基于横向振动监测的高铁桥梁安全性预警方法

杨怀志　丁幼亮

(1.京沪高速铁路股份有限公司，北京　100000；2.东南大学，江苏 南京　210018)



基于横向振动监测的高铁桥梁安全性预警方法

杨怀志1丁幼亮2

(1.京沪高速铁路股份有限公司，北京100000；2.东南大学，江苏 南京210018)

介绍了基于横向振动监测的列车走行安全性监测原理，根据大胜关大桥的主梁横向振动监测数据，采用主成分分析方法，建立了高速铁路桥梁列车走行安全性监测与预警方法，有利于确保列车行走的安全性。

高速铁路桥梁，走行安全性，振动监测，主成分分析

0　引言

京沪高铁南京大胜关长江大桥为京沪高速铁路和沪汉蓉铁路共用的跨江通道，是世界首座六线铁路大桥。大胜关大桥具有体量大、跨度大、荷载大、速度高等显著特点，336 m主跨是目前世界上高速铁路桥梁的最大跨度，通行六线铁路也是目前世界上设计荷载最大的高速铁路桥梁，大桥设计行车速度300 km/h处于世界先进水平。

大胜关大桥结构健康监测系统为列车走行安全性监测提供了新的契机。该桥结构健康监测系统主要监测结构温度、桥梁变形、支座工作状况、结构振动、行车状况以及桥梁的结构应力、结构疲劳状况以及与桥址环境相关的风速、温度等参数[1]。本文以京沪高铁南京大胜关大桥2013年的主梁实测横向加速度数据为对象，研究基于主成分分析的列车走行安全性监测与预警方法。

1　基于横向振动监测的列车走行安全性监测原理

列车走行安全性是指车辆在运行过程中不出现脱轨现象。一般采用脱轨系数和轮重减载率来判断列车运行安全性。文献[2]指出现行脱轨系数和轮重减载率的限值不能防止脱轨发生，列车脱轨的根本原因是列车桥梁(轨道)时变系统的横向振动丧失稳定，使此系统始终保持稳定的横向振动状态，就能达到控制列车脱轨的目的。因此，实测主梁横向振动是否处于稳定状态可以反映列车走行安全性，当桥梁出现横向刚度退化等情况可能影响列车走行安全性时，可以通过判断主梁横向振动是否发生异常而及时做出预警。

2　大胜关大桥列车走行安全性监测与预警方法

2.1大胜关大桥主梁横向振动监测系统

大胜关大桥主桥为一联(108+192+2×336+192+108)m钢桁拱桥，主桥立面图如图1所示。为了监测主梁两主跨在高速列车作用下的横向加速度响应，分别在两主跨跨中1—1断面和2—2断面处各安装1个横向加速度传感器，分别为传感器JSD-11-04和JSD-15-06。本文以2013年中310 d的横向加速度数据为对象，研究大胜关大桥列车走行安全性监测与预警方法。

2.2大胜关大桥主梁横向振动监测结果与分析

本文采用加速度幅值参数作为大胜关大桥主梁横向振动特性的监测参数。加速度幅值参数一般指加速度响应的某种最大值或某种意义下的有效值。为此，考察加速度峰值和均方根值两种加速度幅值参数在主梁横向振动监测中的适用性。

图2分别给出了2013年2月1日每一次列车通过时主梁第1跨跨中的横向加速度幅值参数与列车速度的相关性散点图。从图中可以看出，随着列车车速的增加，加速度峰值和均方根值两种加速度幅值参数均有增大的趋势。但是，列车高速通过时的加速度幅值参数与列车速度的相关性较差，特别是当列车速度超过200 km/h后，无论是加速度峰值或是均方根值的变化幅度均较大。这表明，同一车速各次行车的实测横向振动响应相差很多，这主要是由于各次行车的轮轨接触状态不同引起的。上述分析结果表明，加速度幅值参数与列车速度之间难以建立有效的相关性模型用以表征高速列车通过时的系统横向振动状态。此外，从图2中也可以看出，高速列车通过时主梁横向加速度幅值参数的波动性较大。这是因为，高速列车通过时列车—轨道—桥梁系统横向振动具有强烈的随机性。因此，难以根据系统某一测点的横向加速度响应表征整个系统的横向振动状态。

下面考察高速列车通过时主梁两主跨跨中的横向加速度幅值参数之间的互相关性。

图3分别给出了2013年2月1日两主跨跨中的加速度峰值和加速度均方根值的互相关性散点图及二次多项式拟合结果。根据图3b)建立的二次多项式拟合公式进一步绘制第2跨跨中加速度均方根的实测值与拟合值的相关性散点图，如图4a)所示。图4a)给出了2013年2月1日实测值与拟合值的相关系数为0.939 1，采用相同的计算方法得到2013年310 d每一天横向振动数据计算得到的相关系数，均在0.90以上。上述分析结果表明，高速列车通过时主梁两主跨跨中的横向加速度响应的均方根值具有良好的互相关性。

2.3基于横向振动监测的大胜关大桥列车走行安全性预警方法

根据2.2节的分析结果，横向加速度的均方根值可以作为反映列车走行安全性的监测参数，并且主梁不同测点之间均方根值的互相关性模型可以作为列车走行安全性评价模型。在此基础上，本节讨论大胜关大桥列车走行安全性异常预警方法。首先考察均方根值互相关性模型的二次多项式拟合系数的长期监测结果。图5给出了主梁两主跨跨中均方根值互相关性的二次多项式拟合系数，分别为二次项系数a、一次项系数b和常数项系数c。从图5中可以看出，虽然每一天的横向加速度监测数据可以拟合相关性良好的二次多项式模型，但是每一天的二次多项式拟合系数仍存在较大的波动。这是因为，在温度等环境条件的变化影响下，列车—轨道—桥梁系统的横向振动性能会在一个较宽的范围内波动，直接根据二次多项式模型的3种拟合系数难以反映横向振动状态的异常变化。然而，由于环境因素的多样性以及对桥梁振动影响的复杂性，目前尚难以全面准确地测量各种环境因素并有效地分离出各因素的影响量。为此，本文针对二次多项式模型的3种拟合系数研究基于主成分分析的“环境条件归一化”方法，主成分分析方法理论上不需要监测环境因素变量，具有较好的工程应用前景[3，4]。

3　结语

本文将列车脱轨能量随机分析理论和铁路桥梁结构健康监测系统相结合，基于横向振动监测数据并采用主成分分析方法建立了大胜关大桥列车走行安全性监测与预警方法。分析结果表明：

1)高速列车通过时列车—轨道—桥梁系统横向振动具有强烈的随机性，根据系统某一测点的横向加速度响应及其与列车速度之间的相关性均难以表征系统横向振动状态；

2)高速列车通过时主梁两主跨跨中横向加速度响应的均方根值具有良好的互相关性，通过系统横向振动能量的空间分布特性可以表征高速列车通过时的系统横向振动状态；

3)采用主成分分析方法可以有效地消除环境因素对实测横向加速度均方根值互相关性的影响，在此基础上建立的预警指标可以识别出列车走行安全性退化引起的均方根值异常变化，可以应用于大胜关大桥列车走行安全性的在线状态监测。

[1]Zhang N,Xia H,Guo W W.Vehicle-bridge interaction analysis under high-speed trains[J].Journal of Sound and Vibration,2008,309(3-5):407-425.

[2]曾庆元,向俊,娄平，等.列车脱轨的力学机理与防止脱轨理论[J].铁道科学与工程学报,2004,1(1):19-31.

[3]丁幼亮,李爱群,耿方方.考虑环境因素影响的悬索桥整体状态预警方法研究[J].东南大学学报(自然科学版),2010,40(5):1052-1056.

[4]梅长林,周家良.实用统计方法[M].北京:科学出版社,2002.

The safety early warning method of high speed railway bridge based on transverse vibration monitoring

Yang Huaizhi1Ding Youliang2

(1.Beijing-Shanghai High Speed Railway Limited Company by Share, Beijing 100000, China;2.Southeast University, Nanjing 210018, China)

This paper introduced the safety monitoring principle of train running based on transverse vibration monitoring, according to the girder transverse vibration monitoring data of Dashengguan bridge, using the principal component analysis method, established the safety monitoring and early warning method of train running of high speed railway bridge, to ensure the safety of train running.

high speed railway bridge, running safety, vibration monitoring, principal component analysis

1009-6825(2016)25-0164-02

2016-06-23

杨怀志(1969- )，男，高级工程师

TU311.41

A