程 輝，鄭競友，鐘繼衛(wèi)，梅秀道，葉仲韜

（1.橋梁結構與健康湖北省重點實驗室，湖北武漢 430034；2.中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司，湖北武漢 430034；3.浙江金筑交通建設有限公司，浙江杭州 310010）

重載鐵路連續(xù)剛構橋梁撓度監(jiān)測分析

程 輝1，2，鄭競友3，鐘繼衛(wèi)1，2，梅秀道1，2，葉仲韜1，2

（1.橋梁結構與健康湖北省重點實驗室，湖北武漢 430034；2.中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司，湖北武漢 430034；3.浙江金筑交通建設有限公司，浙江杭州 310010）

鐵路橋梁撓度監(jiān)測反映了橋梁豎向整體剛度，撓度時程曲線揭示了橋梁結構、荷載相關信息.通過對重載鐵路橋梁撓度監(jiān)測數據分析，發(fā)現橋梁撓度受活載及橋梁溫度場的影響，并對橋梁最大撓度統(tǒng)計分布規(guī)律、撓度與溫度相關性以及橋梁滿載狀態(tài)下的撓度歸一化進行探討，提出橋梁撓度的相關報警指標，對《鐵路橋梁檢定規(guī)范》關于撓度的評判指標進行了擴充.

連續(xù)剛構；重載；撓度；溫度撓度；撓度歸一化；健康監(jiān)測

撓度是橋梁結構整體受力性能的主要表現形式，也是衡量橋梁整體剛度的重要指標［1］.大跨度預應力鋼筋混凝土連續(xù)剛構鐵路橋梁，橋梁剛度大，荷載重，撓度監(jiān)測效果好、信噪比高且信號穩(wěn)定.重載鐵路橋梁跨徑一般在8 m - 400 m之間，貨運列車延長在1 000 m - 1 700 m之間，橋梁長度遠小于列車長度，列車在橋梁上通行時間長.橋梁撓度時程曲線清晰記錄了列車對橋梁作用的完整信息，顯示橋梁撓度與結構形式、列車速度、車輛荷載均有密切關系.

《鐵路橋梁檢定規(guī)范》對活載作用下橋梁撓度規(guī)定如下［2］：對于普通高度梁體H/L=1/11 - 1/13，撓跨比＜1/1 800；對于低高度梁體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.實際運營列車荷載小于設計荷載，因此實測撓度小于規(guī)范限值.為保證橋梁安全，僅依靠撓跨比指標顯然不能滿足實際橋梁安全評估要求，需要對橋梁規(guī)范限值范圍進行調整.

對橋梁撓度動態(tài)監(jiān)測數據進行深入挖掘，揭示橋梁結構、荷載及橋梁安全評估方面的信息.國內大量專家學者對此進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原理，利用溫度撓度具有周期性的特點，對橋梁撓度監(jiān)測信號進行分離.潘東宏［4］采用ARMA時間序列預測模型，將撓度監(jiān)測數據中所包含的外荷載的變化趨勢及結構抗力的衰變信息進行動態(tài)預測.王永平等［5］利用均布荷載長度大于橋梁長度，建立移動荷載模型，通過振型疊加和wilsonθ-方法建立橋梁振動函數.

國內外對鐵路橋梁撓度監(jiān)測的報警及評估方面研究較少，規(guī)范也存在著橋梁撓度評估指標較單一等問題.本文采用封閉式連通管原理對重載鐵路橋梁進行撓度監(jiān)測，利用溫度、活載特性對撓度進行分離，獲得活載-撓度、溫度-撓度相關關系，通過橋梁撓度分布分析揭示其與列車荷載之間的關系，并對橋梁撓度進行歸一化處理，建立了基于橋梁撓度監(jiān)測的報警指標及評判方法.

1 工程概況

1.1 列車荷載簡介

大準增二線黃河特大橋（以下簡稱大準黃河特大橋）為三跨預應力鋼筋混凝土連續(xù)剛構橋，跨度組成為96 m +132 m +96 m，邊、中跨跨度比為0.72.該橋梁實行單線鐵路運輸，設計荷載為中活載，驗算荷載為中長跨荷載［6］.通行的列車機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機車+100C80B拖車和2SS4B機車+58節(jié)KM70拖車.重載列車編組、載重及長度等參數見表1.

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)簡介

表1 重載列車車輛荷載參數表

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)測斷面，T1、T2為溫度監(jiān)測斷面.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.撓度長期監(jiān)測系統(tǒng)采用封閉式液位連通管原理，全橋共布置8個斷面，采樣精度為0.5 mm，采樣頻率為1 Hz；溫度監(jiān)測采用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 傳感器數量及屬性

2 橋梁撓度分析

對于大跨徑預應力鋼筋混凝土連續(xù)剛構橋，橋梁除受到活載作用出現短期撓度外，還受溫度荷載以及混凝土收縮徐變長期影響，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）為橋梁斷面實時撓度，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.

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

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）測點2014年6 - 10月份的橋梁溫度見圖3，中跨跨中撓度（Def-04）測點變化曲線見圖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圖

圖4 2014年6 - 10月室外溫度長期趨勢圖

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

式（2）中T（t）為溫度長期監(jiān)測數據，f（t）為橋梁撓度長期監(jiān)測數據.

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關系

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.《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判依據，但其前提條件是荷載已知，而與實際運營荷載是荷載大小未知且荷載類型多樣的情況不同.

大準黃河特大橋每天通行列車數量為40列 - 45列，對礦區(qū)列車裝載進行調研，其中70％的為C80B編組列車，現代裝載技術可將C80B列車裝載載重偏差控制在5％以內，因此可通過對橋梁撓度最大值長期分布統(tǒng)計規(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）測點在不同列車編組作用下的撓度典型時程圖見圖6，圖6顯示了不同

圖6 中跨跨中撓度典型時程圖

列車編組通行過程中的橋梁撓度變化時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.

設某時刻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營期間最大撓度與設計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在9#邊跨跨中（Def-01）測點，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，校驗系數為0.69.

表2 撓度監(jiān)測數據分析表

2.2.2 活載撓度分布

橋梁撓度時程曲線能明顯反映橋梁列車荷載特征.對橋梁最大撓度進行統(tǒng)計分析，將有助于掌握列車編組及荷載規(guī)律.2014/8/20 - 2014/8/28時段內9#邊跨跨中測點（Def-01）撓度分布規(guī)律見圖7.圖7顯示9#邊跨跨中測點（Def-01）撓度分布呈現3個峰，前2個波為正態(tài)分布且分布互相重疊；第3個波為標準的正態(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個正態(tài)分布均值分別為12.5 mm、13.5 mm和18.5 mm.其余測點撓度分布與之相同.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％，與實際調研結果較吻合.

圖7 2014/8/20 - 2014/8/28時段內9#邊跨跨中撓度分布圖

橋梁撓度監(jiān)測數據具有變異性，對不同列車編組通過橋梁最大撓度進行長期統(tǒng)計，9#邊跨跨中測點（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)間實現對橋梁列車編組的識別.

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

大準黃河特大橋各編組列車長度遠大于橋梁長度，橋梁滿載運行時間長.撓度時程曲線顯示，列車滿載運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顯示在橋梁滿載時橋梁各個斷面測點撓度值穩(wěn)定，其中最大撓度出現在中跨跨中測點（Def-04），撓度值為15 mm，此時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

設橋梁滿載狀態(tài)時刻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％，表明橋梁現階段狀態(tài)良好，與實際橋梁狀態(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 撓度報警閾值

黃河特大橋撓度報警系統(tǒng)可分為橋梁靜撓度與動撓度兩部分，其中動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，首先評判活載撓度是否超過撓度最大值，然后根據環(huán)境溫度與撓度相關關系分析判斷其是否異常，通過對撓度與溫度95％置信度預測區(qū)間為標準.

撓度采用三級報警，見圖11.一級閾值即統(tǒng)計束限值包括兩部分：

圖11 撓度閾值的計算方法圖

為95％置信度方差.

根據式（5）、式（6）計算大準黃河特大橋橋梁邊跨、中跨跨中斷面活載效應和溫度效應的撓度一、二級閾值，計算結果見表5.表5顯示，9#邊跨、10#中跨及11#邊跨跨中活載撓度一級閾值分別為32.74 mm、28.65 mm和29.36 mm，當荷載撓度小于上述值時，可認為橋梁處于安全狀態(tài).由于大準黃河特大橋9#邊跨、11#邊跨跨中撓度對溫度不敏感，僅10#中跨跨中撓度與溫度相關性明顯，因此表5中僅列出了10#中跨跨中的溫度效應一級閾值-40.380 mm.當撓度與溫度線性相關曲線的截距小于上述值時，橋梁安全.

表5 橋梁撓度閾值值表

5 結 論

本文通過對大準增二線黃河特大橋撓度長期監(jiān)測數據分析，得到如下結論：

（1）通過對荷載作用下的各個斷面最大撓度進行統(tǒng)計分析，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）通過橋梁實際運行的列車編組及荷載下的斷面最大撓度分布，對橋梁列車編組及荷載作用規(guī)律進行對比分析，發(fā)現兩者吻合程度較好，說明橋梁撓度能反應列車編組及荷載規(guī)律.

（3）通過橋梁溫度荷載長周期、列車荷載短周期等特性對橋梁撓度溫度荷載進行分離，并分析了溫度-撓度的相關性，說明橋梁撓度與溫度具有明顯的相關關系.

（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，對比不同時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，評估結果不受運營列車荷載的影響，可作為橋梁狀態(tài)評估的指標.

（5）通過橋梁荷載-撓度及溫度-撓度相關關系建立了橋梁撓度報警系統(tǒng)，擴充了橋梁安全狀態(tài)評價指標.

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

［2］ 中華人民共和國鐵道部. 鐵路橋梁檢定規(guī)范： 鐵運函［2004］ 120號［S］. 北京： 中國鐵道出版社， 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］. 中山大學學報（自然科學版）， 2013（3）：52-54.

［4］ 潘東宏. 基于橋梁撓度長期監(jiān)測值的動態(tài)預測［J］. 西部交通科技， 2009， 10（5）： 62-66.

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

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

［7］ 程輝， 李振東， 鐘繼衛(wèi). 軌道交通橋梁運營期橋面線形監(jiān)測數據分析［J］. 橋梁建設， 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

湖北省基金項目（2013CFA135；2013CFB457）

程輝（1978- ），男，湖北武漢人，高級工程師，碩士，研究方向：橋梁結構監(jiān)測及分析