高速鐵路大跨度混凝土拱橋變形監測與分析

顏永逸 楊國靜 宋曉東 翁順 田煒

摘 要：高速鐵路設計時速快，變形控制要求高。由于結構的受力特點和混凝土材料的特性，混凝土拱橋在運營過程中會出現下撓變形，直接影響軌道線形和行車安全。為保障滬昆客運專線北盤江大橋的行車安全性和舒適性，通過對其建立自動化變形觀測系統，分析其變形和溫度數據的變化規律，結合擬合分析方法，確定溫度和變形的影響系數，研究實測數據中徐變和溫度效應的提取方法。結果表明：與同期人工觀測數據相比，本系統的觀測精度和有效性滿足要求;橋面線形受溫度變化影響較敏感，在低溫時，不均勻沉降差值大，橋面線形相對不平順，隨著溫度升高，沉降差值減小，橋面線形逐漸趨于平順;通過建立的擬合計算徐變分析方法得到其相對徐變變形，與規范理論值相差約6%，滿足工程要求。

關鍵詞：高速鐵路;大跨度拱橋;混凝土拱橋;變形監測;徐變

中圖分類號：U446.2?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：2096-6717（2022）03-0079-07

收稿日期：2021-02-22

基金項目：國家自然科學基金（51778258、51922046）;中鐵二院院控計劃（KYY2019029（19-21））

作者簡介：顏永逸（1993- ），男，主要從事橋梁健康監測研究，E-mail：yanyyboy@qq.com。

翁順（通信作者），女，教授，博士生導師，E-mail：wengshun@hust.edu.cn。

Received：2021-02-22

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 51778258， 51922046）; Research Project of China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd， （No. KYY2019029（19-21））

Author brief：YAN Yongyi （1993- ），main research interest： bridge health monitoring， E-mail： yanyyboy@qq.com.

WENG Shun （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail：wengshun@hust.edu.cn.

Deformation monitoring and analysis of long span high-speed concrete arch railway bridge

YAN Yongyi 1， YANG Guojing1， SONG Xiaodong1， WENG Shun2， TIAN Wei3

（1. China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd， Chengdu 610031， P. R. China; 2. School of Civil and Hydraulic Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， P. R. China; 3. Department of Civil & Environmental Engineering， The Hong Kong Polytechnic University， Hong Kong 999077， P. R. China）

Abstract： High-speed railways are designed with high speed and therefore with deformation control requirements. Due to the structural mechanical characteristics and the material properties of concrete， the concrete arch bridge inevitably exhibit downward deflection in operation， which directly affects the track alignment and operation safety. In order to ensure the driving safety and comfort of Beipanjiang Bridge in Shanghai Kunming passenger special line， an automatic deformation observation system was established to monitor the deformation and temperature changes. The extraction methods of creep and temperature effect were studied. The impact factor of temperature and deformation were determined with polynomial fitting. The results show that： The accuracy and effectiveness of the observation system satisfy the requirements; the bridge deck alignment is sensitive to the temperature change， the uneven settlement is great under low temperature， which decreases as the temperature rises; using the proposed creep analysis method， the relative creep deformation is only about 6% different from that of the theoretical value， which meets the computational precision requirements in engineering practice.

Keywords：high-speed railway; long-span arch bridge; concrete arch bridge; deformation monitoring; creep

山區鐵路隨西部大開發策略的實施得到高速發展。但山區峽谷地形復雜，環境惡劣，大跨度混凝土拱橋因其良好的剛度和環境適應性在鐵路建設中得到廣泛應用[1]。對于高速鐵路，過大變形會影響橋梁的平順性、舒適性和安全性，因此，橋梁的長期變形控制要求很高[2]。由于結構的受力特點和混凝土材料的特性，混凝土拱橋在運營過程中會出現下撓變形，需要對橋梁的變形開展監測和分析[3]。

學者們對大跨度拱橋的變形與控制展開了深入的研究。徐昕宇等[3]基于車橋耦合分析，考慮了溫度和徐變的影響，提出了“弦測法”技術的上承式拱橋變形控制方法和限值。盡管對于結構的變形控制有從理論分析和實際調控的眾多方法，但準確獲取結構的變形，特別是其中的徐變變形仍然是當前值得重點研究的難題。為了獲得結構的變形和徐變變形成分，馬坤等[4]采用GL2000收縮徐變模型，考慮模型及參數的隨機性，分別采用拉丁超立方抽樣技術和基于響應面的Monte carlo抽樣技術，對北盤江特大橋長期變形的隨機性問題進行研究。張雙洋等[5]對北盤江大橋的收縮徐變進行了模型實驗研究。張正陽等[6]基于北盤江大橋的模型試驗，結合貝葉斯方法對拱橋的長期變形和收縮徐變建立了模型并開展了預測。王永寶等[7]建立了自然條件下徐變的預測模型。還有眾多學著開展了模型試驗與理論分析，都獲得了一定的研究效果[8-11]。但在運營過程中，橋梁結構施工過程、荷載和環境等多方面因素不斷變化，對模型試驗和理論計算得到的結構變形影響較大[12]。因此，開展基于實橋的大橋變形監測與分析技術研究，才能得到更為合理的橋梁長期變形。

Brownjohn等[13]采用主成分分析方法分析了長期監測數據，得出橋梁的撓度與溫度并非一般的線性關系，但并未量化溫度影響。吳海軍等[14]利用重慶江津長江大橋的撓度監測系統數據，分析得到了結構撓度與溫度變化之間的滯后效應。陳國良等[15]利用撓度分量在時間尺度上不耦合的性質，提出了基于時間序列分析的撓度溫度效應分離方法，并以黃岡長江大橋的實測數據驗證了該方法。劉綱等[16]在推導了溫度和撓度的理論關系后，得到了位移與整體升降溫的線性關系，并基于粒子群算法提取到了溫度對變形的影響效應，提出了一種消除長期健康監測中溫度效應的方法，并以長江上某主跨330 m的連續剛構橋進行了驗證。Wang等[17]基于混凝土徐變的微預應力凝固理論，將齡期調整有效模量法和溫度估算法集成到有限元模型中，提出了一種評價溫度對鋼管混凝土拱橋徐變性能影響的方法。預測結果與實測結果的對比驗證了該方法的有效性，也說明鋼管混凝土拱橋徐變效應分析中考慮溫度的必要性。盡管還有眾多學者對溫度與變形的實測關系開展了研究，但這些方法較為復雜，或需要結合復雜的數學模型，或對關鍵參數的設置較敏感，實用性不強。

筆者基于實際監測得到的溫度和變形數據，利用回歸擬合分析，通過確定溫度的周期影響范圍和線性影響參數，提出一種新的大跨混凝土拱橋的徐變變形分析方法，并且以滬昆客運專線北盤江大橋的實測數據進行分析驗證，結果表明，該方法的計算結果與規范的理論值吻合，且計算簡單，無敏感參數設置，計算效率較高，適用性強。

1 工程概況

滬昆客運專線北盤江特大橋（如圖1所示）為世界最大跨度混凝土拱橋，設計時速350 km/h，橋梁全長721.25 m，主橋設計為445 m上承式勁性骨架鋼筋混凝土拱橋，矢高100.0 m，矢跨比1/4.45。橋址位于典型的V字形峽谷，山高坡陡、地形復雜。

軌道平順性是高速鐵路行車安全性和舒適性的重要保證，其對橋梁變形極為敏感。北盤江特大橋主跨大、運行時速高，為采用勁性骨架施工法的大跨度鋼筋混凝土拱橋。采用此種施工方法形成的拱圈結構體系發生多次轉換，結構剛度和強度也逐步形成，后期的收縮徐變變形非常復雜。由于山區獨特的地形條件，不均勻的日照溫差也會引起橋面的不確定變形。這些都給準確計算結構溫度變形造成了很大的困難，直接影響到了軌道線形，進而影響到列車行車安全性和舒適性。

因此，有必要對北盤江特大橋橋面變形進行長期監測，建立符合其結構特點的變形觀測系統。通過實時監測，一方面確保運營行車安全，為日后養護管理決策提供科學依據;另一方面，掌握這種特殊橋型的收縮與徐變的變形特征及變化規律。

由于監測的重點是拱圈徐變變形及溫度變化引起拱上梁豎向變形，因此，為了準確測量拱圈收縮徐變、溫度作用引起的梁部下撓，在北盤江大橋的下游側共選取了14個測點，上游側選取了3個測點（如圖2），自下游標示位置引液管至上游對應測點，采用靜力水準儀對豎向變形進行觀測，監測基準點可設置于小里程側橋臺處。考慮到傳感器設備安裝、更換方便且不影響后期運營維護、檢查，將觀測點設置在拱上墩對應的箱梁內部，它能直接反映出梁部在運營期間由于拱圈收縮徐變和溫度變化引起的上下起伏情況。2016年7月，在滬昆線北盤江特大橋順利完成了橋面線形自動化監測系統的安裝和初調，并在8月完成了系統的移交。

中鐵二院測繪院自2016年1月2日至2016年10月23日對北盤江特大橋開展了人工觀測。選取下游拱頂測點2016-10-02—2016-10-23時間段人工觀測數據與同期自動化系統監測數據進行對比分析，沉降差異值數據結果如圖3所示。

從圖3可以看出，該期各監測部位均有不同程度的沉降變形發生，最大沉降變形發生在拱頂5#墩處，人工觀測的沉降值為21.6 mm，自動化監測的沉降值為21.4 mm。兩種監測方法各監測點的最大差值僅為0.966 mm，自動化監測結果與人工觀測結果吻合較好，表明自動化監測具有較高的可靠性，且能滿足高速鐵路橋梁變形測量精度要求。

2 變形分析與徐變計算

2.1 實測變形分析

為更直觀地研究北盤江大橋橋面線形隨溫度和收縮徐變等的變形趨勢，選取了系統運營半年內（2016-10-01—2017-05-18）的8個不同時間點，繪出了橋面下游各測點隨時間（或溫度）變化的趨勢圖，如圖4所示。

由圖4可知，橋面線形受溫度變化影響較為敏感。在選取的幾個時間段中，2017-01-24的溫度最低（17.14 ℃），不均勻沉降差值最大，相對于橋臺處，拱頂沉降達到95 mm，橋面線形相對不平順。隨著溫度的逐漸上升，沉降差值逐漸減小，當溫度值為31.3 ℃時（2017-04-10），相對于橋臺處，拱頂的沉降差值最小，不到5 mm，橋面線形處于較平順狀態。從上述分析可看出，截止橋梁開通運營半年內，影響橋面線形不平順的主要因素依然是溫度。收縮徐變的影響尚需延長觀察時間進行判斷。

2.2 變形成分分析

橋梁的徐變需要在長期的變形監測中分離得出，而通常情況下，長期監測的變形S中，不僅僅有徐變變形，還有溫度效應、荷載效應和損傷效應。

S=ST+SP+SC+SD+SR（1）

式中：ST為溫度效應;SP為荷載效應;SC為混凝土的收縮徐變;SD為結構損傷;SR為系統誤差。

北盤江大橋為新建橋梁，且屬于世界級重大工程，施工質量控制要求高，因此，可以認為在當前階段其結構損傷效應基本沒有。由于本系統與人工觀測數據對比可靠性較高，因此，也可暫時忽略系統誤差效應。對于荷載效應，通過選取不行車時間段的變形進行相應剔除。實際上，本階段大橋的主要變形成分為溫度效應和收縮徐變效應，如何有效剔除溫度效應成分變成了問題的關鍵。

通常，溫度效應主要包含了兩個主要成分：日溫差和年溫差。這兩者在時間尺度上與其他成分不耦合，但日溫差和年溫差對于結構變形上引起的單位溫差效應是相同的，所以，分離溫差效應是可行的，但直接分離出日溫差和年溫差帶來了更為復雜的計算。

2.3 徐變擬合計算方法

為快速、簡單地得到徐變和溫度效應的計算方法，提出二次擬合回歸分析算法，并可對徐變數據進行相應預測。其過程如下：

1）通過觀測，獲得橋梁結構的撓度變形數據和對應的溫度數據。

2）選取撓度變形和溫度數據的日特征數據（通常可取凌晨時刻的數據，此時溫度穩定，無列車荷載），假定日特征數據的總量為N。

3）由于溫度存在年溫差效應，首要因素就是確定年度溫差的影響時間范圍，或確定其影響周期。選取第一時間間隔天數為i，計算日特征數據中的第t個數據和第t+i個數據之間的撓度變形差sit和溫差Tit，建立一個樣本（sit，Tit），t=1， 2， 3…，且滿足t+i<N，計算所有的t，得到時間間隔i下的撓度變形差和溫差形成的1個第一樣本集U1i，即U1i=[（si1，Ti1），（si2，Ti2），（si3，Ti3）…]，對U1i以溫差T為自變量得到擬合一次項系數，并取其絕對值為ki。依次計算i=1， 2， 3…，得到U11，U12，U13…，分別擬合計算k1，k2，k3…得到關于i-k的曲線，根據i-k曲線的拐點確定i′;i′即為溫度的最大影響天數，即影響周期。

4）為提高計算效率，在溫度影響周期下，建立線性的溫度與變形影響關系系數。選取第二時間間隔天數為p，得到p對應的1個第一樣本集U1p=[（sp1，Tp1），（sp2，Tp2），（sp3，Tp3）…]。依次計算1p，2p，3p…np，且np≤i′，得到U1p，U12p，U13p…，將U1p，U12p，U13p…集合形成第二樣本集U2=[U1p，U12p…U13p…]，對U2以溫差T為自變量得到擬合一次項系數，取該系數的絕對值為撓度變形差和溫差的線性關系系數K，此即在溫度周期下的溫度與變形影響系數，通常要求K的R2指標>0.85。

5）計算日特征數據的每相鄰兩個溫度的溫差T′，以日特征數據的第一個數據為基準，用溫差T乘以系數K，并依次累計求和，得到溫度效應的變形曲線。

6）用日特征數據曲線減去溫度效應得到殘余變形曲線。將殘余變形曲線進行二階最小二乘擬合，進一步可以得到徐變隨時間的擬合公式，用以預測。

3 北盤江大橋徐變分析結果

選取北盤江大橋下游拱頂處的傳感器自2017年1月1日至2020年6月29日為期3年半的變形觀測數據進行分析。變形和溫度的原始監測數據分別如圖5所示。

從圖5可以看出，北盤江大橋的變形和溫度呈現周期規律，最大相對變形為140 mm，最高溫度為34 ℃。

選每日凌晨監測到的第一個數據作為日特征數據，這樣一方面沒有列車荷載的效應，另一方面日溫差效應較小，溫度和變形較為穩定，得到的日特征曲線如圖6所示。

經過第3步得到的i-k曲線如圖7所示，由此確定曲線的拐點為i′=60。

選定第4步中的p=5，并得到U2和溫差T的分布數據和其擬合一次項系數如圖8所示。由此確定撓度變形差和溫差的線性關系系數為K=6.17（R2為0.970 6）。

按照K=6.17計算得到的溫度效應曲線和徐變曲線分別如圖9、圖10所示。從圖9中可以看出，經過分離后的溫度效應呈現更顯著的周期規律，最大和最小的溫度效應變形差達到134 mm。

從圖10得到北盤江大橋自2017年1月1日至2020年6月29日發生的相對徐變變形約為47.8 mm。為驗證該結果的有效性，按照中國鐵路05規范通過Midas Civil軟件計算北盤江大橋的理論徐變變形如表1所示。

依據表1計算自2017年1月1日至2020年6月29日發生的相對徐變變形（后者徐變值減去前者徐變值，后者徐變值按表中相鄰月份值線型內插得到）約為50.9 mm，與實測徐變47.8 mm相差6%，且實測徐變相對較小，基本滿足工程要求。并且基于該擬合二次曲線，還可推進時間達到對結構徐變的適當預測效果。

4 結論

滬昆客運專線北盤江特大橋設計時速快，變形控制要求高。為保障列車行車安全性和舒適性，建立了符合其結構特點的變形觀測系統，通過對數據的分析得到如下結論：

1）與人工觀測數據對比，本自動化系統的觀測精度較高，有效性滿足要求。

2）橋面線形受溫度變化影響較為敏感。在溫度最低時，不均勻沉降差值大，橋面線形相對不平順。隨著溫度的逐漸上升，沉降差值逐漸減小，橋面線形逐漸處于較平順狀態。

3）提出了一種大跨度拱橋徐變計算方法，通過確定溫度和變形的影響系數，采用擬合分析的方法提取實測數據中的徐變和溫度效應。截至2020年6月29日，該橋的計算相對徐變變形約為47.8 mm，與規范理論值50.9 mm相差6%，滿足工程要求。參考文獻：

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（編輯 胡玲）