重載鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋梁撓度監(jiān)測(cè)分析

程 輝，鄭競(jìng)友，鐘繼衛(wèi)，梅秀道，葉仲韜

（1.橋梁結(jié)構(gòu)與健康湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430034；2.中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司，湖北武漢 430034；3.浙江金筑交通建設(shè)有限公司，浙江杭州 310010）

重載鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋梁撓度監(jiān)測(cè)分析

程 輝1，2，鄭競(jìng)友3，鐘繼衛(wèi)1，2，梅秀道1，2，葉仲韜1，2

（1.橋梁結(jié)構(gòu)與健康湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430034；2.中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司，湖北武漢 430034；3.浙江金筑交通建設(shè)有限公司，浙江杭州 310010）

鐵路橋梁撓度監(jiān)測(cè)反映了橋梁豎向整體剛度，撓度時(shí)程曲線揭示了橋梁結(jié)構(gòu)、荷載相關(guān)信息.通過對(duì)重載鐵路橋梁撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)橋梁撓度受活載及橋梁溫度場(chǎng)的影響，并對(duì)橋梁最大撓度統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律、撓度與溫度相關(guān)性以及橋梁滿載狀態(tài)下的撓度歸一化進(jìn)行探討，提出橋梁撓度的相關(guān)報(bào)警指標(biāo)，對(duì)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》關(guān)于撓度的評(píng)判指標(biāo)進(jìn)行了擴(kuò)充.

連續(xù)剛構(gòu)；重載；撓度；溫度撓度；撓度歸一化；健康監(jiān)測(cè)

撓度是橋梁結(jié)構(gòu)整體受力性能的主要表現(xiàn)形式，也是衡量橋梁整體剛度的重要指標(biāo)［1］.大跨度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋梁，橋梁剛度大，荷載重，撓度監(jiān)測(cè)效果好、信噪比高且信號(hào)穩(wěn)定.重載鐵路橋梁跨徑一般在8 m - 400 m之間，貨運(yùn)列車延長(zhǎng)在1 000 m - 1 700 m之間，橋梁長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于列車長(zhǎng)度，列車在橋梁上通行時(shí)間長(zhǎng).橋梁撓度時(shí)程曲線清晰記錄了列車對(duì)橋梁作用的完整信息，顯示橋梁撓度與結(jié)構(gòu)形式、列車速度、車輛荷載均有密切關(guān)系.

《鐵路橋梁檢定規(guī)范》對(duì)活載作用下橋梁撓度規(guī)定如下［2］：對(duì)于普通高度梁體H/L=1/11 - 1/13，撓跨比＜1/1 800；對(duì)于低高度梁體H/L=1/14 - 1/16，撓跨比＜1/1 300，其中H為梁高，L為梁跨度.對(duì)于單跨跨度32 m、100 m的普通高度橋梁，豎向撓度規(guī)范限值分別為17 mm、55 mm.實(shí)際運(yùn)營(yíng)列車荷載小于設(shè)計(jì)荷載，因此實(shí)測(cè)撓度小于規(guī)范限值.為保證橋梁安全，僅依靠撓跨比指標(biāo)顯然不能滿足實(shí)際橋梁安全評(píng)估要求，需要對(duì)橋梁規(guī)范限值范圍進(jìn)行調(diào)整.

對(duì)橋梁撓度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，揭示橋梁結(jié)構(gòu)、荷載及橋梁安全評(píng)估方面的信息.國(guó)內(nèi)大量專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入廣泛的探索和研究.劉夏平等［3］基于奇異值分解提取周期信號(hào)原理，利用溫度撓度具有周期性的特點(diǎn)，對(duì)橋梁撓度監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分離.潘東宏［4］采用ARMA時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型，將撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中所包含的外荷載的變化趨勢(shì)及結(jié)構(gòu)抗力的衰變信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè).王永平等［5］利用均布荷載長(zhǎng)度大于橋梁長(zhǎng)度，建立移動(dòng)荷載模型，通過振型疊加和wilsonθ-方法建立橋梁振動(dòng)函數(shù).

國(guó)內(nèi)外對(duì)鐵路橋梁撓度監(jiān)測(cè)的報(bào)警及評(píng)估方面研究較少，規(guī)范也存在著橋梁撓度評(píng)估指標(biāo)較單一等問題.本文采用封閉式連通管原理對(duì)重載鐵路橋梁進(jìn)行撓度監(jiān)測(cè)，利用溫度、活載特性對(duì)撓度進(jìn)行分離，獲得活載-撓度、溫度-撓度相關(guān)關(guān)系，通過橋梁撓度分布分析揭示其與列車荷載之間的關(guān)系，并對(duì)橋梁撓度進(jìn)行歸一化處理，建立了基于橋梁撓度監(jiān)測(cè)的報(bào)警指標(biāo)及評(píng)判方法.

1 工程概況

1.1 列車荷載簡(jiǎn)介

大準(zhǔn)增二線黃河特大橋（以下簡(jiǎn)稱大準(zhǔn)黃河特大橋）為三跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨度組成為96 m +132 m +96 m，邊、中跨跨度比為0.72.該橋梁實(shí)行單線鐵路運(yùn)輸，設(shè)計(jì)荷載為中活載，驗(yàn)算荷載為中長(zhǎng)跨荷載［6］.通行的列車機(jī)車及貨車荷載編組類型為C80B、KM70、C70及C60等幾種車型，其中C80B、KM70列車編組類型分別為2SS4B機(jī)車+100C80B拖車和2SS4B機(jī)車+58節(jié)KM70拖車.重載列車編組、載重及長(zhǎng)度等參數(shù)見表1.

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

表1 重載列車車輛荷載參數(shù)表

圖1 傳感器布置整體布置圖

圖2 撓度傳感器Def-01及溫度傳感器T1斷面布置圖

大準(zhǔn)黃河特大橋橋梁撓度及溫度傳感器布置圖見圖1，其中Def-01 - Def-08為撓度監(jiān)測(cè)斷面，T1、T2為溫度監(jiān)測(cè)斷面.撓度傳感器Def-01及溫度傳感器T1斷面布置見圖2.傳感器屬性見表2.撓度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用封閉式液位連通管原理，全橋共布置8個(gè)斷面，采樣精度為0.5 mm，采樣頻率為1 Hz；溫度監(jiān)測(cè)采用DS18B20傳感器，傳感器精度為0.5℃，采樣頻率為10分鐘采樣一次.

表2 傳感器數(shù)量及屬性

2 橋梁撓度分析

對(duì)于大跨徑預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁除受到活載作用出現(xiàn)短期撓度外，還受溫度荷載以及混凝土收縮徐變長(zhǎng)期影響，系統(tǒng)采集過程中也不可避免地混入系統(tǒng)誤差，因此橋梁撓度可分為以下四部分：

其中：f（t）為橋梁斷面實(shí)時(shí)撓度，fp為橋梁荷載引起的撓度，fT為橋梁溫度引起的撓度，fc為橋梁收縮徐變引起的撓度，δe為系統(tǒng)誤差.

從橋梁撓度的長(zhǎng)期時(shí)程曲線圖來看［7］，式（1）中四部分是互相耦合的.溫度引起的橋梁撓度為長(zhǎng)波低頻曲線，活載引起的撓度為短波高頻曲線，收縮徐變對(duì)橋梁的影響是連續(xù)變化曲線.將橋梁撓度時(shí)程曲線進(jìn)行去噪處理，并將其中的長(zhǎng)波效應(yīng)分離為溫度效應(yīng)，短波效應(yīng)分離為荷載效應(yīng).

2.1 溫度作用下的橋梁撓度

溫度作用下的橋梁撓度反映了橋梁的受力性能.箱梁（T-1）測(cè)點(diǎn)2014年6 - 10月份的橋梁溫度見圖3，中跨跨中撓度（Def-04）測(cè)點(diǎn)變化曲線見圖4.圖3、圖4顯示了橋梁中跨跨中撓度（Def-04）與箱梁溫度（T-1）具有明顯相關(guān)性，溫度作用下的橋梁撓度變化幅度明顯.從6月至8月份，橋梁撓度變化為3 mm，同期的溫度變化為5℃；8月至10月份，橋梁溫度變化從28.5℃降低至17℃，溫度下降11.5℃，同期的橋梁撓度則下降了13 mm.

圖3 2014年6 - 10月中跨跨中撓度趨勢(shì)圖

圖4 2014年6 - 10月室外溫度長(zhǎng)期趨勢(shì)圖

中跨跨中撓度（Def-04）與箱梁外側(cè)溫度（T-1）的相關(guān)關(guān)系曲線見圖5所示，其回歸分析方程見式（2）.

式（2）中T（t）為溫度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，f（t）為橋梁撓度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).

式（2）表明溫度每變化1℃，橋梁撓度變化1.346 1 mm.

圖5 跨中撓度與溫度相關(guān)關(guān)系

2.2 活載作用下的橋梁撓度

2.2.1 活載撓度分析

鐵路橋梁在列車荷載作用下的撓度表征了橋梁的變形能力，是直接衡量橋梁豎向剛度的指標(biāo).《鐵路橋梁檢定規(guī)范》將折算至中活載下的撓跨比通常值作為評(píng)判依據(jù)，但其前提條件是荷載已知，而與實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載是荷載大小未知且荷載類型多樣的情況不同.

大準(zhǔn)黃河特大橋每天通行列車數(shù)量為40列 - 45列，對(duì)礦區(qū)列車裝載進(jìn)行調(diào)研，其中70％的為C80B編組列車，現(xiàn)代裝載技術(shù)可將C80B列車裝載載重偏差控制在5％以內(nèi)，因此可通過對(duì)橋梁撓度最大值長(zhǎng)期分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律，判斷橋梁豎向撓跨比是否滿足規(guī)范要求.

中跨跨中（Def-04）測(cè)點(diǎn)在不同列車編組作用下的撓度典型時(shí)程圖見圖6，圖6顯示了不同

圖6 中跨跨中撓度典型時(shí)程圖

列車編組通行過程中的橋梁撓度變化時(shí)段及撓度峰值變化情況，橋梁撓度能明顯反映橋梁列車荷載、速度等特征.

設(shè)某時(shí)刻t，橋梁j斷面撓度為（）ft，則在C80B列車編組作用下的橋梁撓度均值如式（3）所示.

C80B列車編組作用下的不同斷面運(yùn)營(yíng)期間最大撓度與設(shè)計(jì)荷載作用下最大撓度值見表2，表2顯示橋梁撓跨比最大值出現(xiàn)在9#邊跨跨中（Def-01）測(cè)點(diǎn)，最大撓跨比為1/278 3，小于規(guī)范1/130 0［2］，中跨跨中最大撓跨為1/388 1，校驗(yàn)系數(shù)為0.69.

表2 撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表

2.2.2 活載撓度分布

橋梁撓度時(shí)程曲線能明顯反映橋梁列車荷載特征.對(duì)橋梁最大撓度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將有助于掌握列車編組及荷載規(guī)律.2014/8/20 - 2014/8/28時(shí)段內(nèi)9#邊跨跨中測(cè)點(diǎn)（Def-01）撓度分布規(guī)律見圖7.圖7顯示9#邊跨跨中測(cè)點(diǎn)（Def-01）撓度分布呈現(xiàn)3個(gè)峰，前2個(gè)波為正態(tài)分布且分布互相重疊；第3個(gè)波為標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布.圖7顯示，最大撓度約為23 mm，最小撓度大約為9 mm，且3個(gè)正態(tài)分布均值分別為12.5 mm、13.5 mm和18.5 mm.其余測(cè)點(diǎn)撓度分布與之相同.圖7還顯示，橋梁通行的C80B列車編組通行率約為70％，C70、C60列車編組通行率分別為15％和15％，與實(shí)際調(diào)研結(jié)果較吻合.

圖7 2014/8/20 - 2014/8/28時(shí)段內(nèi)9#邊跨跨中撓度分布圖

橋梁撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有變異性，對(duì)不同列車編組通過橋梁最大撓度進(jìn)行長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)，9#邊跨跨中測(cè)點(diǎn)（Def-01）在不同列車編組作用下的橋梁撓度區(qū)間見表3.通過劃分不同的撓度區(qū)間實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁列車編組的識(shí)別.

表3 Def-01在不同列車編組作用下的橋梁撓度區(qū)間

3 撓度歸一化矩陣分析

大準(zhǔn)黃河特大橋各編組列車長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于橋梁長(zhǎng)度，橋梁滿載運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng).撓度時(shí)程曲線顯示，列車滿載運(yùn)行過程中橋梁撓度峰值穩(wěn)定，變化小.C80B列車編組作用下的撓度空間分布見圖8.圖8顯示在橋梁滿載時(shí)橋梁各個(gè)斷面測(cè)點(diǎn)撓度值穩(wěn)定，其中最大撓度出現(xiàn)在中跨跨中測(cè)點(diǎn)（Def-04），撓度值為15 mm，此時(shí)橋梁撓度變化幅度最大值為0.7 mm左右.

圖8 C80B列車荷載作用下的撓度圖

設(shè)橋梁滿載狀態(tài)時(shí)刻1t，橋梁j斷面撓度為1（，）tjf，C80B列車編組作用下的橋梁撓度歸一化矩陣見式（4）.

依據(jù)式（4）繪制C80B、C60列車荷載作用下的撓度歸一化空間分布圖，見圖9、圖10.C80B及C60列車編組作用下的撓度歸一化數(shù)值及偏差見表4，表4顯示最大偏差為3.2％，最小偏差為-0.85％，表明橋梁現(xiàn)階段狀態(tài)良好，與實(shí)際橋梁狀態(tài)吻合.

圖9 C80B列車荷載作用下的撓度歸一化矩陣圖

圖10 C60列車荷載作用下的撓度歸一化矩陣圖

表4 撓度歸一化矩陣表

4 撓度報(bào)警閾值

黃河特大橋撓度報(bào)警系統(tǒng)可分為橋梁靜撓度與動(dòng)撓度兩部分，其中動(dòng)撓度是橋梁荷載作用下的位移，靜撓度主要受橋梁溫度影響.基于這兩方面制定橋梁撓度閾值，首先評(píng)判活載撓度是否超過撓度最大值，然后根據(jù)環(huán)境溫度與撓度相關(guān)關(guān)系分析判斷其是否異常，通過對(duì)撓度與溫度95％置信度預(yù)測(cè)區(qū)間為標(biāo)準(zhǔn).

撓度采用三級(jí)報(bào)警，見圖11.一級(jí)閾值即統(tǒng)計(jì)束限值包括兩部分：

圖11 撓度閾值的計(jì)算方法圖

為95％置信度方差.

根據(jù)式（5）、式（6）計(jì)算大準(zhǔn)黃河特大橋橋梁邊跨、中跨跨中斷面活載效應(yīng)和溫度效應(yīng)的撓度一、二級(jí)閾值，計(jì)算結(jié)果見表5.表5顯示，9#邊跨、10#中跨及11#邊跨跨中活載撓度一級(jí)閾值分別為32.74 mm、28.65 mm和29.36 mm，當(dāng)荷載撓度小于上述值時(shí)，可認(rèn)為橋梁處于安全狀態(tài).由于大準(zhǔn)黃河特大橋9#邊跨、11#邊跨跨中撓度對(duì)溫度不敏感，僅10#中跨跨中撓度與溫度相關(guān)性明顯，因此表5中僅列出了10#中跨跨中的溫度效應(yīng)一級(jí)閾值-40.380 mm.當(dāng)撓度與溫度線性相關(guān)曲線的截距小于上述值時(shí)，橋梁安全.

表5 橋梁撓度閾值值表

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)大準(zhǔn)增二線黃河特大橋撓度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到如下結(jié)論：

（1）通過對(duì)荷載作用下的各個(gè)斷面最大撓度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，撓度比最大為1/278 3，其中中跨跨中撓跨比為1/388 1，均小于規(guī)范1/130 0的要求.

（2）通過橋梁實(shí)際運(yùn)行的列車編組及荷載下的斷面最大撓度分布，對(duì)橋梁列車編組及荷載作用規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者吻合程度較好，說明橋梁撓度能反應(yīng)列車編組及荷載規(guī)律.

（3）通過橋梁溫度荷載長(zhǎng)周期、列車荷載短周期等特性對(duì)橋梁撓度溫度荷載進(jìn)行分離，并分析了溫度-撓度的相關(guān)性，說明橋梁撓度與溫度具有明顯的相關(guān)關(guān)系.

（4）通過繪制C80B、C60列車荷載作用下的撓度歸一化空間分布圖，對(duì)比不同時(shí)刻不同列車編組作用下的撓度歸一化矩陣，說明撓度歸一化矩陣與荷載無關(guān)，評(píng)估結(jié)果不受運(yùn)營(yíng)列車荷載的影響，可作為橋梁狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo).

（5）通過橋梁荷載-撓度及溫度-撓度相關(guān)關(guān)系建立了橋梁撓度報(bào)警系統(tǒng)，擴(kuò)充了橋梁安全狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo).

［1］ 中華人民共和國(guó)鐵道部. 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范： TB10002.1-2005［S］. 北京： 中國(guó)鐵道出版社， 2005： 22-26.

［2］ 中華人民共和國(guó)鐵道部. 鐵路橋梁檢定規(guī)范： 鐵運(yùn)函［2004］ 120號(hào)［S］. 北京： 中國(guó)鐵道出版社， 2004： 75.

［3］ 劉夏平， 楊紅， 孫卓， 等. 基于奇異值分解的橋梁撓度分離研究［J］. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2013（3）：52-54.

［4］ 潘東宏. 基于橋梁撓度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)值的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)［J］. 西部交通科技， 2009， 10（5）： 62-66.

［5］ 王永平， 陳彥良， 付金科. 單車荷載作用下簡(jiǎn)支梁橋的動(dòng)力特性及響應(yīng)研究［J］. 土木工程學(xué)報(bào)， 1995， 28（5）：39-46.

［6］ 程輝. 大準(zhǔn)增二線鐵路橋梁荷載試驗(yàn)［R］. 武漢： 中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司， 2013： 4-5.

［7］ 程輝， 李振東， 鐘繼衛(wèi). 軌道交通橋梁運(yùn)營(yíng)期橋面線形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析［J］. 橋梁建設(shè)， 2011， 6（5）： 32 -36.

Analysis on Deflection of Continuous Rigid Frame Bridge in Heavy Load Railway Transportation

CHENG Hui1，2， ZHENG Jingyou3， ZHONG Jiwei1，2， MEI Xiudao1，2， YE Zhongtao1，2
（1. Key Laboratory of Bridge Structure and Health of Hubei Province， Wuhan， China 430034；2. Institue of Bridge Science with Railway Major Bridge Engineering Group， Wuhan，China 430034； 3. Zhejiang Jinzhu Transportation Construction Co. Ltd.，Hangzhou， China 310010）

The deflection monitoring of the railway bridge reflects the integral vertical rigidity of the bridge. Since the deflection time travel curve reveals the bridge structure and load information， the research on the deflection monitoring data of heavy haul railway turns out that the deflection of the bridge is influenced by the live loads and the temperature fields. The paper puts forward the relevant warning index of bridge deflection through theanalysis of statistical maximum deflection distribution law of the bridge， the deflection and temperature dependent and the deflection normalization underthe full load condition. And meanwhile， the evaluation index of the deflection about The Railway Bridge Evaluation Criterion is extended.

Continuous Rigid Frame； Heavy Load； Deflection； Temperature Deflection； Deflection Normalization； Health Monitoring

TU470+.3

A

1674-3563（2016）03-0055-08

10.3875/j.issn.1674-3563.2016.03.009 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

（編輯：封毅）

2015-04-22

湖北省基金項(xiàng)目（2013CFA135；2013CFB457）

程輝（1978- ），男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)及分析