基于结构实时响应的钱塘江大桥安全监测系统

蔡建军，刘 芳，杨连军，唐 锋

(1.上海铁路局，上海 200071;2.上海铁路局杭州工务段，浙江 杭州 310009;3.北京铁科金弟测控技术有限公司，北京 100081)

1 概述

1.1 钱塘江大桥概况

钱塘江大桥是由我国著名桥梁专家茅以升先生设计并主持施工的第一座双层式公铁两用特大桥。上层为双车道公路，下层为单线铁路。原设计荷载铁路为E-50级，合中-21.5级;公路为H-15级，合汽-11.7级。铁路桥由1×13.76 m上承板梁+1×14.63 m上承板梁+16×65.84 m简支钢桁梁+1×14.63 m上承板梁组成。现铁路桥为沪昆绕行线，桥梁中心里程为K8+219。桥上辅设有缝线路，直线。正桥1～6孔为平坡、7～12孔为 －3.2‰下坡、13～16孔为 －4.9‰下坡。正桥长1 072 m，16孔简支钢桁梁跨度为65.84 m，桁高10.7 m，主桁中心距6.1 m，除风撑及公路承载部分外，均为铬铜合金钢制造，用铆钉连接。正桥桥墩共15座，其中1#～6#墩直达岩层，7#～15#墩墩底深入冲刷线以下3～4 m，置放在27～30 m长的木桩上，每墩160根，均深达岩层。

大桥于1937年9月通车后不久，即遭受战争破坏。1953年10月钢梁修复后，大桥才恢复其设计的承载能力。至2006年，大桥经历了多项检定试验和修复工程。2006年5月25日，钱塘江大桥被国务院批准列入第六批全国重点文物保护单位名单。目前大桥仍承担着铁路运输任务。

1.2 监测系统概况

根据2009年4月常规检定试验结论，钱塘江大桥存在多项病害。2011年初，上海铁路局工务处组织召开“钱塘江大桥技术管理及安全监测系统专家研讨会”，与会专家建议建设大桥安全监测系统，对大桥结构实时响应进行长期监测，为保障大桥运营安全和指导养护维修提供科学和有效的技术手段。2012年2月上海铁路局立项建设钱塘江大桥安全监测系统。

大桥安全监测系统主要是对桥梁结构振动、桥墩振动、桥梁支座位移和挠度的实时响应进行长期监测，以评估桥梁的动力性能;对桥梁控制杆件和病害杆件所受应力的实时响应进行长期监测，以评估桥梁结构受力状态和疲劳特征。进而评估桥梁安全状态，并对超限状态或非常状态进行预警。大桥安全监测系统主要包括:监测传感器系统、数据采集与数据传输系统、数据处理与数据分析系统、安全评估与预警系统。

通过对大桥结构的分析，并依据《铁路桥梁检定规范》(以下简称《规范》)、大桥常规检定试验结论、维修养护单位提供的结构病害现状，首先确定了监测点，进而完成了系统总体设计、数据分析模型建立、传感器选型、设备研制与软件开发、安装施工、系统调试与试运行等项工作。2012年底，钱塘江大桥安全监测系统建设完成，进入实际运用阶段。

2 大桥安全监测系统设计

2.1 监测内容与监测点布置

科学、合理地确定监测内容和监测点布置是实现桥梁安全监测目标的前提。对监测内容和监测点进行了初始设计，再经专家论证，结合桥梁实际状况，经过多次修改，最终确定了实施方案。

1)对重点钢桁梁的振动实时响应进行监测

钱塘江大桥使用年限长，发生过多次损坏，病害点多，很多部位已经无法修复。大桥的横向刚度差，对行车安全构成威胁，必须对重点钢桁梁横向振动特性进行监测。为此，在第6，9，10和13孔钢桁梁上布置了横向振动振幅、振动加速度监测点。为了更有效地评估桥梁安全状态，在第6，10和13孔钢桁梁上相应布置了梁体竖向振动振幅监测点，在第6，10孔钢桁梁上布置了竖向振动加速度监测点。

2)对重点钢桁梁控制杆件和问题杆件的应力实时响应进行监测

根据大桥常规检定试验结果，主桁U3L3竖杆和跨中纵梁为剩余寿命控制杆件，应重点关注第10，12和13孔钢桁梁的临界状态，且第6和13孔梁存在明显病害，需要对上述相应杆件应力实时响应进行监测，以评估桥梁结构受力状态和疲劳特征。

3)对重点桥墩振动实时响应进行监测

大桥第14号桥墩基础曾经出现病害，虽然经过大修加固，仍然需要进行监测，并与相邻正常桥墩进行比对分析。为此，在第13，14号桥墩墩顶布置了横向振动振幅和竖向振动振幅监测点。

4)对重点结构位移特性进行监测

大桥第10孔钢桁梁锈蚀严重，因此选取其作为典型梁体进行结构位移监测，同时进行结构温度监测，以综合评估结构位移实时响应特性。为此，在相应梁体活动支座端布置纵向位移监测点和梁体温度监测点。

5)对结构动挠度特性进行监测

大桥主桁动挠度是桥梁结构状态的重要特征参数，但由于目前桥梁挠度实时响应监测技术尚不成熟，有针对性地开展了桥梁动挠度监测技术的研究与开发，在第6孔钢桁梁上布置了挠度实时响应监测点。

6)对桥上行车情况进行监测

行车情况监测包括系统数据采集自动触发和车速监测，为此在相应部位钢轨侧面布置了车轴监测点。

系统监测点布置如图1所示。

图1 系统监测点布置

2.2 系统架构与特点

1)系统用户

钱塘江大桥由上海铁路局杭州工务段管辖，因此系统设计了大桥车间和工务段两级用户，通过铁路综合IT网进行大桥安全监测信息发布和数据管理。而路局用户可以通过工务段信息系统进入本系统，查阅相关信息。系统多级用户网络结构如图2所示。

图2 系统多级用户网络结构

大桥车间位于大桥杭州端桥头，在大桥车间设置了专用的大桥安全监测系统机房。安装在机房的大桥安全监测系统服务器是大桥长期监测数据的集汇、存储和处理中心，负责监测信号采集、数据处理、安全评估和信息发布，以及系统控制和系统维护工作。在大桥车间和工务段设置了系统终端。大桥车间用户管理和技术需求有限，因此大桥车间系统终端只需具有系统维护功能和基本信息显示功能，系统操作简捷明了。杭州工务段位于杭州市区，远离大桥车间，其系统终端为大桥安全监测系统的远程控制和信息浏览终端。工务段用户管理和技术需求全面，因此其系统终端功能不仅包含大桥车间系统终端功能，还包括远程系统控制、监测数据分析、安全评估和大桥养护维修辅助决策等功能。

2)系统结构

大桥安全监测系统主要包括传感器系统、信号采集系统、数据传输系统、信号采集控制与数据处理系统、三维信息展示系统、安全评估与报警系统、局域网通信系统、远程控制与维护系统。系统拓扑结构如图3所示。

图3 系统拓扑结构

每当列车通过大桥时，信号采集系统自动采集传感器信号，通过数据传输系统(无线局域网)将采集数据传输至数据处理系统，进行桥梁安全评估和报警。通过铁路综合IT网，系统实现了大桥车间、工务段、路局三级信息共享;通过3G无线网或互联网，系统实现了远程故障诊断、系统维护，以及数据挖掘、专家论证等。

3)系统特点

钱塘江大桥安全监测系统与其它国内铁路桥梁健康监测系统相比具有如下特点:

①大桥安全监测系统重点对影响桥梁运营安全的结构响应进行长期监测、安全评估、预警、报警，其监测目的和监测方式与桥梁健康监测系统对桥梁状态和环境因素进行全面或广泛的监测是不同的。这种桥梁安全监测方式特别适用于铁路老龄桥、病害桥和重点桥梁长期的安全监测。

②采用了基于无线局域网通信技术的分布式数据采集结构。无线数据通信方式和分布式数据采集结构彻底解决了桥梁长期监测系统中传感器、信号采集设备和系统设备之间信号、通信线缆布线与维护困难的问题，大大提高了桥梁监测的技术水平和工作效率，降低了监测系统建设和维护成本，使得系统更加实用。分布式数据采集结构也有利于系统规模和功能的灵活调整，适用于各种应用环境，特别是跨度大、监测点多且位置分散的大型复杂桥梁结构的监测。

③采用的信号采集设备是为铁路桥梁安全监测系统研制的专用设备。该设备集成了针对各类传感器的信号调理功能模块，设备集成度高、通用性强、维护简单。通过程控遥测方式，实现了传感器的识别与测试、参数设置、设备调试和信号采集控制功能，操作简单;通过无线局域网数据通信方式进行采集数据传输，数据传输速度快、有效传输距离远、可靠性高。在铁路电气化区段环境下，抗干扰性好、稳定性高。

④系统应用软件功能强、分析结果准确、涵盖范围广、运行稳定、可扩展性和移植性高，与路局工务检测所采用的桥梁检测分析软件数据格式兼容。在数据处理方面，包括了数据平滑、极值分析、频谱分析、统计分析、雨流法分析和安全评估与报警功能。用户端软件界面友好、简洁易用，采用三维图形显示方式为用户提交监测信息，并通过用户权限管理方式，为各类用户提供各自所需的功能。

3 监测数据分析与安全评估

在列车通过桥梁时，从数据采集系统启动到列车全部出桥后终止数据采集所进行的一次完整的数据采集称为结构实时响应数据采集的一个测次。在数据采集完成后，需要对所得到的采样信号(数据信号)进行预处理。本系统采用了五点二次数据平滑处理技术，其主要作用是过滤掉数字信号中一些噪声(如热噪声)产生的干扰。

3.1 振动实时响应分析与安全评估

1)振动实时响应分析

桥梁振动实时响应信号分析是对列车通过桥梁时每个测次数据信号进行时域分析，计算振动振幅的极值、平均值;对某个时间段内时域信号分析结果进行统计处理，进行日、月、季、年的振动振幅极值统计与趋势分析;以及对特定监测点信号进行频域分析，计算强振频率与卓越振动频率。

数据信号时域分析采取逐点比较方式计算极值(最大值或最小值的绝对值)和平均值。由于桥梁振动实时响应信号的激励源为列车通过桥梁时轮轨之间作用力，因此振动信号具有一定的特征。理论计算和试验分析表明，有效的桥梁振动实时响应信号频率范围可选择为0.5～20.0 Hz。针对钱塘江大桥结构特点和桥上通过的典型列车，振动信号主要谐波的典型频率为1.0～1.5 Hz，所以在对振动数据信号进行时域分析前，需要通过信号采集设备或数据处理软件进行信号滤波处理。

通过对振动振幅极值的统计分析，可为桥梁安全评估提供基础数据，并进一步判断桥梁结构安全状态的变化趋势。

在进行振动实时响应频域分析时，系统根据《规范》，预先设定需要进行强迫振动频率计算的监测点。对于其它监测点，也可以提取信号主要谐波的信号频率，不过此时的信号频率就不是强振频率，而是振幅最大谐波的频率。对于有些信号，该频率也能反映出特定问题。如列车通过横梁上弯曲应力的主谐波频率值的大小可以反映列车的速度。

强迫振动频率数值分析模型是通过查找振动振幅、加速度信号绝对值最大值发生的时刻，在其前后各提取大约5 s的信号数值，得到大约10 s的信号时域波形，进行快速傅里叶变换处理，通过频域分析得到主要振动谐波的频率，即强迫振动频率。以该谐波频率为中心频率，两边各取0.5 Hz为频率宽度，在该频率范围内再重新进行细化谱分析，得到精确的强迫振动频率，称为卓越振动频率。需要说明的是，进行快速傅里叶变换处理时要合理选择时间窗函数，以减少泄漏。本系统设计了多种窗函数，缺省值设置为汉宁(Hanning)窗。

一般可设定对几个重要监测点信号进行强迫振动频率分析，如跨中横向振动振幅、振动加速度信号。基于振动振幅的强振频率与基于振动加速度的强振频率不会一致，它们所对应的谐波分量不是同一个。因为振动加速度除了与振动振幅成正比外，还与振动频率的平方成正比，振动加速度对频率特别敏感。

2)安全评估方法

据《规范》铁路桥梁运营性能检验有两个判别值:通常值和行车安全限值。针对振动实时响应的安全评估是将监测点在列车通过时产生的振动振幅和强迫振动频率与其通常值、安全限值相比较而进行的。

在振动实时响应的安全评估时，系统采用了分级预警和报警的方式，即将安全评估标准设置分为5级，如表1所示。

表1 安全评估分级标准

3.2 应力实时响应分析与安全评估

1)应力实时响应分析

应力实时响应分析是通过对桥梁结构应力监测点的动态时域信号进行疲劳分析，其原理是用雨流法处理应力时域信号，得到某个监测点应力变幅的统计特征，综合这些统计特征和桥梁材料的疲劳特性参数，进而对监测点所在的结构杆件进行疲劳分析，包括累计损伤、累计损伤度、最大应力、等幅等效应力和疲劳抗力。经过长期监测的数据累计，还可以得到被监测的桥梁杆件使用寿命的估算值。

疲劳分析算法主要依据Miner法则作为评估损伤的理论基础，以损伤度为1作为疲劳破坏判据，首先计算监测点杆件的应力谱，然后进行疲劳分析。疲劳抗力S－N曲线方程式为

式中:N为疲劳循环次数，Δσ为疲劳应力幅，m为疲劳曲线斜率，C为常数。

计算监测点的应力谱，应根据其所在杆件构造细节，确定其疲劳抗力S－N曲线参数。钱塘江大桥主桁杆件主要为铆接连接方式，因此不难确定其疲劳抗力S－N曲线的参数C和m。

因系统采集到的监测点应力实时响应信号为应变，数据量很大，但疲劳分析需要的是应力幅，所以为减少数据处理计算量，先不将应变转化为应力，而是先直接对应变数据进行极值处理，统计出波峰和波谷值，再用雨流法进行计数处理，然后将得到的应变数组转化为应力数组。经分析，设定所测桥梁的最大应力幅不会超过150 MPa，可将其应力幅分成15个区间，如表2。

经雨流法计数处理得到数组n［i］，为在第i段应力区间应力幅发生次数。应力幅与其所发生次数的对应关系为应力谱。不考虑疲劳截止限的作用，用应力幅Δσri(取区间的平均值)和对应的发生次数n［i］来计算实际损伤Rdam

表2 应力区间与其发生次数

因为桥梁杆件构造细节不同，其疲劳抗力曲线是不相同的，疲劳截止应力也不相同。计算损伤时通常考虑疲劳截止限的作用，小于疲劳截止限的应力幅不计入疲劳损伤。加设实际疲劳损伤这一项就是假设任一应力循环都对结构有一定的影响，从另一角度来定性地比较出最不利位置，从而弥补由于疲劳抗力曲线选取的偏差而带来的分析结果的偏差。

对所有的应力幅值进行比较，可以得出每次列车通过桥梁时该监测点杆件所受应力的最大幅值Δσmax。通过最大应力幅，可以将各个监测点所受的动应力效应进行对比，得到受影响最大的测点，同时也可与其所在细节的疲劳截止限进行比较，更加直观、便捷地评定是否有损伤。如果该监测点所经历的最大应力幅小于疲劳截止限，就可判定该部位的动应力尚不会造成疲劳损伤。

2)安全评估方法

钢桥疲劳属于变幅、低应力、高循环长寿命的高周疲劳范畴。在变幅荷载作用下进行疲劳寿命评估关键是建立变幅疲劳强度和常幅疲劳强度之间的联系。目前应用于桥梁中最方便的可能是用等效应力幅的概念来表达变幅应力谱，就是对变幅应力谱中不同大小的应力幅对结构造成的损伤用一个与之等效的常值应力幅来表示。通过等效应力幅与该构造细部在疲劳抗力曲线中同等发生次数对应的造成疲劳破坏应力幅比较，定性地检验受力杆件的安全性。

基于上述思路，对所监测的桥梁杆件进行安全评估，需计算等效应力幅Δσe和总次数对应的破坏应力幅 Δσ0。

疲劳抗力曲线的破坏应力幅

定性的假定是在循环次数为N时发生疲劳破坏，如Δσe＜Δσ0则定性地表示安全，否则应予以报警。通常情况下，Δσe比Δσ0小得多，也就说明所监测部位具有较长的疲劳寿命。

由式(1)通过Δσi和疲劳抗力曲线的常数C可求出Ni，其中Δσi取每个应力区间段的平均值，即在0～10 MPa的应力区间为5 MPa，10～20 MPa的应力区间取15 MPa，以此类推。

取Nl=107作为疲劳曲线截止限对应的循环次数，利用上述公式求出疲劳曲线截止限Δσl，应力幅值＜Δσl的不计入累计损伤，损伤度为

理论上，当D=1时，发生疲劳破坏;若D＜1，则尚未发生疲劳破坏。D值的大小由监测点所在构件以往的应力历程确定。

许多研究试验结果表明，构件发生疲劳破坏时并不一定D=1.0，而是D＞1.0或D＜1.0。这是由于Miner定律没有考虑不同应力幅作用的先后次序对构件疲劳寿命的影响，并把低于常幅疲劳极限的应力幅视为无损伤作用造成的。实际上，为简化计算仍取D=1.0时达到极限状态。对于每个桥梁杆件监测点，桥上每通过一次列车计算一次损伤度，并不断累加，用Σ Di来表示损伤度累加值。

通过长期监测，在大量监测数据样本累计基础上，使用损伤度累加值可以进行桥梁杆件寿命的估算。选取一个实测周期T，根据在此实测周期里的总的损伤度和Σ D，得到杆件使用寿命估算值Y和剩余寿命估算值Yl。

4 结语

铁路桥梁安全监测系统不同于桥梁健康监测系统，更适用于铁路老龄桥、病害桥和重点桥梁的长期安全监测。其首要目标是保障铁路桥梁运营安全，监测内容应结合桥梁实际情况，重点突出，目的明确，避免大而全。该系统更侧重于桥梁的安全性评估及为桥梁管理与养护维修科学决策提供技术支持。

桥梁安全监测系统集成了多种先进技术，如传感器、信号处理、计算机、通信和网络技术，并涉及了桥梁结构设计与相关理论、桥梁检定规范、数值分析理论与方法等多学科，因此，设计与建设桥梁安全监测系统是一项复杂的综合性的工作，需要多专业融合、科学论证，才能保证安全监测系统的可靠性、有效性和可实施性。

采用桥梁安全监测技术对于铁路工务单位是一种技术应用创新，具有很大的挑战性。在“建设好、使用好、维护好”桥梁安全监测系统的工作中，“使用好”和“维护好”桥梁安全监测系统的困难更大。对于铁路基层工务单位而言，管理和使用人员的技术能力、专业限制很大，必须探索新的技术管理模式，才能保障系统稳定的运行和使用，才能发挥出桥梁安全监测系统的效用。

［1］中华人民共和国铁道部.铁路桥梁检定规范［M］.北京:中国铁道出版社，2011:134-139.

［2］上海铁路局技术中心，西南交通大学.桥梁检定评估试验报告——沪昆绕行线K8+219钱塘江大桥常规检定试验［R］.上海:上海铁路局技术中心，2009.

［3］铁道科学研究院铁道建筑研究所.芜湖长江大桥长期监测、安全评估及报警系统(斜拉桥部分)［R］.北京:铁道科学研究院铁道建筑研究所，2005.

［4］中华人民共和国铁道部.TB 10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.