高速铁路大跨度桥梁运营监测系统研究

岳青，吴来义，朱利明，毛国辉，刘有桥，丁幼亮

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430050;2.南京工业大学轨道交通与桥隧诊治研究中心，江苏南京210009; 3.东南大学混凝土及预应力混凝土教育部重点实验室，江苏南京210096)

高速铁路大跨度桥梁运营监测系统研究

岳青1，吴来义1，朱利明2，毛国辉1，刘有桥1，丁幼亮3

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430050;2.南京工业大学轨道交通与桥隧诊治研究中心，江苏南京210009; 3.东南大学混凝土及预应力混凝土教育部重点实验室，江苏南京210096)

从高速铁路大跨度桥梁运营养护需求出发，结合大跨度桥梁的结构特点，采用自动化监测与电子化人工巡检相结合的运营监测系统。监测系统包括自动化监测、电子化人工巡检、数据分析处理及数据管理。监测内容包括桥址环境、外部荷载、结构响应、动力特性、特殊设备和结构表观病害。对监测数据采用统计分析、趋势分析、特征值提取、相关分析、回归分析等分析方法，从而掌握大跨度桥梁在运营阶段的力学行为，提供桥梁养护管理决策。监测系统具有实时在线信息查询、统计报表等功能。本文提出的监测系统设计方案已应用于京沪高铁南京大胜关长江大桥和石郑铁路客运专线郑州黄河公铁两用桥的运营监测，减少了人工检测的工作量，为养护管理人员提供了大量的监测数据。

高铁大跨度桥梁 运营监测 测点优化布置 电子化巡检 数据分析

高速铁路是现代科技的产物，与发达国家相比，我国高速铁路发展起步虽晚，但发展最快［1］。经过10多年的发展，我国已建成了世界上规模最大、运营速度最高的高速铁路网。截止2013年12月底，我国高速铁路运营里程已超过13 000 km，占全球高速铁路运营里程的50%以上［2］。为确保高速铁路的运营安全，全线采用封闭行车模式，因此桥梁比例显著增大，京津城际铁路的桥梁占88%，京沪高速铁路的桥梁占80%，其中大跨度桥梁成为高速铁路安全运营关键性节点。

大跨度桥梁具有结构复杂、规模宏大的特点，在设计阶段和运营阶段全面掌握其力学行为是困难的。定期对桥梁结构进行检测评定，缺少整体性和连续性，且影响列车的正常运营，对于繁忙的铁路干线甚至难以实施。因此，对大跨度高速铁路桥梁进行运营监测是十分必要的。

1 工程背景

京沪高速铁路大胜关长江大桥［3-4］为六线高速铁路特殊桥梁。桥上有双线京沪高速铁路及双线沪汉蓉铁路，外侧搭载南京双线地铁。京沪高速铁路正线设计行车速度300 km/h。主桥长度1 615 m，采用2× (84+84)m连续钢桁梁+1×(108+192+336+336 +192+108)m连续钢桁拱结构，横桥向采用三桁承重结构，桥面为正交异性板整体桥面，支座采用特制球型钢支座，最大支座反力达180 000 kN。主桥两端设有特制梁端伸缩装置和轨道伸缩调节器，最大伸缩量为500 mm。大胜关长江大桥具有高速、大跨、重载等技术特点，获得国际桥协的乔治·理查德森大奖。

石郑铁路客运专线郑州黄河公铁两用桥［5-6］上层通行6车道高速公路，下层为双线客运专线。大桥主桥全长1 684.35 m，共两联，第一联为(120+5×168+ 120)m 6塔连续钢桁梁斜拉桥，第二联为(120.95+3 ×120+120.95)m连续钢桁梁桥。第一联主梁为两片边桁倾斜的空间三片桁架结构形式，主桁杆件截面为平行四边形。上层公路桥面采用预制混凝土桥面板，下层铁路桥面采用正交异性整体钢桥面板。大桥是世界上第一次在标准公铁两用客运专线上采用6塔连续单索面的大跨度钢桁梁斜拉桥。

2 运营监测系统设计总则

2．1总体设计思路

大跨高速铁路桥梁运营监测系统通过测试反映大桥环境激励、结构响应状态及行车安全方面的某些信息，实时监测大桥的工作性能和评价大桥的工作条件，以保证大桥的运营安全，为大桥的养护维修提供科学依据。总体设计思路为:对人工日常巡检无法检测的结构工作性能和人工无法到达的隐蔽部位进行监测;准确地把握桥梁在各种荷载下真实的受力及变形情况;评判在突发性事件(如强烈地震、强台风等)后的结构状态。另外，实时监测的数据和分析结果对桥梁的设计者和建造者是非常重要的资料，这些监测资料可以提高人们对大型复杂结构的认识，为今后类似工程提供设计和建造依据。

2.2 监测系统架构及功能

大跨高速铁路桥梁运营监测系统采用在线监测与人工巡检相结合的技术路线，系统包括自动化监测、电子化人工巡检、数据分析处理及数据管理4个分系统。其中自动化监测分系统和电子化人工巡检分系统是整个系统的基础，其主要功能是获取桥梁各类监测数据，为桥梁健康状态评估提供及时、准确、全面的监测数据;数据分析处理分系统是整个系统的核心，其主要功能是对监测数据进行分析处理和桥梁结构健康评估;数据管理分系统是整个系统的中心和目标，其主要功能是为各个分系统提供数据接口、建立数据库，对数据进行综合管理，同时将监测数据及分析结果应用于桥梁养护管理。

3 监测内容及测点优化布置

要充分发挥大桥运营监测系统的作用，在建立监测系统时，应从数据分析和管养的需要出发，确定监测内容;在对结构进行安全评估时，可以充分利用监测系统输出的全部信息和其它综合信息。因此，建立运营监测系统的首要问题就是合理确定监测内容［7］，选取的监测内容是否恰当，直接关系到整个监测系统的实用性和有效性。

3.1 监测内容

大跨度高速铁路桥梁的监测内容首先应从运营期养护维修角度出发，特别是人工不易检测的关键部位的受力、变形及振动情况。其次，结合桥梁结构在运营阶段的受力特点，监测其重点部位及构件的工作状况。此外，监测内容还需根据监测系统的自身要求选择合适的监测项目，主要考虑到监测手段的可行性等。

根据大跨度高速铁路桥梁的运营特点，结构运营监测以动力监测为主、静力监测为辅。具体监测内容可分为桥址环境监测、外部荷载监测、结构响应监测、动力特性监测、特殊设备监测和结构表观病害监测。

桥址环境监测。风对大跨度高速铁路桥梁横向振动和拉索、吊杆的局部振动影响显著;大跨度桥梁通常都是超静定结构，温度引起的结构内力不容忽视，设计采用的温度场与实际情况存在一定差别;湿度对钢桥锈蚀影响显著。

受力状态监测。高速铁路桥梁整体刚度大，但由于交通繁忙，桥面板局部频繁承受交变荷载，因此应力监测方面侧重于疲劳应力监测。

振动响应监测。桥梁横向振动会带动轨道一起振动，引起轨道的横向变形，增加轮轨之间的横向作用力，影响行车安全。根据文献［8］，当桥面板竖向振动超过一定限值时会引起道砟塌陷，影响轨道线形和行车安全。因此，振动响应监测是大跨度高铁桥梁监测的重点。

结构线形监测。桥梁线形反映了桥梁整体刚度和工作性能的变化，也是保证行车安全的重要衡量指标。

支座位移监测。桥梁运营期间，主梁和支座在荷载作用下可视为协调变形，其位移能够反映出主梁、支座以及梁端伸缩缝是否处于正常工作状态。

行车状态监测。与公路桥梁相比，铁路桥梁列车荷载明确，列车行车状态监测的数据可以作为实测荷载用于结构反演仿真计算，同时也可作为系统触发式采集的“开关”。

3.2 测点的优化布置

考虑到经济和结构运营状态等原因，在整座桥梁所有自由度上安装传感器是不可能也是不现实的，只能通过有限的传感器获取桥梁健康状况信息。因此就需要对监测点进行优化布置，以达到用最少的传感器完成必要项目监测的目的。

目前，关于桥梁结构监测点布置大多是基于经验，但是仅凭经验不能保证传感器测点的布点质量。传感器测点的布设应遵循“从状态评估的需要出发，以有效性和经济性为主，使测点能够发挥最大效应”的原则［9］。主要依据如下:①监测信息的类型、结构力学行为、响应的数据量等;②根据桥梁静、动力计算结果确定监测部位，结构空间变形控制点、最大应力分布及幅值变化的位置、可能产生应力集中的位置、动力响应敏感点等;③在有限元分析的基础上，应用相关优化理论进行测点优化;④设计人员的设计思想，安全评估需求;⑤桥梁专家的经验与建议，以及国内外其它类似结构的经验和教训。

根据监测内容和测点优化布置原则，对大胜关长江大桥和郑州黄河公铁两用桥进行测点布置。两桥分别布设了116个和92个测点。测点总体布置见图1［3］和图2［6］。

图1 大胜关长江大桥测点总体布置

图2 郑州黄河公铁两用桥测点总体布置

4 自动化监测分系统

自动化监测分系统是通过合理布置传感器，按照一定的采集和传输策略，自动获取环境作用和结构状态数据的传感测试系统，包括用于获取自动实时监测数据和数据处理分析所需的硬件和软件，由传感器、信号采集与传输模块组成。自动化监测分系统具有以下优点:传感器和采集系统长期稳定性好;系统可以连续采集、运行;能够实现信号实时、同步采集;能够实现设备自诊断，并实时报警;能够对原始数据进行初级校验和选择存储;能够按照既定程序自动完成或在用户干预下进行数据采集。

4.1 传感器模块

传感器模块是整个运营监测系统的硬件基础，通过传感器来记录结构响应及荷载、环境特征值，以模拟信号或数字信号反馈给数据采集系统。传感器的选择原则:可靠性、实用性、耐久性、经济性。

大胜关长江大桥及郑州黄河公铁两用桥运营监测系统的传感器包括以下类型:桥址环境监测采用大气温湿度传感器、机械式及超声式风速风向仪;结构温度及应变监测采用FGB光纤光栅传感器;主梁线形监测采用压差变送器;主梁及桥墩的振动监测采用磁电振动传感器;梁端及中间支座位移监测采用拉绳式位移传感器;斜拉索的索力监测采用电容式加速度索力动测仪;列车速度监测采用多普勒原理的测速雷达;列车车号识别采用国内快速标配铁路车号读取器。

4.2 信号采集与传输模块

信号采集与传输模块完成传感器信号的采集、调理，并把信号实时传输到数据管理分系统。该模块又可分为信号采集系统、信号传输系统和辅助支持系统三部分。其中信号采集系统是由布置在桥梁结构内部或桥面的调理设备、采集设备、采集计算机和传感器电缆网络等组成;信号传输系统由布置在桥梁外场工作站机柜内和监控中心机房内的网络传输设备及网络传输线缆组成;辅助支持系统由外场及监控中心辅助上述系统正常运行的设备组成，包括外场机柜、外场机箱、配电及UPS、防雷和远程电源监控等子系统。

信号采集及传输模块的目标功能:通过自编软件实现信号采集、存储、数据前处理、同步、数据传输、参数配置、采样控制、系统自检等功能;对所有传感器信号按照相应的采集制度和采样频率进行实时数据采集和预处理;连续采集或触发采集传输各类实时监测数据。对于特殊传感器的独立数据采集系统，通过COM接口的方式对其进行软件集成，完成各种数据的交换，并尽可能对原采集软件的正常工作影响最小。自动化监测分系统拓扑图见图3。

图3 自动化监测分系统拓扑图

5 电子化人工巡检分系统

电子化人工巡检分系统结合大桥人工巡检和定期检测工作，针对桥梁局部构件劣化以及损伤部位进行数据采集和巡检管理。该分系统的主要目标:涵盖各种层次和频度的巡检，实现日常巡检工作的电子化;提供便捷的巡检信息数据录入手段和接口;提供病害资料库及合理的处理措施供相关人员参考。分系统采用B/S结构向用户提供公共的交互界面，不同权限用户可以在局域网或广域网使用管养系统。通过该巡检系统，巡检人员可利用手持巡检终端进行数据录入，不需要传统的先手工记录再录入系统的过程，使得巡检无纸化。

电子化人工巡检分系统主模块包括电子化巡检、报告报表以及系统管理。

6 数据分析处理分系统

数据分析处理分系统由布置在监控中心的服务器完成，接收并处理自动化监测分系统采集到的监测数据、人工巡检数据和其它系统数据。数据分析处理分系统包括信号处理和数据分析统计。

信号处理模块侧重于数据的实时信息提取，接收来自于自动化监测分系统的数据信号。信号处理首先对原始数据信号进行解调、清洗、整理;然后对异常数据进行诊断识别，根据信号的异常情况诊断仪器设备的工作状态，并对异常数据进行校正处理;最后对监测数据进行特征参数统计、计算目标测量，为数据分析模块提供“干净”的监测数据，并且将数据存入中心数据库。

数据分析统计模块侧重于数据的长期信息提取，从中心数据库获取经过处理后的长时间数据，进行在线、离线分析，通过统计分析、特征提取、数据挖掘的手段来获取隐含特征、长期规则、模型参数，并将结果存入中心数据库。数据分析采用了特征值提取、统计分析、趋势分析、对比分析、相关/相干性分析、回归分析等相关分析方法。

6.1 结构温度监测数据分析

大胜关长江大桥结构温度场见图4。由图4可知:杆件截面梯度温差最大，温差最大值达18.2℃;其次是结构竖向温差，温差最大值为10.8℃;结构横向温差最小，温差最大值不超过3℃。数据分析表明，日照是引起杆件截面梯度温差和结构竖向温差的主要因素，结构温度的变化会影响结构应力的分布，因此在夏季阳光强烈时应加强结构温度和应变监测。

图4 结构温度场

6.2 支座位移监测数据分析

支座位移与结构温度相关性见图5。由图5可知:支座位移与结构温度具有良好的线性相关性，但是由于支座位移变化较温度变化存在一定的相位差，导致支座位移与温度相关性表现出特定的圆环特性。数据分析表明:支座位移与结构温度相关性的斜率变化可以反映支座的工作性能;通过统计支座位移的总里程可以科学合理地安排支座检修和养护工作。

图5 支座位移与结构温度相关性

6.3 动应变监测数据分析

对动应变监测数据通过雨流计数法得到疲劳应力幅值和循环次数［10］，再利用名义应力法中的S-N曲线，结合Miner疲劳损伤线性叠加理论计算桥梁结构累积疲劳损伤，并评估桥梁结构的剩余使用寿命。疲劳应力幅值见图6。

图6 疲劳应力幅值

6.4 振动监测数据分析

对振动监测数据首先利用切比雪夫滤波器进行滤波;然后利用小波包［11-12］技术进行分解重构，剔除振动数据中的趋势项;最后利用傅里叶时频转换方法进行频谱分析得出幅频特性，并提取出桥梁的各阶振动频率，用于评价桥梁的整体刚度和动力特性。振动信号的幅频特性见图7。

图7 振动信号的幅频特性

7 数据管理分系统

数据数据管理分系统是在桥梁信息数据库的基础上，为桥梁管理工作提供全面、科学的监测数据，逐步实现管养工作数字化、信息化、规范化、科学化，提高桥梁养护管理水平。基本目标:为技术状况评定提供相关数据;提供信息查询、统计分析及报告报表输出;为用户提出桥梁养护、维修各项建议和桥梁养护管理决策。

大桥监测体系中各类数据量庞大，类型多且杂，因此需要建立完善的数据库系统，用于分类存储、查询、调用。监测系统共构建9类数据库，能够快速及时地通过计算机网络提供桥梁状态信息，灵活地以图文并茂、友好自主的方式显示。数据库管理工作主要包括系统状态监控、数据查询、信息维护、结构状态、系统维护及管理等工作。数据管理分系统框架见图8。

图8 数据管理分系统框架

数据管理分系统管理桥梁的所有动态、静态数据(设计资料、施工期资料、实时监测数据、人工巡检数据、预警评定结果及系统管理信息等)，完成数据的归档、查询、存储，并将监测数据及分析结果应用于桥梁养护管理。

8 结论

1)根据大跨度高速铁路桥梁的运营特点，桥梁横向振幅、竖向加速度等影响列车行车安全的参数应作为监测的重点。

2)大跨度高速铁路桥梁运营监测系统应将自动化监测和人工巡检相结合，建立全面、综合的桥梁信息数据库，为大桥的养护管理提供科学的依据。

3)对监测数据的分析处理方法进行了研究，其分析结果对桥梁管养有一定的指导作用。结构温度场的变化会影响结构应力的分布，在夏季阳光强烈结构温差较大时，应加强结构温度和应变监测;支座位移与结构温度相关性的斜率变化可以反映支座的工作性能;通过统计支座位移的总里程数可以指导安排支座检修和养护工作;通过桥梁结构累积疲劳损伤可以评估桥梁的剩余使用寿命;桥梁各阶振动频率可以反映桥梁的整体刚度和动力特性。

4)在预警评定方面还需要进一步深入研究，建立合理的评估指标体系，为管养人员提供直观明确的科学数据。

目前该系统已经成功应用于南京大胜关长江大桥和郑州黄河公铁两用桥的运营监测，其中大胜关长江大桥运营监测系统于2011年6月建成投入使用，郑州黄河公铁两用桥运营监测系统于2012年7月建成投入使用，为大桥管养提供了科学数据，减少了日常巡检的工作量。本文提出的大跨度高速铁路桥梁运营监测系统具有很好的经济性、实用性和稳定性，可在大跨度铁路桥梁运营监测中广泛推广和应用。

［1］顿小红.从世界高速铁路发展看我国高速铁路建设［J］.现代商贸工业，2007，19(6):22-23.

［2］郑健.中国高速铁路桥梁［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［3］岳青.大胜关长江大桥营运监测系统设计方案［Z］.武汉:中铁大桥勘测设计院有限公司，2011.

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［5］岳青.郑州黄河公铁两用桥营运监测系统设计方案［Z］.武汉:中铁大桥勘测设计院有限公司，2012.

［6］肖海珠，高宗余.郑州黄河公铁两用桥主桥结构设计［J］.铁道勘察，2007，33(增1):30-34.

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［12］滕军，朱焰煌，周峰，等.自适应分解层数的小波域中值滤波振动信号降噪法［J］.振动与冲击，2009，28(12):58-62.

Research on operation monitoring system of high speed railway large span bridge

YUE Qing1，WU Laiyi1，ZHU Liming2，MAO Guohui1，LIU Youqiao1，DING Youliang3
(1.China Railway Major Bridge Reconnaissance＆Design Institute Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430050，China; 2.Nanjing University of Technology Track Traffic and Bridge Diagnosis and Treatment Research Center，Nanjing Jiangsu 210009，China; 3.Key Laboratory for Concrete＆Prestressed Concrete of the Education Ministry of China in Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China)

A combination of automatic operation monitoring system and electronic manual inspection are applied in high speed railway large span bridge for its operation and maintenance.T he system is consist of 4 sub-systems including automatic monitoring，electronic manual inspection，data analysis processing and data management. M onitoring system includes site environment，external loads，structural response，dynamic characteristics，special devices and visual damages.Statistical analysis，trend analysis，feature extraction，correlation analysis and regression analysis are performed.T he behavior of large span bridge in-service is studied，helping bridge maintenance and management decisions.T he system has real-time online monitoring system information，statistical reports and other features.T he proposed monitoring system design scheme has been applied to operation monitoring of Nanjing Dashengguan Yangtze River Bridge in the Beijing-Shanghai high speed railway and Zhengzhou YellowRiver highway-railway dual-purpose bridge in the Shizheng passenger dedicated line.T his system reduces the workload of manual testing and provides scientific data for maintenance management.

High speed railway large span bridge;Operation monitoring;Optimization of measuring points; Electronic inspection;Data analysis

U446

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.01

1003-1995(2015)12-0001-06

(责任审编郑冰)

2015-09-11;

2015-11-08

国家973计划项目(2013CB036203);中国铁路总公司重大课题(2014G004-B)

岳青(1968—)，男，高级工程师。