重載鐵路鋼桁梁健康監測系統設計及應用

孟憲洪 鞠曉臣 陳令康

1.國能朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧 062350；2.中國鐵道科學研究院集團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、牽引質量高、載重大的特點，其動載強度大，受載頻率高，導致荷載效應和材料應力幅增加，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測系統，以實時監測橋梁狀態，掌握橋梁運行狀況，保證列車長期穩定安全運行［3］。

本文以朔黃鐵路64 m雙線鋼桁梁為工程背景，搭建橋梁健康監測系統，基于長期監測數據綜合分析橋梁結構運營狀況，評估橋梁整體運營狀態，為檢查養護維修提供技術參考。

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）按一次性雙線設計；肅寧—黃驊港段（K418—K588）先期按單線設計，二期增建復線。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）為研究對象，該梁桁高11 m，主桁中心距9.732 m，節間長8 m。橋上承載雙線鐵路，按雙線中-活載設計，北側線路為重車向，南側線路為輕車向。鋼梁主桁、橋面系、橫聯、上下平縱聯等采用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，豎桿為不對稱截面。主桁內側翼板加厚，板厚16 mm，外側厚12 mm；節點板厚16 mm。橋面系縱橫梁均為焊接工形，縱橫梁為不等高設計，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 健康監測系統

健康監測系統組成見圖2。其中，結構自動監測子系統、視頻安全監控子系統、電子化人工巡檢子系統用于荷載源、結構響應數據、現場信息的采集，將獲取的數據作一定處理后統一存儲在數據存儲與管理子系統中，并通過數學工具進行相應的統計分析；然后根據各特征參數所設定的安全閾值，實現系統的安全評估和預警功能；最后通過用戶界面子系統完成人機交互工作［6］。

圖2 橋梁健康監測系統組成

2 鋼桁梁健康監測系統設計

2.1 監測內容及測點布置

主要監測內容：①橋址環境監測，包括橋址環境溫濕度；②結構特征監測，包括關鍵桿件及關鍵構造應力，結構溫度、撓度、振幅、加速度，支座位移；③視頻監測。

由于該橋為大型鋼結構橋梁，測點有限，因此主要針對結構設計中起控制作用的截面和關鍵部位進行監測。通過理論計算并結合經驗合理選擇測點的數量、優化布置，可以簡化數據的采集和后處理工作，有利于把握橋梁結構的局部或整體狀態。橋梁健康監測系統測點立面布置見圖3。

圖3 橋梁健康監測系統測點立面布置

2.2 系統架構

系統架構（圖4）包括：

圖4 系統架構

1）數據感知層。用于基礎設施檢測監測，數據采集形式多樣化，各種形式數據信息均可進行有效采集、傳輸。

2）數據存儲層。為基礎數據、檢測監測數據提供統一的存儲環境，分析結果采用關系型數據庫進行存儲，原始數據采用對象存儲的方式實現海量數據的安全有效存儲［7］。

3）數據分析層。常見數據預處理方法包括數據清理、數據集成、數據變換、數據歸約等。數據預處理之后，通過關聯性分析、趨勢分析、聯動分析評判等分析算法來實現數據應用價值的最大化。

4）功能模塊層。通過各種預處理和算法分析之后的數據，可進一步實現各種業務的應用，主要功能模塊包括檢測監測數據的分析結果展示、評估與診斷、報表生成、預警報警發布等。基礎設施長期監測平臺依托信息化接口規范標準體系實現邏輯層次之間的數據傳輸與交互，依托網絡安全等級保護體系實現平臺的安全穩定運行［7］。

3 數據分析與狀態評估

3.1 數據分析

1）梁體跨中加速度

梁體跨中重車向加速度幅值統計結果見圖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，小于鐵運函〔2004〕120號《鐵路橋梁檢定規范》規定的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計結果

2）梁體跨中振幅

梁體跨中重車向振幅幅值統計結果見圖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。鐵運函〔2004〕120號表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計結果

3）鋼桁梁應力

以端橫梁、邊縱梁、重車向下弦桿E0E1、重車向斜桿E0A1為例，分析桿件動應力變化情況，見圖7、圖8。可知，端橫梁應力集中在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；邊縱梁應力主要集中在6.0 MPa附近，應力較大時離散現象明顯，最大值不超過12.0 MPa；下弦桿應力集中在10.5、63.0 MPa附近，最大值不超過84.0 MPa；斜桿E0A1應力分布較為離散，最大值不超過12.0 MPa。這表明各桿件受力狀況良好，滿足運營承載能力要求。

圖7 縱橫梁應力變化情況

圖8 鋼桁梁桿件應力變化情況

4）梁體跨中動撓度

一天內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，出現峰值。一段時間內梁體跨中動撓度最大值變化情況見圖10，可知，梁體跨中最大動撓度不超過22 mm，鐵運函〔2004〕120號表10.0.3中列車豎向靜撓度的通常值為L/1 250=51.2 mm，梁體動撓度小于該通常值。

圖9 一天內跨中重車向撓度變化情況

圖10 一段時間跨中動撓度最大值變化情況

3.2 基于1/3倍頻程譜的橋梁狀態評估

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，常用于機械振動、聲學等測試分析以及頻帶范圍較寬的隨機振動測試分析等。倍頻程是由一系列頻率點以及這些頻率點附近頻帶內信號的平均幅值（有效值）構成，這些頻率點稱為中心頻率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現：

1）時域分析方法。即在整個分析頻率范圍，按照不同的中心頻率對采樣信號進行帶通濾波，然后計算出濾波后數據的均方值或均方根值（有效值），即可得到每個中心頻率的功率譜值和幅度譜值。

2）頻域分析方法。首先對采樣信號進行快速傅里葉變換，計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據計算每一個中心頻率帶寬內數據的平均值［8］。

對于同一座橋梁，在列車荷載作用下，橋梁上下游相同位置測點監測數據的頻域成分應基本相同。基于此特點，可利用1/3倍頻程對朔黃鐵路橋梁整體狀態進行分析，評估結構現狀。若某個測點的監測數據于某一刻突然變化，且后面的監測數據不變回原始值時，排除傳感器故障，判斷橋梁可能存在損傷，后續需加強監測，及時提出處理決策，并采取相應的檢查維修措施。

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，說明兩點的空間位置重合度越高，兩個向量越相似，即測量數據未發生較大變化，可判斷橋梁結構未發生損傷。常用的向量相似性指標包括相關系數、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據長度不同，相關系數的適用性較低，因此只計算以歐式距離和余弦相似度為相似性度量的指標。

根據上述分析結論，選取朔黃鐵路橋梁跨中橫向加速度（跨中重車向測點編號為JSD-06-08，跨中輕車向測點編號為JSD-06-10）的監測結果進行分析，中心頻率對比見圖11。可知，兩個測點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算結果分別見圖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。根據夾角余弦定義和歐氏距離定義可知，上下游數據在各頻帶上的能量成分越相似，兩加速度時程越相似，表明當前橋梁狀態良好。

圖12 中心頻率對比

圖13 中心頻率對比

4 結論

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；端橫梁應力集中在4.2、25.0 MPa附近，最大值不超過30 MPa；邊縱梁應力集中現象不明顯；斜桿E0A1應力分布較為離散，最大應力不超過12 MPa；下弦桿應力分布較為集中，最大應力不超過83 MPa；梁體跨中動撓度最大不超過22 mm，小于規范通常值。

2）對一段時間內的加速度、振幅、應力、撓度等數據進行分析，結果表明監測數據均滿足規范要求。

3）對跨中重車向和輕車向橫向加速度進行對比分析，發現上下游加速度數據頻譜基本一致，表明當前橋梁運行狀況良好。