張宇飛 上海鐵路局上海工務段

基于軌檢車檢測數(shù)據(jù)的橋梁變形分析

張宇飛 上海鐵路局上海工務段

根據(jù)電子水準儀線上測量數(shù)據(jù)，總結(jié)了某鐵路橋梁的變形規(guī)律，然后結(jié)合數(shù)據(jù)分析探討了利用軌檢車檢測數(shù)據(jù)對鐵路橋梁變形進行監(jiān)測的可行性。最后，針對該鐵路橋梁變形規(guī)律，設計了4套軌面調(diào)整方案供鐵路工務部門參考。

變形監(jiān)測；鐵路橋梁；軌檢車；軌面調(diào)整

橋梁是國民經(jīng)濟的基礎結(jié)構(gòu)，是交通網(wǎng)絡的重要聯(lián)結(jié)。在正常的以及不可預期的荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同程度的變形甚至是破壞，因此對橋梁結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測是橋梁運營和管理階段非常重要的環(huán)節(jié)。特別是對于鐵路橋梁，輕微的梁體變形會導致其上部軌道結(jié)構(gòu)的變形，并最終表現(xiàn)為線路的長波高低不平順，而“平順性”是鐵路列車安全運行與旅客乘坐舒適性的重要保障，一旦出現(xiàn)不平順，必須采取積極主動的處理措施使線路恢復正常狀態(tài)。

軌檢車是一種用于檢測軌道幾何狀態(tài)動態(tài)檢測設備。對于某鐵路橋梁區(qū)段的日常動態(tài)檢測發(fā)現(xiàn)該區(qū)段經(jīng)常出現(xiàn)三級垂加警報，但其他不平順指標并無明顯超限，推測這一情況與該鐵路橋梁結(jié)構(gòu)變形有關(guān)，因此有必要對該鐵路橋梁變形進行監(jiān)測。

1 橋梁變形監(jiān)測

自上世紀以來，國內(nèi)外學者及工程人員針對橋梁變形監(jiān)測方法開展了廣泛的研究。橋梁變形監(jiān)測方法主要包括靜態(tài)測量儀器法、GPS法、激光法、連通管法、光纖傳感器法、微變形監(jiān)測雷達以及攝影測量法等。不同監(jiān)測方法具有各自適用范圍，本文采用傳統(tǒng)的電子水準儀法，在每月天窗點對該橋梁區(qū)段軌面高程進行了測量。經(jīng)過為期一年的監(jiān)測，總結(jié)其變形規(guī)律如圖1所示。在夏季環(huán)境溫度較高時，該鐵路橋梁中跨向上翹起，而兩邊跨則下凹；隨著環(huán)境溫度不斷降低，中跨變形形式由上凸發(fā)展為下凹，兩邊跨變形趨勢一致且與中跨相反。中跨變形幅度達到60 mm，邊跨變形幅度為30 mm。橋梁變形與環(huán)境溫度變化呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，因此推斷其變形主要是由溫度荷載導致。

圖1 橋梁變形規(guī)律示意圖

2 基于軌檢車檢測數(shù)據(jù)的橋梁變形分析

軌檢車檢測數(shù)據(jù)包括高低、軌向、軌距、水平、三角坑、車體加速度等。本文試圖探討利用軌檢車檢測數(shù)據(jù)對鐵路橋梁變形進行監(jiān)測的可行性。為此，本文選取了一年內(nèi)的軌檢車動態(tài)檢測數(shù)據(jù)用以分析說明。

2.1 分析方法

（1）分析指標

選擇高低、水平、三角坑、垂向加速度等項目在特定里程范圍內(nèi)各自的標準差作為分析指標。

（2）區(qū)段劃分

根據(jù)該鐵路橋梁所在里程，適當向前后延伸得到一段長度為400 m的數(shù)據(jù)分析區(qū)段。

（3）分析方法

分析檢測數(shù)據(jù)中各項目的標準差與橋梁變形幅值間的相關(guān)性。

2.2 相關(guān)性分析

對水平、左高低、右高低、以及三角坑在橋梁區(qū)段內(nèi)的標準差與橋梁變形的相關(guān)性進行定量計算，計算結(jié)果見圖2。

圖2 相關(guān)性分析結(jié)果

由圖2可知，橋梁區(qū)段內(nèi)的水平、高低和三角坑標準差與橋梁豎向變形幅值的相關(guān)度不高，即無法通過對上述三個檢測項目進行標準差分析估計橋梁豎向變形幅值。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是：

（1）橋梁的豎向變形是一種波長較長的“不平順“，本文所采用的檢測數(shù)據(jù)無法識別；

（2）諸如水平、高低和三角坑的軌道垂向不平順隨著運營時間增長逐漸惡化。

2.3 應用分析

橋梁區(qū)段內(nèi)的垂向加速度標準差與橋梁豎向變形幅值存在較高的相關(guān)性。以垂向加速度標準差為橫坐標，橋梁中跨變形幅值為縱坐標作圖，即可直觀地表現(xiàn)出兩者的對應關(guān)系，如圖3所示。

圖3 垂向加速度標準差與橋梁變形幅值對應關(guān)系

根據(jù)圖3中垂向加速度標準差與中跨變形幅值的對應關(guān)系，結(jié)合第2節(jié)中的橋梁變形規(guī)律，即可以推算出軌檢車檢測數(shù)據(jù)垂向加速度標準差與邊跨變形幅值的對應關(guān)系。

以中跨變形為例為例，說明如何利用軌檢車檢測數(shù)據(jù)對鐵路橋梁變形進行監(jiān)測，詳見表1。

表1 基于標準差分析法的軌檢車檢測數(shù)據(jù)應用分析表

獲取軌檢車檢測數(shù)據(jù)后，計算橋梁區(qū)段內(nèi)垂向加速度的標準差，，根據(jù)擬合公式 y=2346.8x^2-614.39x+39.712，估算橋梁中跨變形幅值。對比一年內(nèi)變形量的估算值與實際值，平均誤差為3.3 mm，誤差較小且具有可行性。

3 軌面調(diào)整方案設計

本文的研究對象雖然在豎向上存在較大幅度的變形，但是對其上部軌道的高低不平順影響并不顯著，無法簡單地根據(jù)高低不平順檢測結(jié)果對軌面進行調(diào)整。因此，本文提出了一種基于軌面高程線上監(jiān)測數(shù)據(jù)的軌面調(diào)整方案。針對該鐵路橋梁變形規(guī)律，本文共設計了4套軌面調(diào)整方案，以下為方案介紹。

方案A：橋梁年變形規(guī)律表明橋梁中跨的上拱幅度大于下?lián)戏?，而邊跨中心上拱與下?lián)系姆认嘟?。因此，調(diào)整方案為僅將中跨區(qū)域的軌面向下調(diào)整，以此減小鋼軌的絕對變形量。調(diào)整完成后，若無特殊情況不再對軌面進行調(diào)整。

方案B：調(diào)整方案僅對橋梁邊跨區(qū)域的軌面進行調(diào)整。通過抬高邊跨區(qū)域軌面高程，間接減小橋梁中跨與邊跨中心間的絕對變形幅值。調(diào)整完成后，若無特殊情況不再對軌面進行調(diào)整。

方案C：根據(jù)橋梁年變形規(guī)律，在橋梁出現(xiàn)較大豎向變形前對軌面進行反向調(diào)整，以此減小鋼軌在中跨和邊跨中心的絕對變形量。由于橋梁豎向變形存在上拱和下?lián)蟽煞N趨勢，所以每年需要對軌面進行兩次調(diào)整。

方案D：根據(jù)橋梁年變形規(guī)律，在橋梁出現(xiàn)較大豎向變形前對軌面進行反向調(diào)整，以此減小鋼軌在中跨和邊跨中心的絕對變形量。軌面高程調(diào)整不受扣件調(diào)高范圍（-4 mm，+26 mm）的限制，通過特殊扣件實現(xiàn)更大的調(diào)整量。同方案C，每年需要對軌面進行兩次調(diào)整。

從調(diào)整次數(shù)和調(diào)整量兩方面對上述4套軌面調(diào)整方案進行評價，評價結(jié)果如表2所示。

表2 調(diào)整方案評價結(jié)果

由表2可知，每年經(jīng)過兩次調(diào)整的方案C和方案D的調(diào)整工作量遠遠大于方案A和方案B，養(yǎng)護維修成本高。因此，建議采用方案A或方案B對橋梁區(qū)段內(nèi)軌道進行調(diào)整。

4 結(jié)論

本文主要得到以下結(jié)論：

（1）水平、高低以及三角坑在橋梁區(qū)段內(nèi)的標準差與橋梁變形幅值變化的相關(guān)性不顯著，無法用于橋梁變形的估算。

（2）橋梁區(qū)段內(nèi)的垂向加速度標準差與橋梁豎向變形幅值存在較高的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)達到0.86。

（3）利用回歸方程，對橋梁中跨中心處一年內(nèi)的變形幅值進行估算，并與實際值對比，平均誤差為3.3 mm，該方法能夠作為橋梁變形監(jiān)測的輔助手段。

（4）針對該鐵路橋梁變形規(guī)律，設計了4套軌面調(diào)整方案，對于鐵路養(yǎng)護維修工作具有一定借鑒意義。

責任編輯：宋飛 龔佩毅

來稿時間：2015-5-22