合福高铁铜陵公铁两用长江大桥梁端伸缩监控技术研究

许黎明 中国铁路上海局集团有限公司芜湖工务段

1 监测工点概况

图1 铜陵长江大桥钢轨伸缩调节器和抬轨装置

铜陵公铁两用长江大桥斜拉桥全长1 290 m，主跨为630 m，桥跨布置为（90+240+630+240+90）m，采用三桁三索面结构。铁路桥面上采用有砟轨道，主桥钢桁梁梁端设置钢轨伸缩调节器和伸缩装置。钢轨伸缩调节器采用BWG SA60-1200型单向钢轨伸缩调节器，允许伸缩量±600 mm，是目前我国铁路桥梁的最大伸缩量程。由于桥梁梁缝的变化量直接影响到钢轨伸缩调节器的服役状态，若梁缝值超出调节器的最大伸缩量程，将会导致调节器超量程使用；若两端的梁缝值的伸缩量程不一致，将会导致主跨钢桁梁的扭曲变形，可能危及行车安全，因此有必要对梁缝值进行监测监控。铜陵长江大桥梁端钢轨伸缩调节器和抬轨装置如图1所示。

2 监测方法

振弦式监测方法是一种技术成熟且被广泛应用的监测方法。振弦式监测方法具有数字传感器在应用和传输中的诸多优点，在信号传输理论中线路阻抗的变化频率信号值是不受影响的，所以振弦式传感器可以方便地实现长电缆远距离的传输，传输的信号不会衰减，因此也不需要进行修正。

振弦式传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉力的大小,通过相应的测量电路,就可得到与拉力成一定关系的电信号。通过传感器将这些电信号传输到采集仪里，采集仪经过信号处理还原，得到所需要的监测物理量。

根据铜陵长江大桥梁端钢轨伸缩调节器的伸缩量，选用量程为±650 mm的拉线式振弦位移传感器。如图2所示，其各项技术指标见表1。

图2 拉线式振弦位移传感器

表1 位移传感器的技术指标

3 监测系统

振弦式监测系统由数据测量单元、数据传输单元、数据管理分析单元、防雷接线端单元、供电单元等组成。如图3所示。

图3 监测系统拓扑图

数据测量单元测量梁缝值，利用数据采集传输单元对监测数据进行采集、备份，并借助无线网络传输给数据管理分析单元，最终完成数据的存储、查询、分析和预测预警等功能。防雷端接线单元主要是对现场的数据测量单元提供防雷保护，供电单元主要是为数据测量单元和数据传输单元提供电源。

3.1 数据测量单元

数据测量单元由安装在桥梁梁缝处的位移传感器组成。桥梁梁缝位移传感器一端固定在混凝土桥的挡墙上，一端焊接在钢桥的上。为保证传感器的状态和安全，在传感器的外侧安装了防护罩。现场在铜陵长江大桥铜陵端梁缝和无为端梁缝分别设置2个桥梁梁缝位移传感器，传感器分别位于线路的上行线侧和下行线侧（见图4、图5）。

图4 传感器测点布置位置示意图（单位：m）

图5 现场安装的位移传感器及其保护罩

3.2 数据传输单元

数据传输单元主要由数据采集仪、无线路由器、数字量集线器、固态硬盘等部分组成。

数据采集仪主要对传感器的数据进行采集，数字量集线器主要是对传感器进行统一接线后接入采集仪，无线路由器主要是将采集到的数据进行无线传输，固态硬盘是对采集到的数据现场进行存储备份。

图6 为数据采集机柜组成示意图。图6中①为空气开关，②为电源，③为无线路由器，④为数字量集线器，⑤为温度变送器，⑥为静态数据采集仪，⑦为固态硬盘，⑧为数字量信号线，⑨为模拟量信号线，⑩为电源线。

图6 数据采集机柜

3.3 数据管理分析单元

数据管理分析单元包括数据接收模块、数据管理模块和数据分析模块。

数据接收模块接收现场无线路由器通过无线网络传输来的原始数据，数据管理模块将原始数据转化为统一格式存储于数据库内。数据分析模块对数据库内的监测数据进行分析处理，通过管理信息系统可以实现数据查询（见图7）、数据下载、数据对比分析等功能。

图7 数据处理分析系统中桥梁梁缝位移曲线

数据管理信息系统还具备预警功能。由于铜陵长江大桥梁端钢轨伸缩调节器允许的最大梁缝值为1 200 mm，当监测值大于1 200 mm时，系统会自动将预警信息以短信的方式发送到大桥管理人员的手机上。

4 监测数据分析

通过对大桥梁缝伸缩位移量监测系统，现选取现选取2020年4月20日至6月30日的监测数据进行分析。

4.1 桥梁两端桥梁梁缝值分析

图8 为铜陵长江大桥铜陵端和无为端桥梁梁缝值随时间变化曲线。从图中可以看出：

（1）无为端线路上行侧梁缝的变化范围为（470.9~602.8）mm，线路下行侧梁缝的变化范围为（469.6~601.4）mm，无为端线路上、下行两侧梁缝的变化值十分接近，说明桥梁在温度荷载作用下是均匀伸缩的，梁端没有发生明显的扭转。

（2）铜陵端线路上行侧梁缝的变化范围为（535.8~705.8）mm，线路下行侧梁缝的变化范围为（536.9~706.6）mm，铜陵端线路上、下行两侧梁缝的变化值十分接近，说明桥梁在温度荷载作用下是均匀伸缩的，梁端没有发生明显的扭转。

图8 桥梁梁缝值随时间变化曲线

图9 为铜陵端与无为端梁缝值的比值随时间变化趋势。从图9可以看出，铜陵长江大桥两端的梁缝值比值在1.03~1.36。铜陵长江大桥孔跨布置由北向南为:（4×32.7）m简支梁+（90+240+630+240+90）m五跨连续钢桁梁斜拉桥+34×32.7 m简支梁，对于主桥而言，梁两端对应的温度跨度是相同的，主要取决于梁端相邻的简支梁温度跨度。由于铜陵侧简支梁的活动支座靠近梁端，无为侧简支梁的固定支座靠近梁端，因此铜陵侧的桥梁温度跨度为678 m，无为侧的桥梁温度跨度为645 m，比值为1.05，与监测的梁缝值比值接近，说明桥梁梁端的伸缩与桥梁的温度跨度密切相关。

图9 铜陵端与无为端梁缝值比值随时间变化趋势

4.2 桥梁梁缝值与大气温度关系分析

图10 为大气温度和桥梁梁缝值随时间变化趋势。从图10中可以看出，桥梁梁缝值的变化趋势与气温的变化趋势相反。当温度升高时，桥梁梁缝减小，当温度降低时，桥梁梁缝增大。

图10 桥梁梁缝值与大气温度随时间变化趋势

5 结论

桥梁梁缝的变化量直接影响到钢轨伸缩调节器的服役状态。为保证钢轨伸缩调节器的正常使用，采用振弦式监测系统对铜陵长江大桥梁梁端的梁缝值进行了长期监测，并对2020年4月20日至6月30日的监测数据进行分析，主要结论如下。

（1）目前铜陵长江大桥梁端的最大梁缝值为706.6 mm，小于调节器的最大允许伸缩量1 200 mm，调节器服役状态正常。

（2）桥梁在温度荷载作用下是均匀伸缩的，梁端没有发生明显的扭转。

（3）铜陵长江大桥两端的梁缝值比值在1.03~1.36。铜陵侧的桥梁温度跨度与无为侧的桥梁温度跨度比值为1.05，与监测的梁缝值比值，说明桥梁梁端的伸缩与桥梁的温度跨度密切相关。

（4）桥梁梁缝值的变化趋势与气温的变化趋势相反。当温度升高时，桥梁梁缝值减小，当温度降低时，桥梁梁缝位移值增大。