調理功能模塊，設備集成度高、通用性強、維護簡單。通過程控遙測方式，實現了傳感器的識別與測試、參數設置、設備調試和信號采集控制功能，操作簡單;通過無線局域網數據通信方式進行采集數據傳輸，數據傳輸速度快、有效傳輸距離遠、可靠性高。在鐵路電氣化區段環境下，抗干擾性好、穩定性高。

④系統應用軟件功能強、分析結果準確、涵蓋范圍廣、運行穩定、可擴展性和移植性高，與路局工務檢測所采用的橋梁檢測分析軟件數據格式兼容。在數據處理方面，包括了數據平滑、極值分析、頻譜分析、統計分析、雨流法分析和安全評估與報警功能。用戶端軟件界面友好、簡潔易用，采用三維圖形顯示方式為用戶提交監測信息，并通過用戶權限管理方式，為各類用戶提供各自所需的功能。

3 監測數據分析與安全評估

在列車通過橋梁時，從數據采集系統啟動到列車全部出橋后終止數據采集所進行的一次完整的數據采集稱為結構實時響應數據采集的一個測次。在數據采集完成后，需要對所得到的采樣信號(數據信號)進行預處理。本系統采用了五點二次數據平滑處理技術，其主要作用是過濾掉數字信號中一些噪聲(如熱噪聲)產生的干擾。

3.1 振動實時響應分析與安全評估

1)振動實時響應分析

橋梁振動實時響應信號分析是對列車通過橋梁時每個測次數據信號進行時域分析，計算振動振幅的極值、平均值;對某個時間段內時域信號分析結果進行統計處理，進行日、月、季、年的振動振幅極值統計與趨勢分析;以及對特定監測點信號進行頻域分析，計算強振頻率與卓越振動頻率。

數據信號時域分析采取逐點比較方式計算極值(最大值或最小值的絕對值)和平均值。由于橋梁振動實時響應信號的激勵源為列車通過橋梁時輪軌之間作用力，因此振動信號具有一定的特征。理論計算和試驗分析表明，有效的橋梁振動實時響應信號頻率范圍可選擇為0.5～20.0 Hz。針對錢塘江大橋結構特點和橋上通過的典型列車，振動信號主要諧波的典型頻率為1.0～1.5 Hz，所以在對振動數據信號進行時域分析前，需要通過信號采集設備或數據處理軟件進行信號濾波處理。

通過對振動振幅極值的統計分析，可為橋梁安全評估提供基礎數據，并進一步判斷橋梁結構安全狀態的變化趨勢。

在進行振動實時響應頻域分析時，系統根據《規范》，預先設定需要進行強迫振動頻率計算的監測點。對于其它監測點，也可以提取信號主要諧波的信號頻率，不過此時的信號頻率就不是強振頻率，而是振幅最大諧波的頻率。對于有些信號，該頻率也能反映出特定問題。如列車通過橫梁上彎曲應力的主諧波頻率值的大小可以反映列車的速度。

強迫振動頻率數值分析模型是通過查找振動振幅、加速度信號絕對值最大值發生的時刻，在其前后各提取大約5 s的信號數值，得到大約10 s的信號時域波形，進行快速傅里葉變換處理，通過頻域分析得到主要振動諧波的頻率，即強迫振動頻率。以該諧波頻率為中心頻率，兩邊各取0.5 Hz為頻率寬度，在該頻率范圍內再重新進行細化譜分析，得到精確的強迫振動頻率，稱為卓越振動頻率。需要說明的是，進行快速傅里葉變換處理時要合理選擇時間窗函數，以減少泄漏。本系統設計了多種窗函數，缺省值設置為漢寧(Hanning)窗。

一般可設定對幾個重要監測點信號進行強迫振動頻率分析，如跨中橫向振動振幅、振動加速度信號。基于振動振幅的強振頻率與基于振動加速度的強振頻率不會一致，它們所對應的諧波分量不是同一個。因為振動加速度除了與振動振幅成正比外，還與振動頻率的平方成正比，振動加速度對頻率特別敏感。

2)安全評估方法

據《規范》鐵路橋梁運營性能檢驗有兩個判別值:通常值和行車安全限值。針對振動實時響應的安全評估是將監測點在列車通過時產生的振動振幅和強迫振動頻率與其通常值、安全限值相比較而進行的。

在振動實時響應的安全評估時，系統采用了分級預警和報警的方式，即將安全評估標準設置分為5級，如表1所示。

表1 安全評估分級標準

3.2 應力實時響應分析與安全評估

1)應力實時響應分析

應力實時響應分析是通過對橋梁結構應力監測點的動態時域信號進行疲勞分析，其原理是用雨流法處理應力時域信號，得到某個監測點應力變幅的統計特征，綜合這些統計特征和橋梁材料的疲勞特性參數，進而對監測點所在的結構桿件進行疲勞分析，包括累計損傷、累計損傷度、最大應力、等幅等效應力和疲勞抗力。經過長期監測的數據累計，還可以得到被監測的橋梁桿件使用壽命的估算值。

疲勞分析算法主要依據Miner法則作為評估損傷的理論基礎，以損傷度為1作為疲勞破壞判據，首先計算監測點桿件的應力譜，然后進行疲勞分析。疲勞抗力S－N曲線方程式為

式中:N為疲勞循環次數，Δσ為疲勞應力幅，m為疲勞曲線斜率，C為常數。

計算監測點的應力譜，應根據其所在桿件構造細節，確定其疲勞抗力S－N曲線參數。錢塘江大橋主桁桿件主要為鉚接連接方式，因此不難確定其疲勞抗力S－N曲線的參數C和m。

因系統采集到的監測點應力實時響應信號為應變，數據量很大，但疲勞分析需要的是應力幅，所以為減少數據處理計算量，先不將應變轉化為應力，而是先直接對應變數據進行極值處理，統計出波峰和波谷值，再用雨流法進行計數處理，然后將得到的應變數組轉化為應力數組。經分析，設定所測橋梁的最大應力幅不會超過150 MPa，可將其應力幅分成15個區間，如表2。

經雨流法計數處理得到數組n［i］，為在第i段應力區間應力幅發生次數。應力幅與其所發生次數的對應關系為應力譜。不考慮疲勞截止限的作用，用應力幅Δσri(取區間的平均值)和對應的發生次數n［i］來計算實際損傷Rdam

表2 應力區間與其發生次數

因為橋梁桿件構造細節不同，其疲勞抗力曲線是不相同的，疲勞截止應力也不相同。計算損傷時通常考慮疲勞截止限的作用，小于疲勞截止限的應力幅不計入疲勞損傷。加設實際疲勞損傷這一項就是假設任一應力循環都對結構有一定的影響，從另一角度來定性地比較出最不利位置，從而彌補由于疲勞抗力曲線選取的偏差而帶來的分析結果的偏差。

對所有的應力幅值進行比較，可以得出每次列車通過橋梁時該監測點桿件所受應力的最大幅值Δσmax。通過最大應力幅，可以將各個監測點所受的動應力效應進行對比，得到受影響最大的測點，同時也可與其所在細節的疲勞截止限進行比較，更加直觀、便捷地評定是否有損傷。如果該監測點所經歷的最大應力幅小于疲勞截止限，就可判定該部位的動應力尚不會造成疲勞損傷。

2)安全評估方法

鋼橋疲勞屬于變幅、低應力、高循環長壽命的高周疲勞范疇。在變幅荷載作用下進行疲勞壽命評估關鍵是建立變幅疲勞強度和常幅疲勞強度之間的聯系。目前應用于橋梁中最方便的可能是用等效應力幅的概念來表達變幅應力譜，就是對變幅應力譜中不同大小的應力幅對結構造成的損傷用一個與之等效的常值應力幅來表示。通過等效應力幅與該構造細部在疲勞抗力曲線中同等發生次數對應的造成疲勞破壞應力幅比較，定性地檢驗受力桿件的安全性。

基于上述思路，對所監測的橋梁桿件進行安全評估，需計算等效應力幅Δσe和總次數對應的破壞應力幅 Δσ0。

疲勞抗力曲線的破壞應力幅

定性的假定是在循環次數為N時發生疲勞破壞，如Δσe＜Δσ0則定性地表示安全，否則應予以報警。通常情況下，Δσe比Δσ0小得多，也就說明所監測部位具有較長的疲勞壽命。

由式(1)通過Δσi和疲勞抗力曲線的常數C可求出Ni，其中Δσi取每個應力區間段的平均值，即在0～10 MPa的應力區間為5 MPa，10～20 MPa的應力區間取15 MPa，以此類推。

取Nl=107作為疲勞曲線截止限對應的循環次數，利用上述公式求出疲勞曲線截止限Δσl，應力幅值＜Δσl的不計入累計損傷，損傷度為

理論上，當D=1時，發生疲勞破壞;若D＜1，則尚未發生疲勞破壞。D值的大小由監測點所在構件以往的應力歷程確定。

許多研究試驗結果表明，構件發生疲勞破壞時并不一定D=1.0，而是D＞1.0或D＜1.0。這是由于Miner定律沒有考慮不同應力幅作用的先后次序對構件疲勞壽命的影響，并把低于常幅疲勞極限的應力幅視為無損傷作用造成的。實際上，為簡化計算仍取D=1.0時達到極限狀態。對于每個橋梁桿件監測點，橋上每通過一次列車計算一次損傷度，并不斷累加，用Σ Di來表示損傷度累加值。

通過長期監測，在大量監測數據樣本累計基礎上，使用損傷度累加值可以進行橋梁桿件壽命的估算。選取一個實測周期T，根據在此實測周期里的總的損傷度和Σ D，得到桿件使用壽命估算值Y和剩余壽命估算值Yl。

4 結語

鐵路橋梁安全監測系統不同于橋梁健康監測系統，更適用于鐵路老齡橋、病害橋和重點橋梁的長期安全監測。其首要目標是保障鐵路橋梁運營安全，監測內容應結合橋梁實際情況，重點突出，目的明確，避免大而全。該系統更側重于橋梁的安全性評估及為橋梁管理與養護維修科學決策提供技術支持。

橋梁安全監測系統集成了多種先進技術，如傳感器、信號處理、計算機、通信和網絡技術，并涉及了橋梁結構設計與相關理論、橋梁檢定規范、數值分析理論與方法等多學科，因此，設計與建設橋梁安全監測系統是一項復雜的綜合性的工作，需要多專業融合、科學論證，才能保證安全監測系統的可靠性、有效性和可實施性。

采用橋梁安全監測技術對于鐵路工務單位是一種技術應用創新，具有很大的挑戰性。在“建設好、使用好、維護好”橋梁安全監測系統的工作中，“使用好”和“維護好”橋梁安全監測系統的困難更大。對于鐵路基層工務單位而言，管理和使用人員的技術能力、專業限制很大，必須探索新的技術管理模式，才能保障系統穩定的運行和使用，才能發揮出橋梁安全監測系統的效用。

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵路橋梁檢定規范［M］.北京:中國鐵道出版社，2011:134-139.

［2］上海鐵路局技術中心，西南交通大學.橋梁檢定評估試驗報告——滬昆繞行線K8+219錢塘江大橋常規檢定試驗［R］.上海:上海鐵路局技術中心，2009.

［3］鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.蕪湖長江大橋長期監測、安全評估及報警系統(斜拉橋部分)［R］.北京:鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，2005.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.