高速铁路大跨度混凝土拱桥变形监测与分析

颜永逸 杨国静 宋晓东 翁顺 田炜

摘 要：高速鐵路设计时速快，变形控制要求高。由于结构的受力特点和混凝土材料的特性，混凝土拱桥在运营过程中会出现下挠变形，直接影响轨道线形和行车安全。为保障沪昆客运专线北盘江大桥的行车安全性和舒适性，通过对其建立自动化变形观测系统，分析其变形和温度数据的变化规律，结合拟合分析方法，确定温度和变形的影响系数，研究实测数据中徐变和温度效应的提取方法。结果表明：与同期人工观测数据相比，本系统的观测精度和有效性满足要求;桥面线形受温度变化影响较敏感，在低温时，不均匀沉降差值大，桥面线形相对不平顺，随着温度升高，沉降差值减小，桥面线形逐渐趋于平顺;通过建立的拟合计算徐变分析方法得到其相对徐变变形，与规范理论值相差约6%，满足工程要求。

关键词：高速铁路;大跨度拱桥;混凝土拱桥;变形监测;徐变

中图分类号：U446.2   文献标志码：A   文章编号：2096-6717（2022）03-0079-07

收稿日期：2021-02-22

基金项目：国家自然科学基金（51778258、51922046）;中铁二院院控计划（KYY2019029（19-21））

作者简介：颜永逸（1993- ），男，主要从事桥梁健康监测研究，E-mail：yanyyboy@qq.com。

翁顺（通信作者），女，教授，博士生导师，E-mail：wengshun@hust.edu.cn。

Received：2021-02-22

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 51778258， 51922046）; Research Project of China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd， （No. KYY2019029（19-21））

Author brief：YAN Yongyi （1993- ），main research interest： bridge health monitoring， E-mail： yanyyboy@qq.com.

WENG Shun （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail：wengshun@hust.edu.cn.

Deformation monitoring and analysis of long span high-speed concrete arch railway bridge

YAN Yongyi 1， YANG Guojing1， SONG Xiaodong1， WENG Shun2， TIAN Wei3

（1. China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd， Chengdu 610031， P. R. China; 2. School of Civil and Hydraulic Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， P. R. China; 3. Department of Civil & Environmental Engineering， The Hong Kong Polytechnic University， Hong Kong 999077， P. R. China）

Abstract： High-speed railways are designed with high speed and therefore with deformation control requirements. Due to the structural mechanical characteristics and the material properties of concrete， the concrete arch bridge inevitably exhibit downward deflection in operation， which directly affects the track alignment and operation safety. In order to ensure the driving safety and comfort of Beipanjiang Bridge in Shanghai Kunming passenger special line， an automatic deformation observation system was established to monitor the deformation and temperature changes. The extraction methods of creep and temperature effect were studied. The impact factor of temperature and deformation were determined with polynomial fitting. The results show that： The accuracy and effectiveness of the observation system satisfy the requirements; the bridge deck alignment is sensitive to the temperature change， the uneven settlement is great under low temperature， which decreases as the temperature rises; using the proposed creep analysis method， the relative creep deformation is only about 6% different from that of the theoretical value， which meets the computational precision requirements in engineering practice.

Keywords：high-speed railway; long-span arch bridge; concrete arch bridge; deformation monitoring; creep

山区铁路随西部大开发策略的实施得到高速发展。但山区峡谷地形复杂，环境恶劣，大跨度混凝土拱桥因其良好的刚度和环境适应性在铁路建设中得到广泛应用[1]。对于高速铁路，过大变形会影响桥梁的平顺性、舒适性和安全性，因此，桥梁的长期变形控制要求很高[2]。由于结构的受力特点和混凝土材料的特性，混凝土拱桥在运营过程中会出现下挠变形，需要对桥梁的变形开展监测和分析[3]。

学者们对大跨度拱桥的变形与控制展开了深入的研究。徐昕宇等[3]基于车桥耦合分析，考虑了温度和徐变的影响，提出了“弦测法”技术的上承式拱桥变形控制方法和限值。尽管对于结构的变形控制有从理论分析和实际调控的众多方法，但准确获取结构的变形，特别是其中的徐变变形仍然是当前值得重点研究的难题。为了获得结构的变形和徐变变形成分，马坤等[4]采用GL2000收缩徐变模型，考虑模型及参数的随机性，分别采用拉丁超立方抽样技术和基于响应面的Monte carlo抽样技术，对北盘江特大桥长期变形的随机性问题进行研究。张双洋等[5]对北盘江大桥的收缩徐变进行了模型实验研究。张正阳等[6]基于北盘江大桥的模型试验，结合贝叶斯方法对拱桥的长期变形和收缩徐变建立了模型并开展了预测。王永宝等[7]建立了自然条件下徐变的预测模型。还有众多学着开展了模型试验与理论分析，都获得了一定的研究效果[8-11]。但在运营过程中，桥梁结构施工过程、荷载和环境等多方面因素不断变化，对模型试验和理论计算得到的结构变形影响较大[12]。因此，开展基于实桥的大桥变形监测与分析技术研究，才能得到更为合理的桥梁长期变形。

Brownjohn等[13]采用主成分分析方法分析了长期监测数据，得出桥梁的挠度与温度并非一般的线性关系，但并未量化温度影响。吴海军等[14]利用重庆江津长江大桥的挠度监测系统数据，分析得到了结构挠度与温度变化之间的滞后效应。陈国良等[15]利用挠度分量在时间尺度上不耦合的性质，提出了基于时间序列分析的挠度温度效应分离方法，并以黄冈长江大桥的实测数据验证了该方法。刘纲等[16]在推导了温度和挠度的理论关系后，得到了位移与整体升降温的线性关系，并基于粒子群算法提取到了温度对变形的影响效应，提出了一种消除长期健康监测中温度效应的方法，并以长江上某主跨330 m的连续刚构桥进行了验证。Wang等[17]基于混凝土徐变的微预应力凝固理论，将龄期调整有效模量法和温度估算法集成到有限元模型中，提出了一种评价温度对钢管混凝土拱桥徐变性能影响的方法。预测结果与实测结果的对比验证了该方法的有效性，也说明钢管混凝土拱桥徐变效应分析中考虑温度的必要性。尽管还有众多学者对温度与变形的实测关系开展了研究，但这些方法较为复杂，或需要结合复杂的数学模型，或对关键参数的设置较敏感，实用性不强。

笔者基于实际监测得到的温度和变形数据，利用回归拟合分析，通过确定温度的周期影响范围和线性影响参数，提出一种新的大跨混凝土拱桥的徐变变形分析方法，并且以沪昆客运专线北盘江大桥的实测数据进行分析验证，结果表明，该方法的計算结果与规范的理论值吻合，且计算简单，无敏感参数设置，计算效率较高，适用性强。

1 工程概况

沪昆客运专线北盘江特大桥（如图1所示）为世界最大跨度混凝土拱桥，设计时速350 km/h，桥梁全长721.25 m，主桥设计为445 m上承式劲性骨架钢筋混凝土拱桥，矢高100.0 m，矢跨比1/4.45。桥址位于典型的V字形峡谷，山高坡陡、地形复杂。

轨道平顺性是高速铁路行车安全性和舒适性的重要保证，其对桥梁变形极为敏感。北盘江特大桥主跨大、运行时速高，为采用劲性骨架施工法的大跨度钢筋混凝土拱桥。采用此种施工方法形成的拱圈结构体系发生多次转换，结构刚度和强度也逐步形成，后期的收缩徐变变形非常复杂。由于山区独特的地形条件，不均匀的日照温差也会引起桥面的不确定变形。这些都给准确计算结构温度变形造成了很大的困难，直接影响到了轨道线形，进而影响到列车行车安全性和舒适性。

因此，有必要对北盘江特大桥桥面变形进行长期监测，建立符合其结构特点的变形观测系统。通过实时监测，一方面确保运营行车安全，为日后养护管理决策提供科学依据;另一方面，掌握这种特殊桥型的收缩与徐变的变形特征及变化规律。

由于监测的重点是拱圈徐变变形及温度变化引起拱上梁竖向变形，因此，为了准确测量拱圈收缩徐变、温度作用引起的梁部下挠，在北盘江大桥的下游侧共选取了14个测点，上游侧选取了3个测点（如图2），自下游标示位置引液管至上游对应测点，采用静力水准仪对竖向变形进行观测，监测基准点可设置于小里程侧桥台处。考虑到传感器设备安装、更换方便且不影响后期运营维护、检查，将观测点设置在拱上墩对应的箱梁内部，它能直接反映出梁部在运营期间由于拱圈收缩徐变和温度变化引起的上下起伏情况。2016年7月，在沪昆线北盘江特大桥顺利完成了桥面线形自动化监测系统的安装和初调，并在8月完成了系统的移交。

中铁二院测绘院自2016年1月2日至2016年10月23日对北盘江特大桥开展了人工观测。选取下游拱顶测点2016-10-02—2016-10-23时间段人工观测数据与同期自动化系统监测数据进行对比分析，沉降差异值数据结果如图3所示。

从图3可以看出，该期各监测部位均有不同程度的沉降变形发生，最大沉降变形发生在拱顶5#墩处，人工观测的沉降值为21.6 mm，自动化监测的沉降值为21.4 mm。两种监测方法各监测点的最大差值仅为0.966 mm，自动化监测结果与人工观测结果吻合较好，表明自动化监测具有较高的可靠性，且能满足高速铁路桥梁变形测量精度要求。

2 变形分析与徐变计算

2.1 实测变形分析

为更直观地研究北盘江大桥桥面线形随温度和收缩徐变等的变形趋势，选取了系统运营半年内（2016-10-01—2017-05-18）的8个不同时间点，绘出了桥面下游各测点随时间（或温度）变化的趋势图，如图4所示。

由图4可知，桥面线形受温度变化影响较为敏感。在选取的几个时间段中，2017-01-24的温度最低（17.14 ℃），不均匀沉降差值最大，相对于桥台处，拱顶沉降达到95 mm，桥面线形相对不平顺。随着温度的逐渐上升，沉降差值逐渐减小，当温度值为31.3 ℃时（2017-04-10），相对于桥台处，拱顶的沉降差值最小，不到5 mm，桥面线形处于较平顺状态。从上述分析可看出，截止桥梁开通运营半年内，影响桥面线形不平顺的主要因素依然是温度。收缩徐变的影响尚需延长观察时间进行判断。

2.2 变形成分分析

桥梁的徐变需要在长期的变形监测中分离得出，而通常情况下，长期监测的变形S中，不仅仅有徐变变形，还有温度效应、荷载效应和损伤效应。

S=ST+SP+SC+SD+SR（1）

式中：ST為温度效应;SP为荷载效应;SC为混凝土的收缩徐变;SD为结构损伤;SR为系统误差。

北盘江大桥为新建桥梁，且属于世界级重大工程，施工质量控制要求高，因此，可以认为在当前阶段其结构损伤效应基本没有。由于本系统与人工观测数据对比可靠性较高，因此，也可暂时忽略系统误差效应。对于荷载效应，通过选取不行车时间段的变形进行相应剔除。实际上，本阶段大桥的主要变形成分为温度效应和收缩徐变效应，如何有效剔除温度效应成分变成了问题的关键。

通常，温度效应主要包含了两个主要成分：日温差和年温差。这两者在时间尺度上与其他成分不耦合，但日温差和年温差对于结构变形上引起的单位温差效应是相同的，所以，分离温差效应是可行的，但直接分离出日温差和年温差带来了更为复杂的计算。

2.3 徐变拟合计算方法

为快速、简单地得到徐变和温度效应的计算方法，提出二次拟合回归分析算法，并可对徐变数据进行相应预测。其过程如下：

1）通过观测，获得桥梁结构的挠度变形数据和对应的温度数据。

2）选取挠度变形和温度数据的日特征数据（通常可取凌晨时刻的数据，此时温度稳定，无列车荷载），假定日特征数据的总量为N。

3）由于温度存在年温差效应，首要因素就是确定年度温差的影响时间范围，或确定其影响周期。选取第一时间间隔天数为i，计算日特征数据中的第t个数据和第t+i个数据之间的挠度变形差sit和温差Tit，建立一个样本（sit，Tit），t=1， 2， 3…，且满足t+i<N，计算所有的t，得到时间间隔i下的挠度变形差和温差形成的1个第一样本集U1i，即U1i=[（si1，Ti1），（si2，Ti2），（si3，Ti3）…]，对U1i以温差T为自变量得到拟合一次项系数，并取其绝对值为ki。依次计算i=1， 2， 3…，得到U11，U12，U13…，分别拟合计算k1，k2，k3…得到关于i-k的曲线，根据i-k曲线的拐点确定i′;i′即为温度的最大影响天数，即影响周期。

4）为提高计算效率，在温度影响周期下，建立线性的温度与变形影响关系系数。选取第二时间间隔天数为p，得到p对应的1个第一样本集U1p=[（sp1，Tp1），（sp2，Tp2），（sp3，Tp3）…]。依次计算1p，2p，3p…np，且np≤i′，得到U1p，U12p，U13p…，将U1p，U12p，U13p…集合形成第二样本集U2=[U1p，U12p…U13p…]，对U2以温差T为自变量得到拟合一次项系数，取该系数的绝对值为挠度变形差和温差的线性关系系数K，此即在温度周期下的温度与变形影响系数，通常要求K的R2指标>0.85。

5）计算日特征数据的每相邻两个温度的温差T′，以日特征数据的第一个数据为基准，用温差T乘以系数K，并依次累计求和，得到温度效应的变形曲线。

6）用日特征数据曲线减去温度效应得到残余变形曲线。将残余变形曲线进行二阶最小二乘拟合，进一步可以得到徐变随时间的拟合公式，用以预测。

3 北盘江大桥徐变分析结果

选取北盘江大桥下游拱顶处的传感器自2017年1月1日至2020年6月29日为期3年半的变形观测数据进行分析。变形和温度的原始监测数据分别如图5所示。

从图5可以看出，北盘江大桥的变形和温度呈现周期规律，最大相对变形为140 mm，最高温度为34 ℃。

选每日凌晨监测到的第一个数据作为日特征数据，这样一方面没有列车荷载的效应，另一方面日温差效应较小，温度和变形较为稳定，得到的日特征曲线如图6所示。

经过第3步得到的i-k曲线如图7所示，由此确定曲线的拐点为i′=60。

选定第4步中的p=5，并得到U2和温差T的分布数据和其拟合一次项系数如图8所示。由此确定挠度变形差和温差的线性关系系数为K=6.17（R2为0.970 6）。

按照K=6.17计算得到的温度效应曲线和徐变曲线分别如图9、图10所示。从图9中可以看出，经过分离后的温度效应呈现更显著的周期规律，最大和最小的温度效应变形差达到134 mm。

从图10得到北盘江大桥自2017年1月1日至2020年6月29日发生的相对徐变变形约为47.8 mm。为验证该结果的有效性，按照中国铁路05规范通过Midas Civil软件计算北盘江大桥的理论徐变变形如表1所示。

依据表1计算自2017年1月1日至2020年6月29日发生的相对徐变变形（后者徐变值减去前者徐变值，后者徐变值按表中相邻月份值线型内插得到）约为50.9 mm，与实测徐变47.8 mm相差6%，且实测徐变相对较小，基本满足工程要求。并且基于该拟合二次曲线，还可推进时间达到对结构徐变的适当预测效果。

4 结论

沪昆客运专线北盘江特大桥设计时速快，变形控制要求高。为保障列车行车安全性和舒适性，建立了符合其结构特点的变形观测系统，通过对数据的分析得到如下结论：

1）与人工观测数据对比，本自动化系统的观测精度较高，有效性满足要求。

2）桥面线形受温度变化影响较为敏感。在温度最低时，不均匀沉降差值大，桥面线形相对不平顺。随着温度的逐渐上升，沉降差值逐渐减小，桥面线形逐渐处于较平顺状态。

3）提出了一种大跨度拱桥徐变计算方法，通过确定温度和变形的影响系数，采用拟合分析的方法提取实测数据中的徐变和温度效应。截至2020年6月29日，该桥的计算相对徐变变形约为47.8 mm，与规范理论值50.9 mm相差6%，满足工程要求。参考文献：

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（编辑 胡玲）