重载铁路连续刚构桥梁挠度监测分析

程 辉，郑竞友，钟继卫，梅秀道，叶仲韬

（1.桥梁结构与健康湖北省重点实验室，湖北武汉 430034；2.中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北武汉 430034；3.浙江金筑交通建设有限公司，浙江杭州 310010）

重载铁路连续刚构桥梁挠度监测分析

程 辉1，2，郑竞友3，钟继卫1，2，梅秀道1，2，叶仲韬1，2

（1.桥梁结构与健康湖北省重点实验室，湖北武汉 430034；2.中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北武汉 430034；3.浙江金筑交通建设有限公司，浙江杭州 310010）

铁路桥梁挠度监测反映了桥梁竖向整体刚度，挠度时程曲线揭示了桥梁结构、荷载相关信息.通过对重载铁路桥梁挠度监测数据分析，发现桥梁挠度受活载及桥梁温度场的影响，并对桥梁最大挠度统计分布规律、挠度与温度相关性以及桥梁满载状态下的挠度归一化进行探讨，提出桥梁挠度的相关报警指标，对《铁路桥梁检定规范》关于挠度的评判指标进行了扩充.

连续刚构；重载；挠度；温度挠度；挠度归一化；健康监测

挠度是桥梁结构整体受力性能的主要表现形式，也是衡量桥梁整体刚度的重要指标［1］.大跨度预应力钢筋混凝土连续刚构铁路桥梁，桥梁刚度大，荷载重，挠度监测效果好、信噪比高且信号稳定.重载铁路桥梁跨径一般在8 m - 400 m之间，货运列车延长在1 000 m - 1 700 m之间，桥梁长度远小于列车长度，列车在桥梁上通行时间长.桥梁挠度时程曲线清晰记录了列车对桥梁作用的完整信息，显示桥梁挠度与结构形式、列车速度、车辆荷载均有密切关系.

《铁路桥梁检定规范》对活载作用下桥梁挠度规定如下［2］：对于普通高度梁体H/L=1/11 - 1/13，挠跨比＜1/1 800；对于低高度梁体H/L=1/14 - 1/16，挠跨比＜1/1 300，其中H为梁高，L为梁跨度.对于单跨跨度32 m、100 m的普通高度桥梁，竖向挠度规范限值分别为17 mm、55 mm.实际运营列车荷载小于设计荷载，因此实测挠度小于规范限值.为保证桥梁安全，仅依靠挠跨比指标显然不能满足实际桥梁安全评估要求，需要对桥梁规范限值范围进行调整.

对桥梁挠度动态监测数据进行深入挖掘，揭示桥梁结构、荷载及桥梁安全评估方面的信息.国内大量专家学者对此进行了深入广泛的探索和研究.刘夏平等［3］基于奇异值分解提取周期信号原理，利用温度挠度具有周期性的特点，对桥梁挠度监测信号进行分离.潘东宏［4］采用ARMA时间序列预测模型，将挠度监测数据中所包含的外荷载的变化趋势及结构抗力的衰变信息进行动态预测.王永平等［5］利用均布荷载长度大于桥梁长度，建立移动荷载模型，通过振型叠加和wilsonθ-方法建立桥梁振动函数.

国内外对铁路桥梁挠度监测的报警及评估方面研究较少，规范也存在着桥梁挠度评估指标较单一等问题.本文采用封闭式连通管原理对重载铁路桥梁进行挠度监测，利用温度、活载特性对挠度进行分离，获得活载-挠度、温度-挠度相关关系，通过桥梁挠度分布分析揭示其与列车荷载之间的关系，并对桥梁挠度进行归一化处理，建立了基于桥梁挠度监测的报警指标及评判方法.

1 工程概况

1.1 列车荷载简介

大准增二线黄河特大桥（以下简称大准黄河特大桥）为三跨预应力钢筋混凝土连续刚构桥，跨度组成为96 m +132 m +96 m，边、中跨跨度比为0.72.该桥梁实行单线铁路运输，设计荷载为中活载，验算荷载为中长跨荷载［6］.通行的列车机车及货车荷载编组类型为C80B、KM70、C70及C60等几种车型，其中C80B、KM70列车编组类型分别为2SS4B机车+100C80B拖车和2SS4B机车+58节KM70拖车.重载列车编组、载重及长度等参数见表1.

1.2 监测系统简介

表1 重载列车车辆荷载参数表

图1 传感器布置整体布置图

图2 挠度传感器Def-01及温度传感器T1断面布置图

大准黄河特大桥桥梁挠度及温度传感器布置图见图1，其中Def-01 - Def-08为挠度监测断面，T1、T2为温度监测断面.挠度传感器Def-01及温度传感器T1断面布置见图2.传感器属性见表2.挠度长期监测系统采用封闭式液位连通管原理，全桥共布置8个断面，采样精度为0.5 mm，采样频率为1 Hz；温度监测采用DS18B20传感器，传感器精度为0.5℃，采样频率为10分钟采样一次.

表2 传感器数量及属性

2 桥梁挠度分析

对于大跨径预应力钢筋混凝土连续刚构桥，桥梁除受到活载作用出现短期挠度外，还受温度荷载以及混凝土收缩徐变长期影响，系统采集过程中也不可避免地混入系统误差，因此桥梁挠度可分为以下四部分：

其中：f（t）为桥梁断面实时挠度，fp为桥梁荷载引起的挠度，fT为桥梁温度引起的挠度，fc为桥梁收缩徐变引起的挠度，δe为系统误差.

从桥梁挠度的长期时程曲线图来看［7］，式（1）中四部分是互相耦合的.温度引起的桥梁挠度为长波低频曲线，活载引起的挠度为短波高频曲线，收缩徐变对桥梁的影响是连续变化曲线.将桥梁挠度时程曲线进行去噪处理，并将其中的长波效应分离为温度效应，短波效应分离为荷载效应.

2.1 温度作用下的桥梁挠度

温度作用下的桥梁挠度反映了桥梁的受力性能.箱梁（T-1）测点2014年6 - 10月份的桥梁温度见图3，中跨跨中挠度（Def-04）测点变化曲线见图4.图3、图4显示了桥梁中跨跨中挠度（Def-04）与箱梁温度（T-1）具有明显相关性，温度作用下的桥梁挠度变化幅度明显.从6月至8月份，桥梁挠度变化为3 mm，同期的温度变化为5℃；8月至10月份，桥梁温度变化从28.5℃降低至17℃，温度下降11.5℃，同期的桥梁挠度则下降了13 mm.

图3 2014年6 - 10月中跨跨中挠度趋势图

图4 2014年6 - 10月室外温度长期趋势图

中跨跨中挠度（Def-04）与箱梁外侧温度（T-1）的相关关系曲线见图5所示，其回归分析方程见式（2）.

式（2）中T（t）为温度长期监测数据，f（t）为桥梁挠度长期监测数据.

式（2）表明温度每变化1℃，桥梁挠度变化1.346 1 mm.

图5 跨中挠度与温度相关关系

2.2 活载作用下的桥梁挠度

2.2.1 活载挠度分析

铁路桥梁在列车荷载作用下的挠度表征了桥梁的变形能力，是直接衡量桥梁竖向刚度的指标.《铁路桥梁检定规范》将折算至中活载下的挠跨比通常值作为评判依据，但其前提条件是荷载已知，而与实际运营荷载是荷载大小未知且荷载类型多样的情况不同.

大准黄河特大桥每天通行列车数量为40列 - 45列，对矿区列车装载进行调研，其中70％的为C80B编组列车，现代装载技术可将C80B列车装载载重偏差控制在5％以内，因此可通过对桥梁挠度最大值长期分布统计规律，判断桥梁竖向挠跨比是否满足规范要求.

中跨跨中（Def-04）测点在不同列车编组作用下的挠度典型时程图见图6，图6显示了不同

图6 中跨跨中挠度典型时程图

列车编组通行过程中的桥梁挠度变化时段及挠度峰值变化情况，桥梁挠度能明显反映桥梁列车荷载、速度等特征.

设某时刻t，桥梁j断面挠度为（）ft，则在C80B列车编组作用下的桥梁挠度均值如式（3）所示.

C80B列车编组作用下的不同断面运营期间最大挠度与设计荷载作用下最大挠度值见表2，表2显示桥梁挠跨比最大值出现在9#边跨跨中（Def-01）测点，最大挠跨比为1/278 3，小于规范1/130 0［2］，中跨跨中最大挠跨为1/388 1，校验系数为0.69.

表2 挠度监测数据分析表

2.2.2 活载挠度分布

桥梁挠度时程曲线能明显反映桥梁列车荷载特征.对桥梁最大挠度进行统计分析，将有助于掌握列车编组及荷载规律.2014/8/20 - 2014/8/28时段内9#边跨跨中测点（Def-01）挠度分布规律见图7.图7显示9#边跨跨中测点（Def-01）挠度分布呈现3个峰，前2个波为正态分布且分布互相重叠；第3个波为标准的正态分布.图7显示，最大挠度约为23 mm，最小挠度大约为9 mm，且3个正态分布均值分别为12.5 mm、13.5 mm和18.5 mm.其余测点挠度分布与之相同.图7还显示，桥梁通行的C80B列车编组通行率约为70％，C70、C60列车编组通行率分别为15％和15％，与实际调研结果较吻合.

图7 2014/8/20 - 2014/8/28时段内9#边跨跨中挠度分布图

桥梁挠度监测数据具有变异性，对不同列车编组通过桥梁最大挠度进行长期统计，9#边跨跨中测点（Def-01）在不同列车编组作用下的桥梁挠度区间见表3.通过划分不同的挠度区间实现对桥梁列车编组的识别.

表3 Def-01在不同列车编组作用下的桥梁挠度区间

3 挠度归一化矩阵分析

大准黄河特大桥各编组列车长度远大于桥梁长度，桥梁满载运行时间长.挠度时程曲线显示，列车满载运行过程中桥梁挠度峰值稳定，变化小.C80B列车编组作用下的挠度空间分布见图8.图8显示在桥梁满载时桥梁各个断面测点挠度值稳定，其中最大挠度出现在中跨跨中测点（Def-04），挠度值为15 mm，此时桥梁挠度变化幅度最大值为0.7 mm左右.

图8 C80B列车荷载作用下的挠度图

设桥梁满载状态时刻1t，桥梁j断面挠度为1（，）tjf，C80B列车编组作用下的桥梁挠度归一化矩阵见式（4）.

依据式（4）绘制C80B、C60列车荷载作用下的挠度归一化空间分布图，见图9、图10.C80B及C60列车编组作用下的挠度归一化数值及偏差见表4，表4显示最大偏差为3.2％，最小偏差为-0.85％，表明桥梁现阶段状态良好，与实际桥梁状态吻合.

图9 C80B列车荷载作用下的挠度归一化矩阵图

图10 C60列车荷载作用下的挠度归一化矩阵图

表4 挠度归一化矩阵表

4 挠度报警阈值

黄河特大桥挠度报警系统可分为桥梁静挠度与动挠度两部分，其中动挠度是桥梁荷载作用下的位移，静挠度主要受桥梁温度影响.基于这两方面制定桥梁挠度阈值，首先评判活载挠度是否超过挠度最大值，然后根据环境温度与挠度相关关系分析判断其是否异常，通过对挠度与温度95％置信度预测区间为标准.

挠度采用三级报警，见图11.一级阈值即统计束限值包括两部分：

图11 挠度阈值的计算方法图

为95％置信度方差.

根据式（5）、式（6）计算大准黄河特大桥桥梁边跨、中跨跨中断面活载效应和温度效应的挠度一、二级阈值，计算结果见表5.表5显示，9#边跨、10#中跨及11#边跨跨中活载挠度一级阈值分别为32.74 mm、28.65 mm和29.36 mm，当荷载挠度小于上述值时，可认为桥梁处于安全状态.由于大准黄河特大桥9#边跨、11#边跨跨中挠度对温度不敏感，仅10#中跨跨中挠度与温度相关性明显，因此表5中仅列出了10#中跨跨中的温度效应一级阈值-40.380 mm.当挠度与温度线性相关曲线的截距小于上述值时，桥梁安全.

表5 桥梁挠度阈值值表

5 结 论

本文通过对大准增二线黄河特大桥挠度长期监测数据分析，得到如下结论：

（1）通过对荷载作用下的各个断面最大挠度进行统计分析，挠度比最大为1/278 3，其中中跨跨中挠跨比为1/388 1，均小于规范1/130 0的要求.

（2）通过桥梁实际运行的列车编组及荷载下的断面最大挠度分布，对桥梁列车编组及荷载作用规律进行对比分析，发现两者吻合程度较好，说明桥梁挠度能反应列车编组及荷载规律.

（3）通过桥梁温度荷载长周期、列车荷载短周期等特性对桥梁挠度温度荷载进行分离，并分析了温度-挠度的相关性，说明桥梁挠度与温度具有明显的相关关系.

（4）通过绘制C80B、C60列车荷载作用下的挠度归一化空间分布图，对比不同时刻不同列车编组作用下的挠度归一化矩阵，说明挠度归一化矩阵与荷载无关，评估结果不受运营列车荷载的影响，可作为桥梁状态评估的指标.

（5）通过桥梁荷载-挠度及温度-挠度相关关系建立了桥梁挠度报警系统，扩充了桥梁安全状态评价指标.

［1］ 中华人民共和国铁道部. 铁路桥涵设计基本规范： TB10002.1-2005［S］. 北京： 中国铁道出版社， 2005： 22-26.

［2］ 中华人民共和国铁道部. 铁路桥梁检定规范： 铁运函［2004］ 120号［S］. 北京： 中国铁道出版社， 2004： 75.

［3］ 刘夏平， 杨红， 孙卓， 等. 基于奇异值分解的桥梁挠度分离研究［J］. 中山大学学报（自然科学版）， 2013（3）：52-54.

［4］ 潘东宏. 基于桥梁挠度长期监测值的动态预测［J］. 西部交通科技， 2009， 10（5）： 62-66.

［5］ 王永平， 陈彦良， 付金科. 单车荷载作用下简支梁桥的动力特性及响应研究［J］. 土木工程学报， 1995， 28（5）：39-46.

［6］ 程辉. 大准增二线铁路桥梁荷载试验［R］. 武汉： 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司， 2013： 4-5.

［7］ 程辉， 李振东， 钟继卫. 轨道交通桥梁运营期桥面线形监测数据分析［J］. 桥梁建设， 2011， 6（5）： 32 -36.

Analysis on Deflection of Continuous Rigid Frame Bridge in Heavy Load Railway Transportation

CHENG Hui1，2， ZHENG Jingyou3， ZHONG Jiwei1，2， MEI Xiudao1，2， YE Zhongtao1，2
（1. Key Laboratory of Bridge Structure and Health of Hubei Province， Wuhan， China 430034；2. Institue of Bridge Science with Railway Major Bridge Engineering Group， Wuhan，China 430034； 3. Zhejiang Jinzhu Transportation Construction Co. Ltd.，Hangzhou， China 310010）

The deflection monitoring of the railway bridge reflects the integral vertical rigidity of the bridge. Since the deflection time travel curve reveals the bridge structure and load information， the research on the deflection monitoring data of heavy haul railway turns out that the deflection of the bridge is influenced by the live loads and the temperature fields. The paper puts forward the relevant warning index of bridge deflection through theanalysis of statistical maximum deflection distribution law of the bridge， the deflection and temperature dependent and the deflection normalization underthe full load condition. And meanwhile， the evaluation index of the deflection about The Railway Bridge Evaluation Criterion is extended.

Continuous Rigid Frame； Heavy Load； Deflection； Temperature Deflection； Deflection Normalization； Health Monitoring

TU470+.3

A

1674-3563（2016）03-0055-08

10.3875/j.issn.1674-3563.2016.03.009 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

（编辑：封毅）

2015-04-22

湖北省基金项目（2013CFA135；2013CFB457）

程辉（1978- ），男，湖北武汉人，高级工程师，硕士，研究方向：桥梁结构监测及分析