蔡建軍，劉 芳，楊連軍，唐 鋒

(1.上海鐵路局，上海 200071;2.上海鐵路局杭州工務(wù)段，浙江 杭州 310009;3.北京鐵科金弟測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100081)

1 概述

1.1 錢塘江大橋概況

錢塘江大橋是由我國(guó)著名橋梁專家茅以升先生設(shè)計(jì)并主持施工的第一座雙層式公鐵兩用特大橋。上層為雙車道公路，下層為單線鐵路。原設(shè)計(jì)荷載鐵路為E-50級(jí)，合中-21.5級(jí);公路為H-15級(jí)，合汽-11.7級(jí)。鐵路橋由1×13.76 m上承板梁+1×14.63 m上承板梁+16×65.84 m簡(jiǎn)支鋼桁梁+1×14.63 m上承板梁組成?，F(xiàn)鐵路橋?yàn)闇ダ@行線，橋梁中心里程為K8+219。橋上輔設(shè)有縫線路，直線。正橋1～6孔為平坡、7～12孔為 －3.2‰下坡、13～16孔為 －4.9‰下坡。正橋長(zhǎng)1 072 m，16孔簡(jiǎn)支鋼桁梁跨度為65.84 m，桁高10.7 m，主桁中心距6.1 m，除風(fēng)撐及公路承載部分外，均為鉻銅合金鋼制造，用鉚釘連接。正橋橋墩共15座，其中1#～6#墩直達(dá)巖層，7#～15#墩墩底深入沖刷線以下3～4 m，置放在27～30 m長(zhǎng)的木樁上，每墩160根，均深達(dá)巖層。

大橋于1937年9月通車后不久，即遭受戰(zhàn)爭(zhēng)破壞。1953年10月鋼梁修復(fù)后，大橋才恢復(fù)其設(shè)計(jì)的承載能力。至2006年，大橋經(jīng)歷了多項(xiàng)檢定試驗(yàn)和修復(fù)工程。2006年5月25日，錢塘江大橋被國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)列入第六批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位名單。目前大橋仍承擔(dān)著鐵路運(yùn)輸任務(wù)。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

根據(jù)2009年4月常規(guī)檢定試驗(yàn)結(jié)論，錢塘江大橋存在多項(xiàng)病害。2011年初，上海鐵路局工務(wù)處組織召開(kāi)“錢塘江大橋技術(shù)管理及安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專家研討會(huì)”，與會(huì)專家建議建設(shè)大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)大橋結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)響應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，為保障大橋運(yùn)營(yíng)安全和指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)和有效的技術(shù)手段。2012年2月上海鐵路局立項(xiàng)建設(shè)錢塘江大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)、橋墩振動(dòng)、橋梁支座位移和撓度的實(shí)時(shí)響應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以評(píng)估橋梁的動(dòng)力性能;對(duì)橋梁控制桿件和病害桿件所受應(yīng)力的實(shí)時(shí)響應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和疲勞特征。進(jìn)而評(píng)估橋梁安全狀態(tài)，并對(duì)超限狀態(tài)或非常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括:監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、安全評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)。

通過(guò)對(duì)大橋結(jié)構(gòu)的分析，并依據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)、大橋常規(guī)檢定試驗(yàn)結(jié)論、維修養(yǎng)護(hù)單位提供的結(jié)構(gòu)病害現(xiàn)狀，首先確定了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)而完成了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析模型建立、傳感器選型、設(shè)備研制與軟件開(kāi)發(fā)、安裝施工、系統(tǒng)調(diào)試與試運(yùn)行等項(xiàng)工作。2012年底，錢塘江大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)完成，進(jìn)入實(shí)際運(yùn)用階段。

2 大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

科學(xué)、合理地確定監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置是實(shí)現(xiàn)橋梁安全監(jiān)測(cè)目標(biāo)的前提。對(duì)監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了初始設(shè)計(jì)，再經(jīng)專家論證，結(jié)合橋梁實(shí)際狀況，經(jīng)過(guò)多次修改，最終確定了實(shí)施方案。

1)對(duì)重點(diǎn)鋼桁梁的振動(dòng)實(shí)時(shí)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)

錢塘江大橋使用年限長(zhǎng)，發(fā)生過(guò)多次損壞，病害點(diǎn)多，很多部位已經(jīng)無(wú)法修復(fù)。大橋的橫向剛度差，對(duì)行車安全構(gòu)成威脅，必須對(duì)重點(diǎn)鋼桁梁橫向振動(dòng)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為此，在第6，9，10和13孔鋼桁梁上布置了橫向振動(dòng)振幅、振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。為了更有效地評(píng)估橋梁安全狀態(tài)，在第6，10和13孔鋼桁梁上相應(yīng)布置了梁體豎向振動(dòng)振幅監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在第6，10孔鋼桁梁上布置了豎向振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2)對(duì)重點(diǎn)鋼桁梁控制桿件和問(wèn)題桿件的應(yīng)力實(shí)時(shí)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)

根據(jù)大橋常規(guī)檢定試驗(yàn)結(jié)果，主桁U3L3豎桿和跨中縱梁為剩余壽命控制桿件，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注第10，12和13孔鋼桁梁的臨界狀態(tài)，且第6和13孔梁存在明顯病害，需要對(duì)上述相應(yīng)桿件應(yīng)力實(shí)時(shí)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和疲勞特征。

3)對(duì)重點(diǎn)橋墩振動(dòng)實(shí)時(shí)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)

大橋第14號(hào)橋墩基礎(chǔ)曾經(jīng)出現(xiàn)病害，雖然經(jīng)過(guò)大修加固，仍然需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與相鄰正常橋墩進(jìn)行比對(duì)分析。為此，在第13，14號(hào)橋墩墩頂布置了橫向振動(dòng)振幅和豎向振動(dòng)振幅監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4)對(duì)重點(diǎn)結(jié)構(gòu)位移特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)

大橋第10孔鋼桁梁銹蝕嚴(yán)重，因此選取其作為典型梁體進(jìn)行結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)，同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)，以綜合評(píng)估結(jié)構(gòu)位移實(shí)時(shí)響應(yīng)特性。為此，在相應(yīng)梁體活動(dòng)支座端布置縱向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和梁體溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

5)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)撓度特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)

大橋主桁動(dòng)撓度是橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的重要特征參數(shù)，但由于目前橋梁撓度實(shí)時(shí)響應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)尚不成熟，有針對(duì)性地開(kāi)展了橋梁動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，在第6孔鋼桁梁上布置了撓度實(shí)時(shí)響應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

6)對(duì)橋上行車情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)

行車情況監(jiān)測(cè)包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)觸發(fā)和車速監(jiān)測(cè)，為此在相應(yīng)部位鋼軌側(cè)面布置了車軸監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)與特點(diǎn)

1)系統(tǒng)用戶

錢塘江大橋由上海鐵路局杭州工務(wù)段管轄，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了大橋車間和工務(wù)段兩級(jí)用戶，通過(guò)鐵路綜合IT網(wǎng)進(jìn)行大橋安全監(jiān)測(cè)信息發(fā)布和數(shù)據(jù)管理。而路局用戶可以通過(guò)工務(wù)段信息系統(tǒng)進(jìn)入本系統(tǒng)，查閱相關(guān)信息。系統(tǒng)多級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)多級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

大橋車間位于大橋杭州端橋頭，在大橋車間設(shè)置了專用的大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)房。安裝在機(jī)房的大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器是大橋長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集匯、存儲(chǔ)和處理中心，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、安全評(píng)估和信息發(fā)布，以及系統(tǒng)控制和系統(tǒng)維護(hù)工作。在大橋車間和工務(wù)段設(shè)置了系統(tǒng)終端。大橋車間用戶管理和技術(shù)需求有限，因此大橋車間系統(tǒng)終端只需具有系統(tǒng)維護(hù)功能和基本信息顯示功能，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)捷明了。杭州工務(wù)段位于杭州市區(qū)，遠(yuǎn)離大橋車間，其系統(tǒng)終端為大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和信息瀏覽終端。工務(wù)段用戶管理和技術(shù)需求全面，因此其系統(tǒng)終端功能不僅包含大橋車間系統(tǒng)終端功能，還包括遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、安全評(píng)估和大橋養(yǎng)護(hù)維修輔助決策等功能。

2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、信號(hào)采集控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、三維信息展示系統(tǒng)、安全評(píng)估與報(bào)警系統(tǒng)、局域網(wǎng)通信系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制與維護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

每當(dāng)列車通過(guò)大橋時(shí)，信號(hào)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集傳感器信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(無(wú)線局域網(wǎng))將采集數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行橋梁安全評(píng)估和報(bào)警。通過(guò)鐵路綜合IT網(wǎng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大橋車間、工務(wù)段、路局三級(jí)信息共享;通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程故障診斷、系統(tǒng)維護(hù)，以及數(shù)據(jù)挖掘、專家論證等。

3)系統(tǒng)特點(diǎn)

錢塘江大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與其它國(guó)內(nèi)鐵路橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比具有如下特點(diǎn):

①大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重點(diǎn)對(duì)影響橋梁運(yùn)營(yíng)安全的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、安全評(píng)估、預(yù)警、報(bào)警，其監(jiān)測(cè)目的和監(jiān)測(cè)方式與橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)橋梁狀態(tài)和環(huán)境因素進(jìn)行全面或廣泛的監(jiān)測(cè)是不同的。這種橋梁安全監(jiān)測(cè)方式特別適用于鐵路老齡橋、病害橋和重點(diǎn)橋梁長(zhǎng)期的安全監(jiān)測(cè)。

②采用了基于無(wú)線局域網(wǎng)通信技術(shù)的分布式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)。無(wú)線數(shù)據(jù)通信方式和分布式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)徹底解決了橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器、信號(hào)采集設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)備之間信號(hào)、通信線纜布線與維護(hù)困難的問(wèn)題，大大提高了橋梁監(jiān)測(cè)的技術(shù)水平和工作效率，降低了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)成本，使得系統(tǒng)更加實(shí)用。分布式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)也有利于系統(tǒng)規(guī)模和功能的靈活調(diào)整，適用于各種應(yīng)用環(huán)境，特別是跨度大、監(jiān)測(cè)點(diǎn)多且位置分散的大型復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。

③采用的信號(hào)采集設(shè)備是為鐵路橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制的專用設(shè)備。該設(shè)備集成了針對(duì)各類傳感器的信號(hào)調(diào)理功能模塊，設(shè)備集成度高、通用性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單。通過(guò)程控遙測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)了傳感器的識(shí)別與測(cè)試、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備調(diào)試和信號(hào)采集控制功能，操作簡(jiǎn)單;通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)通信方式進(jìn)行采集數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速度快、有效傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高。在鐵路電氣化區(qū)段環(huán)境下，抗干擾性好、穩(wěn)定性高。

④系統(tǒng)應(yīng)用軟件功能強(qiáng)、分析結(jié)果準(zhǔn)確、涵蓋范圍廣、運(yùn)行穩(wěn)定、可擴(kuò)展性和移植性高，與路局工務(wù)檢測(cè)所采用的橋梁檢測(cè)分析軟件數(shù)據(jù)格式兼容。在數(shù)據(jù)處理方面，包括了數(shù)據(jù)平滑、極值分析、頻譜分析、統(tǒng)計(jì)分析、雨流法分析和安全評(píng)估與報(bào)警功能。用戶端軟件界面友好、簡(jiǎn)潔易用，采用三維圖形顯示方式為用戶提交監(jiān)測(cè)信息，并通過(guò)用戶權(quán)限管理方式，為各類用戶提供各自所需的功能。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與安全評(píng)估

在列車通過(guò)橋梁時(shí)，從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)啟動(dòng)到列車全部出橋后終止數(shù)據(jù)采集所進(jìn)行的一次完整的數(shù)據(jù)采集稱為結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集的一個(gè)測(cè)次。在數(shù)據(jù)采集完成后，需要對(duì)所得到的采樣信號(hào)(數(shù)據(jù)信號(hào))進(jìn)行預(yù)處理。本系統(tǒng)采用了五點(diǎn)二次數(shù)據(jù)平滑處理技術(shù)，其主要作用是過(guò)濾掉數(shù)字信號(hào)中一些噪聲(如熱噪聲)產(chǎn)生的干擾。

3.1 振動(dòng)實(shí)時(shí)響應(yīng)分析與安全評(píng)估

1)振動(dòng)實(shí)時(shí)響應(yīng)分析

橋梁振動(dòng)實(shí)時(shí)響應(yīng)信號(hào)分析是對(duì)列車通過(guò)橋梁時(shí)每個(gè)測(cè)次數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，計(jì)算振動(dòng)振幅的極值、平均值;對(duì)某個(gè)時(shí)間段內(nèi)時(shí)域信號(hào)分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，進(jìn)行日、月、季、年的振動(dòng)振幅極值統(tǒng)計(jì)與趨勢(shì)分析;以及對(duì)特定監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，計(jì)算強(qiáng)振頻率與卓越振動(dòng)頻率。

數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)域分析采取逐點(diǎn)比較方式計(jì)算極值(最大值或最小值的絕對(duì)值)和平均值。由于橋梁振動(dòng)實(shí)時(shí)響應(yīng)信號(hào)的激勵(lì)源為列車通過(guò)橋梁時(shí)輪軌之間作用力，因此振動(dòng)信號(hào)具有一定的特征。理論計(jì)算和試驗(yàn)分析表明，有效的橋梁振動(dòng)實(shí)時(shí)響應(yīng)信號(hào)頻率范圍可選擇為0.5～20.0 Hz。針對(duì)錢塘江大橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和橋上通過(guò)的典型列車，振動(dòng)信號(hào)主要諧波的典型頻率為1.0～1.5 Hz，所以在對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析前，需要通過(guò)信號(hào)采集設(shè)備或數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行信號(hào)濾波處理。

通過(guò)對(duì)振動(dòng)振幅極值的統(tǒng)計(jì)分析，可為橋梁安全評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步判斷橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的變化趨勢(shì)。

在進(jìn)行振動(dòng)實(shí)時(shí)響應(yīng)頻域分析時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)《規(guī)范》，預(yù)先設(shè)定需要進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)頻率計(jì)算的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。對(duì)于其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)，也可以提取信號(hào)主要諧波的信號(hào)頻率，不過(guò)此時(shí)的信號(hào)頻率就不是強(qiáng)振頻率，而是振幅最大諧波的頻率。對(duì)于有些信號(hào)，該頻率也能反映出特定問(wèn)題。如列車通過(guò)橫梁上彎曲應(yīng)力的主諧波頻率值的大小可以反映列車的速度。

強(qiáng)迫振動(dòng)頻率數(shù)值分析模型是通過(guò)查找振動(dòng)振幅、加速度信號(hào)絕對(duì)值最大值發(fā)生的時(shí)刻，在其前后各提取大約5 s的信號(hào)數(shù)值，得到大約10 s的信號(hào)時(shí)域波形，進(jìn)行快速傅里葉變換處理，通過(guò)頻域分析得到主要振動(dòng)諧波的頻率，即強(qiáng)迫振動(dòng)頻率。以該諧波頻率為中心頻率，兩邊各取0.5 Hz為頻率寬度，在該頻率范圍內(nèi)再重新進(jìn)行細(xì)化譜分析，得到精確的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率，稱為卓越振動(dòng)頻率。需要說(shuō)明的是，進(jìn)行快速傅里葉變換處理時(shí)要合理選擇時(shí)間窗函數(shù)，以減少泄漏。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種窗函數(shù)，缺省值設(shè)置為漢寧(Hanning)窗。

一般可設(shè)定對(duì)幾個(gè)重要監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)頻率分析，如跨中橫向振動(dòng)振幅、振動(dòng)加速度信號(hào)?；谡駝?dòng)振幅的強(qiáng)振頻率與基于振動(dòng)加速度的強(qiáng)振頻率不會(huì)一致，它們所對(duì)應(yīng)的諧波分量不是同一個(gè)。因?yàn)檎駝?dòng)加速度除了與振動(dòng)振幅成正比外，還與振動(dòng)頻率的平方成正比，振動(dòng)加速度對(duì)頻率特別敏感。

2)安全評(píng)估方法

據(jù)《規(guī)范》鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)性能檢驗(yàn)有兩個(gè)判別值:通常值和行車安全限值。針對(duì)振動(dòng)實(shí)時(shí)響應(yīng)的安全評(píng)估是將監(jiān)測(cè)點(diǎn)在列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)振幅和強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與其通常值、安全限值相比較而進(jìn)行的。

在振動(dòng)實(shí)時(shí)響應(yīng)的安全評(píng)估時(shí)，系統(tǒng)采用了分級(jí)預(yù)警和報(bào)警的方式，即將安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置分為5級(jí)，如表1所示。

表1 安全評(píng)估分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 應(yīng)力實(shí)時(shí)響應(yīng)分析與安全評(píng)估

1)應(yīng)力實(shí)時(shí)響應(yīng)分析

應(yīng)力實(shí)時(shí)響應(yīng)分析是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行疲勞分析，其原理是用雨流法處理應(yīng)力時(shí)域信號(hào)，得到某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變幅的統(tǒng)計(jì)特征，綜合這些統(tǒng)計(jì)特征和橋梁材料的疲勞特性參數(shù)，進(jìn)而對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在的結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行疲勞分析，包括累計(jì)損傷、累計(jì)損傷度、最大應(yīng)力、等幅等效應(yīng)力和疲勞抗力。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)累計(jì)，還可以得到被監(jiān)測(cè)的橋梁桿件使用壽命的估算值。

疲勞分析算法主要依據(jù)Miner法則作為評(píng)估損傷的理論基礎(chǔ)，以損傷度為1作為疲勞破壞判據(jù)，首先計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)桿件的應(yīng)力譜，然后進(jìn)行疲勞分析。疲勞抗力S－N曲線方程式為

式中:N為疲勞循環(huán)次數(shù)，Δσ為疲勞應(yīng)力幅，m為疲勞曲線斜率，C為常數(shù)。

計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力譜，應(yīng)根據(jù)其所在桿件構(gòu)造細(xì)節(jié)，確定其疲勞抗力S－N曲線參數(shù)。錢塘江大橋主桁桿件主要為鉚接連接方式，因此不難確定其疲勞抗力S－N曲線的參數(shù)C和m。

因系統(tǒng)采集到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)時(shí)響應(yīng)信號(hào)為應(yīng)變，數(shù)據(jù)量很大，但疲勞分析需要的是應(yīng)力幅，所以為減少數(shù)據(jù)處理計(jì)算量，先不將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為應(yīng)力，而是先直接對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行極值處理，統(tǒng)計(jì)出波峰和波谷值，再用雨流法進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，然后將得到的應(yīng)變數(shù)組轉(zhuǎn)化為應(yīng)力數(shù)組。經(jīng)分析，設(shè)定所測(cè)橋梁的最大應(yīng)力幅不會(huì)超過(guò)150 MPa，可將其應(yīng)力幅分成15個(gè)區(qū)間，如表2。

經(jīng)雨流法計(jì)數(shù)處理得到數(shù)組n［i］，為在第i段應(yīng)力區(qū)間應(yīng)力幅發(fā)生次數(shù)。應(yīng)力幅與其所發(fā)生次數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為應(yīng)力譜。不考慮疲勞截止限的作用，用應(yīng)力幅Δσri(取區(qū)間的平均值)和對(duì)應(yīng)的發(fā)生次數(shù)n［i］來(lái)計(jì)算實(shí)際損傷Rdam

表2 應(yīng)力區(qū)間與其發(fā)生次數(shù)

因?yàn)闃蛄簵U件構(gòu)造細(xì)節(jié)不同，其疲勞抗力曲線是不相同的，疲勞截止應(yīng)力也不相同。計(jì)算損傷時(shí)通?？紤]疲勞截止限的作用，小于疲勞截止限的應(yīng)力幅不計(jì)入疲勞損傷。加設(shè)實(shí)際疲勞損傷這一項(xiàng)就是假設(shè)任一應(yīng)力循環(huán)都對(duì)結(jié)構(gòu)有一定的影響，從另一角度來(lái)定性地比較出最不利位置，從而彌補(bǔ)由于疲勞抗力曲線選取的偏差而帶來(lái)的分析結(jié)果的偏差。

對(duì)所有的應(yīng)力幅值進(jìn)行比較，可以得出每次列車通過(guò)橋梁時(shí)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)桿件所受應(yīng)力的最大幅值Δσmax。通過(guò)最大應(yīng)力幅，可以將各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所受的動(dòng)應(yīng)力效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，得到受影響最大的測(cè)點(diǎn)，同時(shí)也可與其所在細(xì)節(jié)的疲勞截止限進(jìn)行比較，更加直觀、便捷地評(píng)定是否有損傷。如果該監(jiān)測(cè)點(diǎn)所經(jīng)歷的最大應(yīng)力幅小于疲勞截止限，就可判定該部位的動(dòng)應(yīng)力尚不會(huì)造成疲勞損傷。

2)安全評(píng)估方法

鋼橋疲勞屬于變幅、低應(yīng)力、高循環(huán)長(zhǎng)壽命的高周疲勞范疇。在變幅荷載作用下進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估關(guān)鍵是建立變幅疲勞強(qiáng)度和常幅疲勞強(qiáng)度之間的聯(lián)系。目前應(yīng)用于橋梁中最方便的可能是用等效應(yīng)力幅的概念來(lái)表達(dá)變幅應(yīng)力譜，就是對(duì)變幅應(yīng)力譜中不同大小的應(yīng)力幅對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷用一個(gè)與之等效的常值應(yīng)力幅來(lái)表示。通過(guò)等效應(yīng)力幅與該構(gòu)造細(xì)部在疲勞抗力曲線中同等發(fā)生次數(shù)對(duì)應(yīng)的造成疲勞破壞應(yīng)力幅比較，定性地檢驗(yàn)受力桿件的安全性。

基于上述思路，對(duì)所監(jiān)測(cè)的橋梁桿件進(jìn)行安全評(píng)估，需計(jì)算等效應(yīng)力幅Δσe和總次數(shù)對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)力幅 Δσ0。

疲勞抗力曲線的破壞應(yīng)力幅

定性的假定是在循環(huán)次數(shù)為N時(shí)發(fā)生疲勞破壞，如Δσe＜Δσ0則定性地表示安全，否則應(yīng)予以報(bào)警。通常情況下，Δσe比Δσ0小得多，也就說(shuō)明所監(jiān)測(cè)部位具有較長(zhǎng)的疲勞壽命。

由式(1)通過(guò)Δσi和疲勞抗力曲線的常數(shù)C可求出Ni，其中Δσi取每個(gè)應(yīng)力區(qū)間段的平均值，即在0～10 MPa的應(yīng)力區(qū)間為5 MPa，10～20 MPa的應(yīng)力區(qū)間取15 MPa，以此類推。

取Nl=107作為疲勞曲線截止限對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，利用上述公式求出疲勞曲線截止限Δσl，應(yīng)力幅值＜Δσl的不計(jì)入累計(jì)損傷，損傷度為

理論上，當(dāng)D=1時(shí)，發(fā)生疲勞破壞;若D＜1，則尚未發(fā)生疲勞破壞。D值的大小由監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在構(gòu)件以往的應(yīng)力歷程確定。

許多研究試驗(yàn)結(jié)果表明，構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞時(shí)并不一定D=1.0，而是D＞1.0或D＜1.0。這是由于Miner定律沒(méi)有考慮不同應(yīng)力幅作用的先后次序?qū)?gòu)件疲勞壽命的影響，并把低于常幅疲勞極限的應(yīng)力幅視為無(wú)損傷作用造成的。實(shí)際上，為簡(jiǎn)化計(jì)算仍取D=1.0時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)。對(duì)于每個(gè)橋梁桿件監(jiān)測(cè)點(diǎn)，橋上每通過(guò)一次列車計(jì)算一次損傷度，并不斷累加，用Σ Di來(lái)表示損傷度累加值。

通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，在大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本累計(jì)基礎(chǔ)上，使用損傷度累加值可以進(jìn)行橋梁桿件壽命的估算。選取一個(gè)實(shí)測(cè)周期T，根據(jù)在此實(shí)測(cè)周期里的總的損傷度和Σ D，得到桿件使用壽命估算值Y和剩余壽命估算值Yl。

4 結(jié)語(yǔ)

鐵路橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，更適用于鐵路老齡橋、病害橋和重點(diǎn)橋梁的長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)。其首要目標(biāo)是保障鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)安全，監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)結(jié)合橋梁實(shí)際情況，重點(diǎn)突出，目的明確，避免大而全。該系統(tǒng)更側(cè)重于橋梁的安全性評(píng)估及為橋梁管理與養(yǎng)護(hù)維修科學(xué)決策提供技術(shù)支持。

橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成了多種先進(jìn)技術(shù)，如傳感器、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并涉及了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)理論、橋梁檢定規(guī)范、數(shù)值分析理論與方法等多學(xué)科，因此，設(shè)計(jì)與建設(shè)橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性的工作，需要多專業(yè)融合、科學(xué)論證，才能保證安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性、有效性和可實(shí)施性。

采用橋梁安全監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于鐵路工務(wù)單位是一種技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新，具有很大的挑戰(zhàn)性。在“建設(shè)好、使用好、維護(hù)好”橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作中，“使用好”和“維護(hù)好”橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的困難更大。對(duì)于鐵路基層工務(wù)單位而言，管理和使用人員的技術(shù)能力、專業(yè)限制很大，必須探索新的技術(shù)管理模式，才能保障系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行和使用，才能發(fā)揮出橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效用。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路橋梁檢定規(guī)范［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2011:134-139.

［2］上海鐵路局技術(shù)中心，西南交通大學(xué).橋梁檢定評(píng)估試驗(yàn)報(bào)告——滬昆繞行線K8+219錢塘江大橋常規(guī)檢定試驗(yàn)［R］.上海:上海鐵路局技術(shù)中心，2009.

［3］鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.蕪湖長(zhǎng)江大橋長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、安全評(píng)估及報(bào)警系統(tǒng)(斜拉橋部分)［R］.北京:鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2005.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.