基于轨检车检测数据的桥梁变形分析

张宇飞 上海铁路局上海工务段

基于轨检车检测数据的桥梁变形分析

张宇飞 上海铁路局上海工务段

根据电子水准仪线上测量数据，总结了某铁路桥梁的变形规律，然后结合数据分析探讨了利用轨检车检测数据对铁路桥梁变形进行监测的可行性。最后，针对该铁路桥梁变形规律，设计了4套轨面调整方案供铁路工务部门参考。

变形监测；铁路桥梁；轨检车；轨面调整

桥梁是国民经济的基础结构，是交通网络的重要联结。在正常的以及不可预期的荷载作用下，桥梁结构会出现不同程度的变形甚至是破坏，因此对桥梁结构的变形监测是桥梁运营和管理阶段非常重要的环节。特别是对于铁路桥梁，轻微的梁体变形会导致其上部轨道结构的变形，并最终表现为线路的长波高低不平顺，而“平顺性”是铁路列车安全运行与旅客乘坐舒适性的重要保障，一旦出现不平顺，必须采取积极主动的处理措施使线路恢复正常状态。

轨检车是一种用于检测轨道几何状态动态检测设备。对于某铁路桥梁区段的日常动态检测发现该区段经常出现三级垂加警报，但其他不平顺指标并无明显超限，推测这一情况与该铁路桥梁结构变形有关，因此有必要对该铁路桥梁变形进行监测。

1 桥梁变形监测

自上世纪以来，国内外学者及工程人员针对桥梁变形监测方法开展了广泛的研究。桥梁变形监测方法主要包括静态测量仪器法、GPS法、激光法、连通管法、光纤传感器法、微变形监测雷达以及摄影测量法等。不同监测方法具有各自适用范围，本文采用传统的电子水准仪法，在每月天窗点对该桥梁区段轨面高程进行了测量。经过为期一年的监测，总结其变形规律如图1所示。在夏季环境温度较高时，该铁路桥梁中跨向上翘起，而两边跨则下凹；随着环境温度不断降低，中跨变形形式由上凸发展为下凹，两边跨变形趋势一致且与中跨相反。中跨变形幅度达到60 mm，边跨变形幅度为30 mm。桥梁变形与环境温度变化呈现出明显的相关性，因此推断其变形主要是由温度荷载导致。

图1 桥梁变形规律示意图

2 基于轨检车检测数据的桥梁变形分析

轨检车检测数据包括高低、轨向、轨距、水平、三角坑、车体加速度等。本文试图探讨利用轨检车检测数据对铁路桥梁变形进行监测的可行性。为此，本文选取了一年内的轨检车动态检测数据用以分析说明。

2.1 分析方法

（1）分析指标

选择高低、水平、三角坑、垂向加速度等项目在特定里程范围内各自的标准差作为分析指标。

（2）区段划分

根据该铁路桥梁所在里程，适当向前后延伸得到一段长度为400 m的数据分析区段。

（3）分析方法

分析检测数据中各项目的标准差与桥梁变形幅值间的相关性。

2.2 相关性分析

对水平、左高低、右高低、以及三角坑在桥梁区段内的标准差与桥梁变形的相关性进行定量计算，计算结果见图2。

图2 相关性分析结果

由图2可知，桥梁区段内的水平、高低和三角坑标准差与桥梁竖向变形幅值的相关度不高，即无法通过对上述三个检测项目进行标准差分析估计桥梁竖向变形幅值。出现这种结果的原因可能是：

（1）桥梁的竖向变形是一种波长较长的“不平顺“，本文所采用的检测数据无法识别；

（2）诸如水平、高低和三角坑的轨道垂向不平顺随着运营时间增长逐渐恶化。

2.3 应用分析

桥梁区段内的垂向加速度标准差与桥梁竖向变形幅值存在较高的相关性。以垂向加速度标准差为横坐标，桥梁中跨变形幅值为纵坐标作图，即可直观地表现出两者的对应关系，如图3所示。

图3 垂向加速度标准差与桥梁变形幅值对应关系

根据图3中垂向加速度标准差与中跨变形幅值的对应关系，结合第2节中的桥梁变形规律，即可以推算出轨检车检测数据垂向加速度标准差与边跨变形幅值的对应关系。

以中跨变形为例为例，说明如何利用轨检车检测数据对铁路桥梁变形进行监测，详见表1。

表1 基于标准差分析法的轨检车检测数据应用分析表

获取轨检车检测数据后，计算桥梁区段内垂向加速度的标准差，，根据拟合公式 y=2346.8x^2-614.39x+39.712，估算桥梁中跨变形幅值。对比一年内变形量的估算值与实际值，平均误差为3.3 mm，误差较小且具有可行性。

3 轨面调整方案设计

本文的研究对象虽然在竖向上存在较大幅度的变形，但是对其上部轨道的高低不平顺影响并不显著，无法简单地根据高低不平顺检测结果对轨面进行调整。因此，本文提出了一种基于轨面高程线上监测数据的轨面调整方案。针对该铁路桥梁变形规律，本文共设计了4套轨面调整方案，以下为方案介绍。

方案A：桥梁年变形规律表明桥梁中跨的上拱幅度大于下挠幅度，而边跨中心上拱与下挠的幅度相近。因此，调整方案为仅将中跨区域的轨面向下调整，以此减小钢轨的绝对变形量。调整完成后，若无特殊情况不再对轨面进行调整。

方案B：调整方案仅对桥梁边跨区域的轨面进行调整。通过抬高边跨区域轨面高程，间接减小桥梁中跨与边跨中心间的绝对变形幅值。调整完成后，若无特殊情况不再对轨面进行调整。

方案C：根据桥梁年变形规律，在桥梁出现较大竖向变形前对轨面进行反向调整，以此减小钢轨在中跨和边跨中心的绝对变形量。由于桥梁竖向变形存在上拱和下挠两种趋势，所以每年需要对轨面进行两次调整。

方案D：根据桥梁年变形规律，在桥梁出现较大竖向变形前对轨面进行反向调整，以此减小钢轨在中跨和边跨中心的绝对变形量。轨面高程调整不受扣件调高范围（-4 mm，+26 mm）的限制，通过特殊扣件实现更大的调整量。同方案C，每年需要对轨面进行两次调整。

从调整次数和调整量两方面对上述4套轨面调整方案进行评价，评价结果如表2所示。

表2 调整方案评价结果

由表2可知，每年经过两次调整的方案C和方案D的调整工作量远远大于方案A和方案B，养护维修成本高。因此，建议采用方案A或方案B对桥梁区段内轨道进行调整。

4 结论

本文主要得到以下结论：

（1）水平、高低以及三角坑在桥梁区段内的标准差与桥梁变形幅值变化的相关性不显著，无法用于桥梁变形的估算。

（2）桥梁区段内的垂向加速度标准差与桥梁竖向变形幅值存在较高的相关性，相关性系数达到0.86。

（3）利用回归方程，对桥梁中跨中心处一年内的变形幅值进行估算，并与实际值对比，平均误差为3.3 mm，该方法能够作为桥梁变形监测的辅助手段。

（4）针对该铁路桥梁变形规律，设计了4套轨面调整方案，对于铁路养护维修工作具有一定借鉴意义。

责任编辑：宋飞 龚佩毅

来稿时间：2015-5-22