高原高寒地区桥梁长期监测技术应用研究

王乐然，赵相卿，肖祥淋

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

高原高寒地区桥梁长期监测技术应用研究

王乐然1，赵相卿2，肖祥淋1

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

为准确掌握恶劣环境和列车荷载的共同作用下，青藏铁路混凝土桥梁的服役状态和病害发展，同时为类似条件下进行桥梁监测提供借鉴，针对青藏铁路沿线K973石灰沟特大桥的墩梁振动特性和既有病害的发展展开了长期监测。实践证明:现场太阳能供电和GSM/GPRS无线网络传输条件，基本可以支撑监测系统的正常工作;专门研发的现场数据采集分析设备和软件调控平台，能够适应高原高寒地区混凝土桥梁长期监测的需要，系统稳定、数据可靠。监测结果显示，石灰沟特大桥既有桥台前倾的病害发生并稳定后，对相邻梁体及桥墩的工作状态暂无不利影响。

青藏铁路 桥梁 监测

青藏铁路等基础设施的工程问题和病害主要由地基多年冻土引起，国内外研究机构和工程单位围绕冻土病害进行了长期的研究和实践活动。针对桥梁结构的研究工作，主要从提高结构耐久性和减少桥梁工程对冻土的扰动等方面开展。中国铁道科学研究院、铁道专业设计院、中铁第一勘察设计院、北方交通大学等研究设计单位，从青藏铁路桥梁工程的结构、材料和工艺等方面研究了桥梁结构形式和提高耐久性的措施，诸如采用掺加改性材料和外加剂的高性能混凝土、较大跨度的简支结构、先张法预应力混凝土梁、圆柱面钢支座以及真空灌浆工艺等措施，可以较好地适应施工和使用环境条件，减少对冻土干扰，从整体上提高桥梁的耐久性［1-4］。前期的研究工作主要集中于桥梁结构的设计和施工阶段。本文通过2011—2012年青藏铁路昆仑山区石灰沟特大桥监测系统的构建和运营，对高原高寒地区的桥梁监测技术进行了初步探索。

1 桥梁监测方案设计

2009年，根据对青藏铁路桥梁服役状态的调查分析，拟重点针对中心里程为K973+551等具有典型病害的预应力混凝土桥梁实施监测。经现场调研，病害桥梁位于北纬35°的昆仑山区，海拔4 700 m以上，区内年平均气温在-3.5℃以下，多年冻土厚度在20～100 m，年平均地温为-2℃～-3℃，现场气压为0.5～0.6个标准大气压，年平均湿度为33%，实际日间阳光照射时间不足6 h，现场仅有铁路专用电和GSM-R铁路专用通讯网络、GSM/GPRS移动网络等供电和通讯条件。

列车作为铁路桥梁的主要运营荷载，其通过时对桥梁结构的动力影响较大且频繁，是铁路桥梁长期监测的重要内容。青藏铁路实际运营的车辆多为行包车和客车，牵引机车采用从美国GE引进的23 t轴重NJ2型内燃机车，货车车辆多为棚车P62，P64，P65，P70，P80以及敞车C64等。青藏铁路行车频率较低，每天约20列，机车车辆轴重较小，过桥速度较低，约为30～40 km/h。

根据实际调研结果和需求分析，青藏铁路桥梁监测系统及现场设备应具备以下功能。

1)监测内容应涵盖桥梁梁体以及病害墩台、支座等部位。

2)设备结构合理耐用、功能模块化、低功耗，以满足分布式区域监测大量使用的需求。

3)数据信号以动态模拟信号为主，为不过分增加传输负担，在满足使用的前提下，采样精度以够用为原则，现场采集系统应具备滤波、积分、放大等基本调理功能，同时应保证在青藏铁路沿线环境下系统的耐候性和可靠性;对于不同测试内容和信号内容的数据采集，应通过设计相互独立功能模块实现，并与功能控制部分分离，以提高采集部分的可靠性和耐久性。

4)考虑到铁路桥梁监测的现场条件，采集和传输系统设计的器件选型和外壳设计至少应适应-40℃～50℃的工作温度，并具备防水功能。

5)列车行车时间相对固定，因此可通过定时触发实现采集系统的模式转换。

6)使用太阳能电源。

7)铁路沿线覆盖无线网络，采用无线远程传输，可大大降低系统安装难度，有利于多点分布式监测系统的布局和功能实现(图1)。在无线网络平台上，可以自由地增加监测节点、扩大监测区域，用户可以通过手机终端实现系统控制和查询。

8)软件平台界面简洁、清晰，易操作。

图1 多点分布式监测系统布局

2 桥梁监测实施

根据对青藏铁路桥梁实施监测的功能需求，采用多点分布监测的低功耗模块式无线采集/传输系统和现场调控软件平台(图2)，该系统采用独立模块化可靠设计，集各类常用动静态信号的调理、采集、传输以及系统管理与控制于一体，使用操作简单、安装维护方便。

图2 数据采集和分析调控平台

主要功能特点如下:

1)供电电源反接保护;

2)供电电源电压检测;

3)备用电源供电的时钟模块，可避免主电掉电时时钟丢失;

4)可控DC-12V电源输出;

5)SD卡大容量本地存储;

6)远程双向GSM/GPRS数据传输;

7)用户手机终端可随时获取系统状态并进行控制;

8)运行模式可选择:自动/正常;

9)节能模式设定;

10)具备全双工RS485、串行RS232以及CAN总线接口;

11)定时触发，实现工作、待机等模式转换。

监测点石灰沟大桥中心里程为K973+551.02，全长504.2 m，中心里程处轨底海拔高度为4 720.59 m。桥梁上部结构为15孔预应力混凝土双片式T梁，图号为青藏耐久梁07。支座采用QZ-YZM圆柱面钢支座，格尔木端为固定端。下部结构为T形台、圆形桥墩、钻孔灌注桩基础。设计荷载为中—活载。桥上线路为直线，纵坡为20%。本桥竣工时间为2003年6月。

根据青藏公司工务部门提供的2009年资料以及2010年间对该桥进行的现场调查情况来看，本桥存在的主要问题有:活动支座上、下摆纵向错位，限位块顶裂(图3);格尔木桥台固定支座下摆锚固螺栓剪断;梁体之间或梁体与桥台之间的伸缩缝间隙减小;格尔木桥台的台后填土路基沉降，片石护坡沉降、开裂。2011年底，青藏铁路公司工务部对该桥进行了支座更换。

图3 石灰沟大桥支座病害

K973石灰沟大桥监测系统主要由传感器子系统、采集和传输子系统、供电子系统构成。根据桥梁结构和病害的特点，传感器子系统由振动传感器、位移传感器和温度传感器构成，振动传感器布设于第1，2，3孔梁的跨中和第1#，2#桥墩，用于监测梁体横向振幅、竖向加速度及墩台结构横向及纵向刚度的长期变化规律。鉴于1#，2#桥墩支座螺栓部分被剪断、活动支座纵向限位块被顶弯的病害，位移传感器布设于该部位，用以监测该处梁体与墩台的相对位移(图4、图5)。监测系统中的采集和传输子系统采用定时采集、定时传输的工作模式，非工作模式下系统处于休眠状态，这样有效地降低了现场设备功耗和传输负担。现场传输采用GPRS网络实现数据远程无线传输，供电子系统采用太阳能电池板、控制器和蓄电池的结构。

图4 监测点分布

图5 位移传感器

3 监测数据分析［5-8］

梁体的横向刚度是衡量梁体抵抗横向荷载引起的变形能力的重要内容，跨中横向振幅和横向自振频率是其中关键的参数。对K973石灰沟大桥的第1，2，3孔梁列车通过时跨中横向振幅进行长期监测，监测时间约6个月。结果显示:车辆通过第1，2，3孔梁所引起的跨中横向振幅(图6为第3孔梁)最大值分别为1.057，1.161和1.093 mm，横向一阶自振频率为4.004，4.004和3.906 Hz，满足《铁路桥梁检定规范》中预应力混凝土简支梁跨中横向振幅和自振频率的通常值要求。第3孔梁的跨中横向振幅均值略大于第1，2孔梁，初步分析这是由于原格台前倾造成梁体纵向顶紧的程度不同所致，管养单位为防止病害发展加设了纵向、横向等临时限位措施影响了桥梁的边界约束条件，这也造成了梁体横向振动特性的区别。

图6 第3孔梁跨中横向振幅最大值分布

列车通过桥梁时，会激发铁路桥上部结构产生较大的加速度，在非常不利的情况下，会导致道床结构的不稳定，影响行车安全。考虑到青藏铁路沿线冻土融沉、冻胀引起的桥梁基础和墩台变形对梁轨结构安全及旅客乘坐感受的影响，选择第1～3孔梁跨中竖向加速度进行监测(图7)。根据现场测量，K973石灰沟特大桥第1，2，3孔梁跨中位置轨枕底至梁顶面道砟厚度均约为35 cm，符合设计和规范要求;桥上铺设有缝钢轨，第1，2孔梁跨中位置距最近轨缝10 m左右，第3孔梁跨中位置距最近轨缝约2 m，列车轮对通过轨缝造成的冲击，是引起第3孔梁跨中竖向加速度略大于第1，2孔梁的主要原因。

图7 梁体跨中竖向加速度最大值分布

为掌握行车对于桥梁原有病害发展的影响，选择在第1#，2#墩活动支座处，对行车时墩梁间的相对纵向位移进行长期监测。监测结果显示，活动支座处墩梁间纵向相对位移最大值在0.12～2.24 mm范围内。从数据上看，由行车引起的墩梁间纵向相对位移很小，更换后的活动支座能够满足梁体纵向活动的需要。第1#，2#墩的墩顶横向振幅最大监测值分别为0.677，0.496 mm，纵向振幅最大监测值分别为0.299，0.277 mm，墩顶横向振幅满足《铁路桥梁检定规范》通常值的要求。

4 结语

青藏铁路格拉段全线长1 142 km，桥梁约占14%，多为常用跨度简支混凝土结构，数量较大，沿线分布广泛，管养任务繁重。本文通过在格拉段典型病害桥实施长期监测，并对监测数据进行统计分析，得出以下结论:

1)受恶劣环境和现场条件的制约，高寒高原地区桥梁长期监测系统应采用多点分布的布局模式，监测设备应具备结构合理耐用、耐低温、耐低压、防水、低功耗和功能模块化的特点;系统供电使用太阳能;数据传输采用GSM-R铁路专用通讯网络或GSM/GPRS移动网络。

2)2011—2012年对K973石灰沟大桥监测数据显示，梁体和桥墩的横向振动特性满足《铁路桥梁检定规范》规定的通常值的要求;更换后的活动支座可以满足梁体纵向活动的需要;该桥原有格台前倾的病害发生并稳定后，对病害相关梁体及桥墩的工作状态暂无明显不利影响。

3)实践证明，石灰沟大桥桥梁服役状态监测系统能够满足现场数据实时采集、分析和远程传输的需要，对推动高寒高原地区桥梁监测技术进步及提高桥梁养修效率具有积极的意义。

［1］中国铁道科学研究院.青藏铁路低温早强耐腐蚀高性能混凝土应用试验研究阶段报告［R］.北京:中国铁道科学研究院，2001.

［2］铁道专业设计院.青藏线常用跨度桥梁提高耐久性措施试验研究报告［R］.北京:铁道专业设计院，2002.

［3］辛学忠.青藏铁路桥梁结构形式和提高耐久性措施分析研究［J］.桥梁建设，2002(6):6-10.

［4］吴少海.青藏铁路多年冻土区桥涵设计与施工［J］.冰川冻土，2003，25(增1):59-68.

［5］胡大新.八渡南盘江大桥模态试验分析［J］.铁道建筑，2013 (4):1-5.

［6］中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［7］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］120号铁路桥梁检定规范［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［8］中国科学院数学研究所.常用数理统计方法［M］.北京:科学出版社，1973.

Study on application of long-term monitoring technology for bridges in plateau cold area

WAN Leran1，ZHAO Xiangqing2，XIAO Xianglin1
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Northwest Research Institute Limited Company of CREC，Lanzhou Gansu 730000，China)

A long-term monitoring on vibration characteristics and development of existing disease of K973 Shihuigou Bridge in Qinghai-Tibet Railway was conducted to understand the performance of bridges in service under the train live load in the severe environment.This case study can offer valuable reference and experiences for bridges under the similar conditions.It proved that solar energy and GSM/GPRS wireless network satisfy the requirements for normal functioning of monitoring system.A special Data Acquisition/Analysis Instrument and a Debugging/ Controlling Software Platform were used to monitor concrete bridge in Qinghai-Tibet Alpine area.The monitoring data indicated that the stabilized inclination of the abutment had little adverse effect on the adjacent piers and girders in service.

Qinghai-Tibet Railway;Bridge;Monitor

U446.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.04

1003-1995(2015)01-0019-04

(责任审编 孟庆伶)

2014-10-15;

2014-11-06

王乐然(1979—)，男，山东济南人，助理研究员，硕士。