朔黄铁路桥梁健康监测系统立项建议和具体分析

关键词：朔黄铁路 桥梁 健康监测

　　随着社会的发展，人们对桥梁的安全性、耐久性与正常使用的日渐关注，桥梁健康监测的研究与监测系统的开发应运而生。桥梁健康监测的基本内涵是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护与管理决策提供依据和指导。

　　鉴于目前国内外已经建立了许多桥梁健康监测系统，例如，英国在总长522m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，挪威的Skarnsundet斜拉桥（主跨530m）、丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥、英国主跨194m的Flintshire独塔斜拉桥等等。以及我国也已经在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥，内地的上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等。因此，有必要对一些具有重要意义的桥梁进行实时监测。

　　一、朔黄铁路桥梁问题 （重载 疲劳次数 轴重增加 年运量）

　　目前，朔黄铁路年运量已突破2亿吨，有效地缓解了运量需求与运输能力的矛盾。为了满足经济快速发展的需要，通过采取重载、提速措施进一步提高运输能力。重载提速以后对铁路线路产生较大的影响，尤其对铁路桥梁的健康造成不利的影响，主要有：①桥梁受到动荷载作用加强；②影响桥梁动力系数的因素变化；③重载提速后，除轴重增加外，轴对数远远高于之前列车，对桥梁的梁部耐久性产生不利的影响；④对轨道结构产生破坏作用；⑤会导致桥涵的损伤甚至疲劳破坏。

　　大秦铁路开展多种项目对线路、桥梁和路基进行有针对性的研究，为安全运营与管理提供了非常重要的依据。如《精轧螺旋钢筋先张部分预应力混凝土梁》项目，主要研究了梁体开裂后的疲劳性能和裂纹宽度的控制；《大秦线2万t货物列车条件下线桥设备试验研究》主要研究了开行2万t货车对大秦线轨道、桥梁和路基的动力性能的影响；《大秦线2万t级重载列车对既有桥梁上部结构的影响》主要研究重载货车对桥梁外荷载的影响。

　　问题：

　　朔黄铁路运行10年以来，部分桥梁的杆件、梁体出现裂纹、断裂，随着开行万吨列车的增多，会更多的出现疲劳、断裂等故障。因此，需要建立朔黄铁路桥梁监测系统，实时监测这些易发故障，评价桥梁的运营性能，为桥梁的安全运营和管理提供重要的数据依据。（文字修饰）

　　问题的解决办法 上健康监测系统

　　老方法 传感，处理

　　新方法

　　怎样发现缺陷，探测方法（机理），处理方法、算法

　　改进点，提高点

　　二、新方案的提出 新方案的特点

　　根据现有国内外桥梁健康监测系统的成功经验以及朔黄铁路桥梁的特点，我们提出了一种新方案。新方案采用传感器技术、激光测距技术、声发射技术、高速照相技术，可以实现：对桥梁的挠度、振动、应力、轴重进行动态传感；车厢的运动姿态；梁体、杆件裂纹的产生和裂纹性能；轮轨位置关系的测量；实时分析、处理这些传感器数据，依照多项技术指标来评价桥梁的健康状态和安全隐患。

　　系统规模：小中大。

　　三、系统的组成

　　朔黄铁路桥梁健康监测系统主要由现场测量系统、远程控制中心系统及分析中心系统三大部分组成：

　　1.现场自动测量系统

　　主要对桥梁现场的应变、温度、挠度、振动及轴重传感器、声发射传感器进行数据采集；采集激光测距仪所接收的信号；采集高速照相机所拍摄的照片。预处理采集到的数据、信号、照片，通过TCP/IP协议的单片机向远程控制中心系统发送数据。
　　2.远程控制中心系统

　　主要对传输过来的采集数据进行存储，系统控制命令的发送，数据统计计算。系统采用NI公司的LabVIEW通过TCP/IP接收由下位机发送过来的数据，并进行原始数据处理与分析，当出现异常时进行报警，能以报表图形等方式显示桥梁结构的应变、挠度变形等参数的变化趋势，并向分析中心传递数据。

　　3.分析中心系统

　　主要对采集系统采集到的原始数据及与处理后的数据进行分析判断，对监控期间的桥梁运营工作状况进行评价，为桥梁的养护维修提供建议。分析中心系统是整个健康监测系统最为主要的部分，需要运用科学的方法，建立反映桥梁健康状态的数学模型。

　　四、系统研究的主要内容

　　（一）系统研究的主要内容

　　1）应变监测系统：主要监测桥梁在运营期间内，在活载及长期荷载作用下，桥梁各主要测试截面应力变化情况，从而预警桥梁结构是否有缺损状态的潜伏或存在，保证桥梁强度及安全使用的要求；

　　2）振动监测系统：主要测量桥梁振动位移、速度和加速度，判断桥梁的振动特性，可以为评价应变、挠度等桥梁特性提供有效的参考补偿；

　　3）挠度监测系统：主要监测桥梁在运营期间内，在活载及长期荷载作用下，桥梁各主要测试断面位移变化情况，从而预警和掌握桥梁结构刚度变化情况及徐变作用情况；

　　4）温度监测系统：实时采集桥梁周围环境温度，分析在不同环境温度状态下桥梁工作状态的变化（如挠度、应力的变化）；

　　5）动态轴重监测系统：使用车辆动态轴重监测系统，可对桥梁上通过的车辆进行监测记录，掌握活载情况，为分析桥梁结构挠度变形、应力及动力性能的监测数据提供依据；

　　6）车体运行姿态监测系统：

　　7）轮轨相对位置关系：测量轮轨相对位置关系，可以评价列车的走行性能，为保证行车安全提供参考依据；

　　8）钢梁裂纹监测系统：发现监测到钢梁上的裂纹，并定位裂纹，监测裂纹扩展情况，及时报警；

　　（二）系统需要解决的问题

　　1）采用精准的传感器对桥梁的振动、挠度、应变、轴重、温度进行准确的动态传感，实时测量出桥梁的振动特性、挠度变化曲线、应变特性、轴重、温度值；

　　2）基于声发射技术的梁体、杆件裂纹检测与定位

　　3）桥梁的振动运动对轮轨位置关系的影响

　　4）实时监测车厢的运行姿态，实时评价走行性能

　　五、系统的功能

　　（1）实时监测桥梁的挠度信号 能够形象直观的看到列车经过时桥梁弯曲、变形（自行研制的挠度仪 连通管） 上下游两侧的挠度

　　（2）实时监测桥梁的振动信号 横向振动 竖向振动 （振动传感器）

　　（3）实时监测桥梁的应力信号 （应变片）

　　（4）实时监测环境温度的变化（温度传感器）

　　（5）车辆的轴重（压电传感器）

　　（6）实时显示列车车厢运行姿态

　　（7）检测钢梁上是否存在裂纹，并计算出裂纹的准确位置

　　（8）钢梁振动运动对轮轨相对位置关系的影响 梁的运动与轨的运动

　　（9）系统全天候工作

　　（10）采用光纤以太网通讯（光缆）或3G网络向远程进行数据传输

　　系统的创新技术

　　1） 自行研制的液体连通管光电式挠度传感器

　　2） 创造性的提出了钢梁振动运动对轮轨相对位置关系的影响；

　　3） 采用激光测距技术监测车厢的运行姿态；

　　4） 声发射技术对钢梁上是否存在裂纹进行检测与定位。

　　六、系统的构架、结构框图

　　

	钢架桥	T梁桥	连续刚构桥
振动系统	Y	Y	y
应变系统	y	y	y
挠度系统	Y	Y	Y
温度系统	Y	Y	Y
轴重系统	Y	Y	Y
车厢晃动	Y	Y	y
声发射技术	Y	y	y
轮轨接触关系	Y	Y	Y
裂纹扩展		Y	Y

　　不同桥型所需建立的监测内容。

　　T梁 连续刚构（预应力） 梁体开裂后的疲劳性能和裂纹宽度的控制

　　钢桁梁判断发现裂纹 定位 对裂纹的发生和发展

　　参考文献：

　　《大秦铁路开行2万t级重载列车对既有桥梁上部结构的影响》左家强

　　系统规模