重载铁路钢桁梁健康监测系统设计及应用

孟宪洪 鞠晓臣 陈令康

1.国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

重载铁路具有行车密度高、牵引质量高、载重大的特点，其动载强度大，受载频率高，导致荷载效应和材料应力幅增加，加速了钢桁梁桥的损伤、老化，缩短了桥梁服役期［1-2］。随着我国重载铁路轴重提高以及行车密度不断增加，既有桥梁健康状况更加恶化，因此有必要安装桥梁健康监测系统，以实时监测桥梁状态，掌握桥梁运行状况，保证列车长期稳定安全运行［3］。

本文以朔黄铁路64 m双线钢桁梁为工程背景，搭建桥梁健康监测系统，基于长期监测数据综合分析桥梁结构运营状况，评估桥梁整体运营状态，为检查养护维修提供技术参考。

1 工程概况

1.1 64 m双线钢桁梁

朔黄铁路神池南—肃宁段（K0—K418）按一次性双线设计；肃宁—黄骅港段（K418—K588）先期按单线设计，二期增建复线。选择神池南—肃宁段（K0—K418）跨京港澳高速公路64 m双线钢桁梁（图1）为研究对象，该梁桁高11 m，主桁中心距9.732 m，节间长8 m。桥上承载双线铁路，按双线中-活载设计，北侧线路为重车向，南侧线路为轻车向。钢梁主桁、桥面系、横联、上下平纵联等采用Q345qD钢，主桁上下弦杆截面采用焊接H形，杆件宽460 mm，高600 mm，最大板厚32 mm；腹杆除E0A1和A3E2采用箱形杆件外，其余杆件均采用H形杆，竖杆为不对称截面。主桁内侧翼板加厚，板厚16 mm，外侧厚12 mm；节点板厚16 mm。桥面系纵横梁均为焊接工形，纵横梁为不等高设计，纵横梁上翼缘顶齐平，连接采用鱼形板，纵梁下部采用三角形隅撑［4-5］。

图1 64 m双线钢桁梁立面

1.2 健康监测系统

健康监测系统组成见图2。其中，结构自动监测子系统、视频安全监控子系统、电子化人工巡检子系统用于荷载源、结构响应数据、现场信息的采集，将获取的数据作一定处理后统一存储在数据存储与管理子系统中，并通过数学工具进行相应的统计分析；然后根据各特征参数所设定的安全阈值，实现系统的安全评估和预警功能；最后通过用户界面子系统完成人机交互工作［6］。

图2 桥梁健康监测系统组成

2 钢桁梁健康监测系统设计

2.1 监测内容及测点布置

主要监测内容：①桥址环境监测，包括桥址环境温湿度；②结构特征监测，包括关键杆件及关键构造应力，结构温度、挠度、振幅、加速度，支座位移；③视频监测。

由于该桥为大型钢结构桥梁，测点有限，因此主要针对结构设计中起控制作用的截面和关键部位进行监测。通过理论计算并结合经验合理选择测点的数量、优化布置，可以简化数据的采集和后处理工作，有利于把握桥梁结构的局部或整体状态。桥梁健康监测系统测点立面布置见图3。

图3 桥梁健康监测系统测点立面布置

2.2 系统架构

系统架构（图4）包括：

图4 系统架构

1）数据感知层。用于基础设施检测监测，数据采集形式多样化，各种形式数据信息均可进行有效采集、传输。

2）数据存储层。为基础数据、检测监测数据提供统一的存储环境，分析结果采用关系型数据库进行存储，原始数据采用对象存储的方式实现海量数据的安全有效存储［7］。

3）数据分析层。常见数据预处理方法包括数据清理、数据集成、数据变换、数据归约等。数据预处理之后，通过关联性分析、趋势分析、联动分析评判等分析算法来实现数据应用价值的最大化。

4）功能模块层。通过各种预处理和算法分析之后的数据，可进一步实现各种业务的应用，主要功能模块包括检测监测数据的分析结果展示、评估与诊断、报表生成、预警报警发布等。基础设施长期监测平台依托信息化接口规范标准体系实现逻辑层次之间的数据传输与交互，依托网络安全等级保护体系实现平台的安全稳定运行［7］。

3 数据分析与状态评估

3.1 数据分析

1）梁体跨中加速度

梁体跨中重车向加速度幅值统计结果见图5。可知，该桥跨中横向加速度集中在0.05、0.20 m/s2附近，与该桥通行轻车情况相符，跨中横向加速度最大值为0.40 m/s2，小于铁运函〔2004〕120号《铁路桥梁检定规范》规定的1.40 m/s2。跨中竖向加速度集中在0.1、0.3 m/s2附近，最大值不超过0.6 m/s2。

图5 梁体跨中重车向加速度幅值统计结果

2）梁体跨中振幅

梁体跨中重车向振幅幅值统计结果见图6。可知：①该桥跨中横向振幅集中在0.5、1.3 mm附近，与该桥通行轻车情况相符，跨中横向振幅最大值为2.5 mm。铁运函〔2004〕120号表10.0.5-2中，有桥面系的桁梁横向最大振幅通常值为L/（2.6B）=64/（2.6×5.75）=4.28 mm，其中L为跨度，B为主梁中心距，可知该桥横向振幅最大值均小于通常值。②跨中竖向振幅集中在0.4、1.1 mm附近，最大值不超过2.3 mm。

图6 梁体跨中重车向振幅幅值统计结果

3）钢桁梁应力

以端横梁、边纵梁、重车向下弦杆E0E1、重车向斜杆E0A1为例，分析杆件动应力变化情况，见图7、图8。可知，端横梁应力集中在4.2、25.0 MPa附近，这与该桥通行轻车情况相符，最大值不超过30.0 MPa；边纵梁应力主要集中在6.0 MPa附近，应力较大时离散现象明显，最大值不超过12.0 MPa；下弦杆应力集中在10.5、63.0 MPa附近，最大值不超过84.0 MPa；斜杆E0A1应力分布较为离散，最大值不超过12.0 MPa。这表明各杆件受力状况良好，满足运营承载能力要求。

图7 纵横梁应力变化情况

图8 钢桁梁杆件应力变化情况

4）梁体跨中动挠度

一天内跨中重车向挠度变化情况见图9。可知，在列车荷载作用下，跨中挠度变化明显，出现峰值。一段时间内梁体跨中动挠度最大值变化情况见图10，可知，梁体跨中最大动挠度不超过22 mm，铁运函〔2004〕120号表10.0.3中列车竖向静挠度的通常值为L/1 250=51.2 mm，梁体动挠度小于该通常值。

图9 一天内跨中重车向挠度变化情况

图10 一段时间跨中动挠度最大值变化情况

3.2 基于1/3倍频程谱的桥梁状态评估

1/3倍频程谱是一种频域分析方法，具有谱线少、频带宽的特点，常用于机械振动、声学等测试分析以及频带范围较宽的随机振动测试分析等。倍频程是由一系列频率点以及这些频率点附近频带内信号的平均幅值（有效值）构成，这些频率点称为中心频率fc，中心频率附近的频带处于下限频率fl和上限频率fu之间。1/3倍频程功率谱可以通过两种方法实现：

1）时域分析方法。即在整个分析频率范围，按照不同的中心频率对采样信号进行带通滤波，然后计算出滤波后数据的均方值或均方根值（有效值），即可得到每个中心频率的功率谱值和幅度谱值。

2）频域分析方法。首先对采样信号进行快速傅里叶变换，计算出功率谱值或幅度谱值，然后利用功率谱或幅度谱值的数据计算每一个中心频率带宽内数据的平均值［8］。

对于同一座桥梁，在列车荷载作用下，桥梁上下游相同位置测点监测数据的频域成分应基本相同。基于此特点，可利用1/3倍频程对朔黄铁路桥梁整体状态进行分析，评估结构现状。若某个测点的监测数据于某一刻突然变化，且后面的监测数据不变回原始值时，排除传感器故障，判断桥梁可能存在损伤，后续需加强监测，及时提出处理决策，并采取相应的检查维修措施。

相似性度量常用的方法比较多，比如欧式距离、夹角余弦、曼哈顿距离等。夹角余弦越接近1，欧式距离越小，说明两点的空间位置重合度越高，两个向量越相似，即测量数据未发生较大变化，可判断桥梁结构未发生损伤。常用的向量相似性指标包括相关系数、余弦相似度和欧式距离。

由于传感器每次采集的原始加速度数据长度不同，相关系数的适用性较低，因此只计算以欧式距离和余弦相似度为相似性度量的指标。

根据上述分析结论，选取朔黄铁路桥梁跨中横向加速度（跨中重车向测点编号为JSD-06-08，跨中轻车向测点编号为JSD-06-10）的监测结果进行分析，中心频率对比见图11。可知，两个测点的加速度有效值相差不大，频带能量占比相似，变化情况基本一致。

余弦相似度和欧氏距离计算结果分别见图12、图13。其中，余弦相似度集中在1附近，欧氏距离集中在0.01附近。根据夹角余弦定义和欧氏距离定义可知，上下游数据在各频带上的能量成分越相似，两加速度时程越相似，表明当前桥梁状态良好。

图12 中心频率对比

图13 中心频率对比

4 结论

1）跨中横向最大加速度为0.40 m/s2，竖向加速度集中在0.1、0.3 m/s2附近，最大值不超过0.6 m/s2；跨中横向振幅最大值为2.5 mm，竖向振幅集中在0.4、1.1 mm附近；端横梁应力集中在4.2、25.0 MPa附近，最大值不超过30 MPa；边纵梁应力集中现象不明显；斜杆E0A1应力分布较为离散，最大应力不超过12 MPa；下弦杆应力分布较为集中，最大应力不超过83 MPa；梁体跨中动挠度最大不超过22 mm，小于规范通常值。

2）对一段时间内的加速度、振幅、应力、挠度等数据进行分析，结果表明监测数据均满足规范要求。

3）对跨中重车向和轻车向横向加速度进行对比分析，发现上下游加速度数据频谱基本一致，表明当前桥梁运行状况良好。