大跨铁路桥梁支座位移监测数据漂移现象分析及处理★

刘兴旺 吴来义 刘 华 陈 斌 戴新军

(1.中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司，江苏 南京 210061；2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050)

1 概述

大跨铁路桥梁是铁路建设的关键所在，也是铁路运输的重要节点[1]，为了保障大跨铁路桥梁结构的运营安全，实时查看桥梁结构的运营状态，科学指导桥梁结构的运营管养[2]，新建大跨铁路桥梁设计时需考虑桥梁健康监测系统的实施与应用，为实现以上目标，桥梁健康监测系统监测数据需准确可靠，能够反映结构的真实响应信息。然而对于系统海量监测数据而言，由于前端设备故障、噪声干扰等问题，经常会出现诸如数据缺失、跳点、漂移等异常状况[3]，需进行修正，其中，数据漂移通常是指数据由于某些原因在某一时刻总体偏离以往趋势，漂移后的数据除了在量值上不同于以往的数据外，其趋势特征和以往数据相同。工程实践中，常用的数据漂移处理方法有“零变化值法”，该方法是假定数据漂移前后，前数据点正常，将后续数据消除前后点间距离进行修正，优点是处理简单，然而偏移距离较难计算准确，受局部跳点影响较大，从而导致误差不可控，修正后数据容易失真。王建等[4]采用回归分析进行数据归位并进行校正误差分析，回归分析方法误差较小，然而数据的校正精度和数据模型选择有关，不利于程序化实现。黄冠利等[5]提出基于时间序列算法修正归位GPS数据漂移，提高了GPS定位数据的准确性，其通用性有待探究。研究发现，对于大跨铁路桥梁而言，数据漂移现象并不完全是不符合结构力学特征的异常数据，部分数据漂移是结构真实的受力及变形状态。数据漂移现象可分为突变式漂移和渐进式漂移，其中，突变式漂移往往是异常数据，比如：静力水准管测量的梁体竖向位移数据由于主梁振动、水压调整等因素产生数据的整体漂移。渐进式漂移通常是结构自身受力或者变形产生，是结构真实的响应特征，比如：轨道下纵梁动应变由于列车轮轨压力产生的局部数据漂移。由于大跨铁路桥梁支座位移漂移现象具有典型性和共性，本文以国内某大跨铁路桥梁支座位移监测数据为例，对大跨铁路桥梁支座位移监测数据漂移现象进行分析及处理。

2 工程概况

国内某大跨铁路桥梁为两塔五跨钢桁梁斜拉桥，跨径布置为90 m+240 m+630 m+240 m+90 m，主跨630 m，单孔双向通航。钢桁主梁为板桁结合结构，N型桁架。主桁宽度定为2×17.1 m，横向采用三片主桁布置，桁高为15.5 m，节间长度15 m。京福客运专线线路中心线和庐铜铁路线路中心线的线间距定为14.3 m。钢梁主桁采用桁片式，桁片钢梁长度30 m，单片最大重量约360 t。斜拉索为扇形三索面布置，采用抗拉强度标准值为1 860 MPa的镀锌钢绞线斜拉索(单股索股绞线直径为15.2 mm)。主塔为菱形钢筋混凝土结构，塔高212 m。主塔顺桥向宽度为9.6 m～16 m。下塔柱高32.517 m，采用单箱双室截面，中塔柱高98.483 m，采用单箱单室截面，上塔柱高81 m，采用单箱三室截面[6-9]。监测系统于2015年7月正式运营，全桥共有测点305个，主要监测桥址环境、结构变形、结构受力及动态响应等。其中，支座位移测点共4个，采用磁致式位移传感器，采样频率为1 Hz，布置在1号、6号墩处，上、下游对称分布，测点详细布置如图1,图2所示。

3 支座位移数据漂移现象分析

大跨铁路桥梁支座位移监测数据漂移现象细分为渐进式漂移和突变式漂移，其中，渐进式漂移是指环境温度及列车荷载等多种因素影响下，桥梁支座位移在较短时间渐进式增大或者减小到一定的数值，数据偏移的幅度较为稳定，幅值较小。突变式漂移是由于人为触碰设备，大风等恶劣天气，设备故障等原因影响而导致的监测数据数值突变，即某一个时刻起，监测数据突变到另一个量值，突变量值较为随机。

以2018年1月21日及2018年1月31日，6号桥墩下游支座位移测点WY-15-01监测数据为例，解析支座位移漂移现象，支座位移时程如图3a),图3b)所示，可以看出，桥梁支座位移主要受环境温度及列车荷载的影响，天气良好的情况下，支座位移随环境温度呈现明显的“类正弦变化趋势”，数据漂移现象多发生在列车过桥时段。渐进式漂移现象如图3c)，图3d)所示，当环境温度下降时，主梁收缩，支座位移渐进式减小，反之，当环境温度上升时，主梁伸长，支座位移渐进式增加。支座位移渐进式漂移现象是结构正常的变形响应，即大跨铁路桥梁主梁与支座位移间存在一定的摩擦力，随着环境温度的变化，主梁收缩或者伸长，由于端部摩擦力的存在对主梁因温度变化导致的主梁变形有一定的约束力，当约束变形足够大时，由于列车过桥产生振动，主梁对于支座压力产生一定的变化，此时主梁与支座位移间的静摩擦力转为动摩擦力，释放因支座摩擦力带来的主梁变形，从而产生支座位移渐进式漂移现象，而非监测异常数据，不做处理。支座位移突变式漂移现象如图3e)所示,监测数据突变前后，监测值具有一定差异，需进行平移归位。

4 漂移数据处理

对于支座位移突变式漂移现象，采用概率统计方法进行数据归位。将支座位移监测数据按天读取，记一天支座位移监测数据为datai，i=1,2,…,86 400×f，f为支座位移监测数据的采样频率，对datai进行一阶差分，得到差分值diffi，如图4所示，由图4a)可以看出，对于有渐进式漂移现象的支座位移而言，由于其支座位移变化连续，其一阶差分值diffi小于设备数据采集精度值0.02 mm，不进行处理。对于有突变式漂移现象的支座位移而言，如图4b)所示，查找一阶差分值diffi>0.02 mm部分，并按照时间发生先后记录其位置locj，j=1,2,…,n，n为支座位移监测数据突变式漂移次数，统计突变式漂移位置locj左右小区间监测数据的均值，小区间长度通常取2 min位移监测数据(防止局部跳点对小区间均值的影响)，即突变式漂移位置locj左侧小区间为[locj-120×f,locj-1]，对应均值为meanj,left，右侧小区间为[locj+1,locj+120×f]，对应均值为meanj,right，以locj左侧支座位移监测数据为基准，将其右侧监测数据平移Mj进行归位，其中，Mj=|meanj,left-meanj,right|，数据平移归位从左向右依次进行，平移归位后的支座位移时程如图5a)所示，图中矩形框部分为渐进式漂移，其一阶差分时程如图5b)所示，修正后支座位移的一阶差分值在设备精度内随机变化。

5 对比分析

大桥6号墩主梁处装有列车测速传感器，监测列车的过桥时间及车速，统计2018年第四季度列车过桥时段支座位移变化幅值如图6所示，由图6a)可知，分析时段桥梁健康监测系统有效识别列车次数为5 924次，过车时段支座位移变化幅值最大值为3.79 mm。由图 6b)可知，过车时段支座位移集中在[0,0.1]mm，变化幅值大于0.1 mm共有列车2 865次。该桥2015年采用单列动车组(CRH2C-2068)和重联动车组(CRH2C-2068+CRH2C-2074)对支座位移进行了检测，最大位移为1.331 mm，相对监测数据支座位移较小，一方面是因为桥梁结构随着运营时间的增加，部分材料老化所致，另一方面是因为列车载重多样所致。

6 结语

本文以国内某大跨铁路桥梁监测系统为背景，分析了大跨铁路桥梁支座位移漂移现象，主要结论有：

1)大跨铁路桥梁支座位移监测数据漂移现象可分为渐进式漂移和突变式漂移，支座位移渐进式漂移现象是结构的正常响应，无需处理，支座位移突变式漂移现象为异常数据，需进行归位修正。

2)支座位移渐进式漂移现象多发生在列车过桥时段，其漂移方向主要受环境温度的影响，当环境温度上升时，主梁伸长，支座位移渐进式增加，反之，当环境温度下降时，主梁收缩，支座位移渐进式减小。

3)采用支座位移一阶差分法定位突变式漂移位置，基于突变式漂移位置前后小区间均值可以准确实现数据归位修正。

4)过车时段支座位移变化幅值最大值为3.79 mm对比2015年检测试验结果偏大，一方面是因为桥梁结构随着运营时间的增加，部分材料老化所致，另一方面是因为列车载重多样所致，列车过桥时支座渐进式漂移量增大。