铁路桥梁无线测振系统的可靠性分析及应用

张志国

(大秦铁路股份有限公司工务检测所，山西太原 030015)

1 概述

铁路桥梁在使用过程中，由于常年频繁受力，再加上大自然、自然灾害以及机动车辆等因素的侵袭，致使铁路桥梁结构产生各种损伤或局部破坏。随着铁路桥梁使用时间的增长，损伤也会越来越严重，为保障铁路桥梁的安全运营，延长其安全使用寿命，就要在检测评估的基础上，对那些承载能力、刚度、耐久性不能满足新要求的部位或构件，进行有针对性地维修加固［2］。

随着当今高速客专铁路日新月异的快速发展，尤其是我局大秦线重载的货运量不断增大，既有桥梁经受着前所未有的承载考验，采取有针对性地维修加固，其前提就是对桥梁进行检测，才能实现既经济又高效地延长既有铁路桥梁的安全使用寿命。

桥梁检测是一门与工程实践紧密联系的技术学科，涉及到桥梁的设计计算理论、仪器仪表性能、试验测试技术、数理统计分析、现场试验组织等方面，具有较强的应用性、综合性和复杂性［2］。从方法上分为静载试验、动载试验和无损检测;从工程阶段上分为成桥试验和施工阶段监测控制;从时间上分为短期试验和长期试验;从过程上分为准备规划阶段、加载与观测阶段、分析总结阶段［2］。从线路连接上来讲，划分为有线检测、无线检测。

本文着重对无线测振系统进行论述，通过宁岢线44号桥同时采用有线和无线两种测振系统所测横向振幅的试验实例，检验该无线测振系统的可靠性，进而将该无线测振系统应用在宁岢线48号桥桥墩的横向振幅测试中。

2 无线测振系统的组成、参数及功能

2.1 系统组成

该系统分为现场测振单元和后台监控软件两部分，二者通过无线数传模块实现数据及命令的双向无线传输。后台监控软件可同时管理32个现场测振单元(根据需要可扩充现场测振单元)。通过后台监控软件和测振单元之间的无线通信，实现对现场测振单元的遥控、遥测和信息交互功能，可以及时得到所测信息。图1为系统结构示意图。

2.2 系统配置及主要参数

本软件运行在Windows系列操作系统，要求笔记本电脑拥有最少一个RS232串行接口。系统主要参数如下:

1)测量范围:位移0 mm～20.48 mm(单振幅)，加速度0 m/s2～5 m/s2，列车速度 5 km/h～199 km/h;

2)显示分辨率:0.01;振动台标定误差:≤5%;现场测量误差:≤15%;

3)采样频率:≥100 Hz;

4)振动传感器:891-4型拾振器;

5)测试通道:≤32个振动，1个速度;

6)无线数传距离:≤2 km，工作频率433 MHz，传输波特率9 600 bps;

7)三种工作方式:全自动触发、采样触发、手动触发;

8)测振单元:外形尺寸170 mm×125 mm×90 mm，重量:＜2 kg;

9)使用条件:温度范围:-10℃ ～+50℃，相对湿度:≤85%;

10)电源:6VDC，可持续供电:≥10 h，可充电。

2.3 系统功能模块

后台监控软件由三个模块构成:

1)振动波形分析模块(波形显示、波形定位、波形缩放、波形保存、波形加窗、波形滤波、任意时段波形归零、零点偏移、FFT分析、任意频段归零、频率估算、极值统计等);

2)远程操作模块(列车过后远程调用振动数据、列车通过时远程实时调用振动数据、通道设置、零点校正、远程配置、远程校时、时间查询、状态查询、速度查询、远程复位、实时FFT分析);

3)报表与打印模块(图形打印、极值统计报表)，系统设置模块(颜色设置、串口设置、其他参数设置)，文件查看器，帮助模块等等。

1)对振动波形进行分析和显示。2)远程管理现场测振单元及远程调用振动波形。相应的，后台监控工作分为本地和远程两类，本地是指软件处理用户U盘上的振动数据文件(现场测振单元采集到的数据)，包括频域波形分析、时域波形分析及波形分析结果的显示、打印等功能。远程是指通过无线数据传输与现场测振单元进行通信，包括远程配置、远程调用数据、远程实时调用数据、远程查询等。

3 通过实例分析无线测振系统的可靠性

3.1 宁苛线44号桥墩顶振幅测试

该桥位于宁岢线五寨至安塘区间DK61+010处，于1969年9月建成竣工，为单线四跨预应力混凝土简支梁桥，跨径为16 m+2-24 m+16 m，桥梁位于1‰和5.5‰坡道的直线上。桥墩为双柱式钢筋混凝土柔性墩，桥墩采用钻孔桩基础，桩径1.0 m，桩长20.0 m，承台采用250级钢筋混凝土灌注;T形桥台，桥台为明挖扩大基础，墩台地基均为黄土质砂粘土。

传统的有线检测仪器连接方式为:拾振器+放大器+数据采集仪+笔记本电脑，各仪器间用专用信号线连接。兰州交通大学2009年6月采用有线方式对该桥进行动静载检测，同年进行维修加固，2010年10月采用有线方式对加固后的桥墩墩顶横向振幅进行了测试。

我局2011年7月采用有线和无线两种方式同时对桥墩墩顶横向振幅进行了测试。试验荷载为通过该桥的列车荷载。

墩顶测点布置如图2所示。

3.2 测试数据对比

历年各桥墩横向振幅最大值见表1。

表1 历年各桥墩横向振幅最大值

2011年无线测试的动态误差以2011年有线测试的结果为基准进行计算，从表1可以看出，无线检测系统的动态误差不大于±15%，符合总公司的有关规范规定。

入室盗窃案件发案展现出的高发时段规律，要求公安机关应在案件高发时段加强巡防力量的部署，尤其加强居民区巡防力量的部署，同时可以发动群众参与巡防，积极支持和鼓励社区工作者和志愿者投身到巡防工作中，从而达到震慑犯罪分子的目的。同时，应加强社区居民的安全教育，避免在案件高发时段留给犯罪分子可乘之机。鼓励群众安装家庭安全防范系统，并与当地派出所联网也是一种较好的防范措施。

4 无线测振系统可靠性保障的前提条件

无线通信最容易受外界环境的影响，但是我们可以从以下几方面进行克服，从而保障无线设备采集数据的可靠性。

4.1 设备方面

1)拾振器挡位要设置恰当。水平或竖向振动测量时，选择2挡或3挡，相应单元的远程配置参数挡位栏选择要统一;测量加速度时，选用加速度测量单元，891-4挡位拨1挡，相应的远程配置参数挡位栏要选择1。

2)测振单元、通信单元提前充足电。每次使用前应充电8 h～12 h。充电时，充电指示灯亮。三个月不用时应充电一次，充电时间不少于10 h。

3)测试时，一定要在测振单元上插U盘，这是为了保存原始采集的数据。

4.2 软件操作方面

1)测振单元编址。实测前，要对测振单元统一编址，若其放置于桥墩顶之后，编号就很费人力。

2)测试前，建议采用广播对时命令统一对时，使测振单元处于同一起始工作时间，便于后期数据分析处理。

3)测试时，要在测试空闲时，注意查询各单元的电池电压，当发现某单元电池电压小于5.8 V时，应及时充电或更换欠压的单元。

4)当列车离开桥不少于1 min后，方可用远程调用功能来观测测振单元所记录的最新一次振动数据。这是为了给测振单元留出写U盘的时间。

5)远程调用或实时调用正在进行时，严禁其他远程操作。

6)测试时，严禁使用远程“编址”功能，否则，所有单元将使用同一个单元号。系统调用时会出现混乱，严重时会死机。

7)在FFT分析时，振动单元采样频率与系统分析频率要一致，否则FFT分析结果出错。

4.3 环境方面

1)远离磁场强的地方。尤其是在加速度测试时应远离磁场强的地方，以免干扰。

2)操作台位置的选择。操作台应选择在人员走动少、能挡风遮雨的地方，搭建仪器棚。

5 无线测振系统的推广应用

5.1 无线测振系统推广应用的优势

1)应用环境要求少，适应性强。在遇到一些特殊的应用环境，诸如单孔梁体、自然灾害冲刷桥墩等情况时，传统的有线连接就显得费时费力。而无线设备就能很好适应这种恶劣的地理环境。例如，2013年2月15日曲亭水库垮坝，冲刷南同蒲150A桥，第一时间，采用无线测振系统，通过测试桥梁墩顶中心横向振幅及墩顶四角的垂直振幅，判断该桥墩台的稳定性，为领导的抢险决策提供理论依据。

2)若需增加测点，扩展性好。倘若某一测点需要调换或增加，如果采用有线的方式，则需要重新布线，费时费力，有些情况就来不及进行调换或增加。而无线方式显得容易，调换或增加一个测振单元与通信单元无线连接即可。这种情况是测试时经常遇到的情况。

3)测振单元、通信单元出现故障，容易维护。倘若在测试前或测试中，发现某个或多个测点不响应，采集不到数据，如果采用有线的方式，就需检查连接线接头是否虚接等故障点，非常繁琐。而采用无线方式就只需检查无线单元，快速找出问题所在，及时解决。

4)测试前检测设备布置、调试等准备工作，不需专门的“天窗点”或“封锁点”，安全压力小。目前人员上线作业的规章要求越来越严，安全压力越来越大，像传统的有线方式，在线路两侧步行板上来回穿梭布线，安全隐患多。若采用无线方式，则显得更安全、更容易操作。

5)综合成本低。尽管一个无线单元比一段信号线要贵，但是考虑到人力、时间、安全等成本，并且该单元能够重复使用，相对传统的有线方式，综合成本就较低。

6)操作技术要求不高，容易上手。像传统的有线检测设备，需要专业技术人员操作，才能准确采集到数据。该无线测振系统，只需短时培训后，即可上手操作，有利于在工务段普及。

5.2 宁苛线48号桥墩顶横向振幅测试实例

该桥位于宁岢线安塘至秦家庄区间DK79+265处，于1970年2月建成竣工，为单线四跨预应力混凝土简支梁桥，跨径为24 m+2-32 m+24 m，桥梁位于-10.5‰和-10.6‰坡道的直线、缓和曲线及圆曲线上。桥墩为工字形钢筋混凝土轻型墩，桥墩采用钻孔桩基础，桩径1.0 m，桩长20.0 m，承台采用250级钢筋混凝土灌注，墩台地基为黄土质砂粘土。2009年维修加固。

2011年我局对该桥进行桥墩横向振幅的测试。设备采用无线测振系统，试验荷载为通过该桥的列车荷载。

在不同列车荷载作用下，实测各桥墩墩顶中心横向振幅，经过专用软件分析，得出各桥墩墩顶的横向振幅最大值见表2。

各桥墩墩顶横向幅值曲线见图3～图5。

根据以上数据显示，实测各桥墩墩顶中心横向振幅最大值均小于《桥检规范》规定的通常值。

表2 各桥墩墩顶的横向振幅最大值

6 结语

随着无线通信、数字化电子行业等技术的迅猛发展，低成本、低功耗、多功能的无线检测单元会变得越来越小，并且无线传输精确度更高。不仅仅无线测振系统会更加成熟、可靠，而且桥梁的整个无线检测技术将会更加快捷、准确、灵活地服务于桥梁状态的监测，更加智能化，实现随时随地查看所想了解的某一桥梁的技术状态，节省大量人力、物力、财力，为保障高铁和重载铁路运输安全奠定技术之基，同时带来巨大的经济效益和社会效益。

［1］ 刘自明，王邦楣.桥梁工程检测手册［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］ 张俊平，周建宾.桥梁检测与维修加固［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］ 王建华，孙胜江.桥涵工程试验检测技术［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］ 铁运函［2004］120号，铁路桥梁检定规范［S］.