王樂(lè)然，趙相卿，肖祥淋

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

高原高寒地區(qū)橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

王樂(lè)然1，趙相卿2，肖祥淋1

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

為準(zhǔn)確掌握惡劣環(huán)境和列車荷載的共同作用下，青藏鐵路混凝土橋梁的服役狀態(tài)和病害發(fā)展，同時(shí)為類似條件下進(jìn)行橋梁監(jiān)測(cè)提供借鑒，針對(duì)青藏鐵路沿線K973石灰溝特大橋的墩梁振動(dòng)特性和既有病害的發(fā)展展開了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。實(shí)踐證明:現(xiàn)場(chǎng)太陽(yáng)能供電和GSM/GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸條件，基本可以支撐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常工作;專門研發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集分析設(shè)備和軟件調(diào)控平臺(tái)，能夠適應(yīng)高原高寒地區(qū)混凝土橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需要，系統(tǒng)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，石灰溝特大橋既有橋臺(tái)前傾的病害發(fā)生并穩(wěn)定后，對(duì)相鄰梁體及橋墩的工作狀態(tài)暫無(wú)不利影響。

青藏鐵路 橋梁 監(jiān)測(cè)

青藏鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的工程問(wèn)題和病害主要由地基多年凍土引起，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程單位圍繞凍土病害進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐活動(dòng)。針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的研究工作，主要從提高結(jié)構(gòu)耐久性和減少橋梁工程對(duì)凍土的擾動(dòng)等方面開展。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院、鐵道專業(yè)設(shè)計(jì)院、中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院、北方交通大學(xué)等研究設(shè)計(jì)單位，從青藏鐵路橋梁工程的結(jié)構(gòu)、材料和工藝等方面研究了橋梁結(jié)構(gòu)形式和提高耐久性的措施，諸如采用摻加改性材料和外加劑的高性能混凝土、較大跨度的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)、先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁、圓柱面鋼支座以及真空灌漿工藝等措施，可以較好地適應(yīng)施工和使用環(huán)境條件，減少對(duì)凍土干擾，從整體上提高橋梁的耐久性［1-4］。前期的研究工作主要集中于橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工階段。本文通過(guò)2011—2012年青藏鐵路昆侖山區(qū)石灰溝特大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)營(yíng)，對(duì)高原高寒地區(qū)的橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了初步探索。

1 橋梁監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

2009年，根據(jù)對(duì)青藏鐵路橋梁服役狀態(tài)的調(diào)查分析，擬重點(diǎn)針對(duì)中心里程為K973+551等具有典型病害的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁實(shí)施監(jiān)測(cè)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，病害橋梁位于北緯35°的昆侖山區(qū)，海拔4 700 m以上，區(qū)內(nèi)年平均氣溫在-3.5℃以下，多年凍土厚度在20～100 m，年平均地溫為-2℃～-3℃，現(xiàn)場(chǎng)氣壓為0.5～0.6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，年平均濕度為33%，實(shí)際日間陽(yáng)光照射時(shí)間不足6 h，現(xiàn)場(chǎng)僅有鐵路專用電和GSM-R鐵路專用通訊網(wǎng)絡(luò)、GSM/GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等供電和通訊條件。

列車作為鐵路橋梁的主要運(yùn)營(yíng)荷載，其通過(guò)時(shí)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響較大且頻繁，是鐵路橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。青藏鐵路實(shí)際運(yùn)營(yíng)的車輛多為行包車和客車，牽引機(jī)車采用從美國(guó)GE引進(jìn)的23 t軸重NJ2型內(nèi)燃機(jī)車，貨車車輛多為棚車P62，P64，P65，P70，P80以及敞車C64等。青藏鐵路行車頻率較低，每天約20列，機(jī)車車輛軸重較小，過(guò)橋速度較低，約為30～40 km/h。

根據(jù)實(shí)際調(diào)研結(jié)果和需求分析，青藏鐵路橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備應(yīng)具備以下功能。

1)監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)涵蓋橋梁梁體以及病害墩臺(tái)、支座等部位。

2)設(shè)備結(jié)構(gòu)合理耐用、功能模塊化、低功耗，以滿足分布式區(qū)域監(jiān)測(cè)大量使用的需求。

3)數(shù)據(jù)信號(hào)以動(dòng)態(tài)模擬信號(hào)為主，為不過(guò)分增加傳輸負(fù)擔(dān)，在滿足使用的前提下，采樣精度以夠用為原則，現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)應(yīng)具備濾波、積分、放大等基本調(diào)理功能，同時(shí)應(yīng)保證在青藏鐵路沿線環(huán)境下系統(tǒng)的耐候性和可靠性;對(duì)于不同測(cè)試內(nèi)容和信號(hào)內(nèi)容的數(shù)據(jù)采集，應(yīng)通過(guò)設(shè)計(jì)相互獨(dú)立功能模塊實(shí)現(xiàn)，并與功能控制部分分離，以提高采集部分的可靠性和耐久性。

4)考慮到鐵路橋梁監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)條件，采集和傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的器件選型和外殼設(shè)計(jì)至少應(yīng)適應(yīng)-40℃～50℃的工作溫度，并具備防水功能。

5)列車行車時(shí)間相對(duì)固定，因此可通過(guò)定時(shí)觸發(fā)實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)的模式轉(zhuǎn)換。

6)使用太陽(yáng)能電源。

7)鐵路沿線覆蓋無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，采用無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸，可大大降低系統(tǒng)安裝難度，有利于多點(diǎn)分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布局和功能實(shí)現(xiàn)(圖1)。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，可以自由地增加監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、擴(kuò)大監(jiān)測(cè)區(qū)域，用戶可以通過(guò)手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和查詢。

8)軟件平臺(tái)界面簡(jiǎn)潔、清晰，易操作。

圖1 多點(diǎn)分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布局

2 橋梁監(jiān)測(cè)實(shí)施

根據(jù)對(duì)青藏鐵路橋梁實(shí)施監(jiān)測(cè)的功能需求，采用多點(diǎn)分布監(jiān)測(cè)的低功耗模塊式無(wú)線采集/傳輸系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控軟件平臺(tái)(圖2)，該系統(tǒng)采用獨(dú)立模塊化可靠設(shè)計(jì)，集各類常用動(dòng)靜態(tài)信號(hào)的調(diào)理、采集、傳輸以及系統(tǒng)管理與控制于一體，使用操作簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便。

圖2 數(shù)據(jù)采集和分析調(diào)控平臺(tái)

主要功能特點(diǎn)如下:

1)供電電源反接保護(hù);

2)供電電源電壓檢測(cè);

3)備用電源供電的時(shí)鐘模塊，可避免主電掉電時(shí)時(shí)鐘丟失;

4)可控DC-12V電源輸出;

5)SD卡大容量本地存儲(chǔ);

6)遠(yuǎn)程雙向GSM/GPRS數(shù)據(jù)傳輸;

7)用戶手機(jī)終端可隨時(shí)獲取系統(tǒng)狀態(tài)并進(jìn)行控制;

8)運(yùn)行模式可選擇:自動(dòng)/正常;

9)節(jié)能模式設(shè)定;

10)具備全雙工RS485、串行RS232以及CAN總線接口;

11)定時(shí)觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)工作、待機(jī)等模式轉(zhuǎn)換。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)石灰溝大橋中心里程為K973+551.02，全長(zhǎng)504.2 m，中心里程處軌底海拔高度為4 720.59 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)為15孔預(yù)應(yīng)力混凝土雙片式T梁，圖號(hào)為青藏耐久梁07。支座采用QZ-YZM圓柱面鋼支座，格爾木端為固定端。下部結(jié)構(gòu)為T形臺(tái)、圓形橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載為中—活載。橋上線路為直線，縱坡為20%。本橋竣工時(shí)間為2003年6月。

根據(jù)青藏公司工務(wù)部門提供的2009年資料以及2010年間對(duì)該橋進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況來(lái)看，本橋存在的主要問(wèn)題有:活動(dòng)支座上、下擺縱向錯(cuò)位，限位塊頂裂(圖3);格爾木橋臺(tái)固定支座下擺錨固螺栓剪斷;梁體之間或梁體與橋臺(tái)之間的伸縮縫間隙減小;格爾木橋臺(tái)的臺(tái)后填土路基沉降，片石護(hù)坡沉降、開裂。2011年底，青藏鐵路公司工務(wù)部對(duì)該橋進(jìn)行了支座更換。

圖3 石灰溝大橋支座病害

K973石灰溝大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器子系統(tǒng)、采集和傳輸子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)和病害的特點(diǎn)，傳感器子系統(tǒng)由振動(dòng)傳感器、位移傳感器和溫度傳感器構(gòu)成，振動(dòng)傳感器布設(shè)于第1，2，3孔梁的跨中和第1#，2#橋墩，用于監(jiān)測(cè)梁體橫向振幅、豎向加速度及墩臺(tái)結(jié)構(gòu)橫向及縱向剛度的長(zhǎng)期變化規(guī)律。鑒于1#，2#橋墩支座螺栓部分被剪斷、活動(dòng)支座縱向限位塊被頂彎的病害，位移傳感器布設(shè)于該部位，用以監(jiān)測(cè)該處梁體與墩臺(tái)的相對(duì)位移(圖4、圖5)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的采集和傳輸子系統(tǒng)采用定時(shí)采集、定時(shí)傳輸?shù)墓ぷ髂Ｊ?，非工作模式下系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，這樣有效地降低了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備功耗和傳輸負(fù)擔(dān)。現(xiàn)場(chǎng)傳輸采用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，供電子系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池板、控制器和蓄電池的結(jié)構(gòu)。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

圖5 位移傳感器

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析［5-8］

梁體的橫向剛度是衡量梁體抵抗橫向荷載引起的變形能力的重要內(nèi)容，跨中橫向振幅和橫向自振頻率是其中關(guān)鍵的參數(shù)。對(duì)K973石灰溝大橋的第1，2，3孔梁列車通過(guò)時(shí)跨中橫向振幅進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間約6個(gè)月。結(jié)果顯示:車輛通過(guò)第1，2，3孔梁所引起的跨中橫向振幅(圖6為第3孔梁)最大值分別為1.057，1.161和1.093 mm，橫向一階自振頻率為4.004，4.004和3.906 Hz，滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁跨中橫向振幅和自振頻率的通常值要求。第3孔梁的跨中橫向振幅均值略大于第1，2孔梁，初步分析這是由于原格臺(tái)前傾造成梁體縱向頂緊的程度不同所致，管養(yǎng)單位為防止病害發(fā)展加設(shè)了縱向、橫向等臨時(shí)限位措施影響了橋梁的邊界約束條件，這也造成了梁體橫向振動(dòng)特性的區(qū)別。

圖6 第3孔梁跨中橫向振幅最大值分布

列車通過(guò)橋梁時(shí)，會(huì)激發(fā)鐵路橋上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的加速度，在非常不利的情況下，會(huì)導(dǎo)致道床結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，影響行車安全。考慮到青藏鐵路沿線凍土融沉、凍脹引起的橋梁基礎(chǔ)和墩臺(tái)變形對(duì)梁軌結(jié)構(gòu)安全及旅客乘坐感受的影響，選擇第1～3孔梁跨中豎向加速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)(圖7)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，K973石灰溝特大橋第1，2，3孔梁跨中位置軌枕底至梁頂面道砟厚度均約為35 cm，符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求;橋上鋪設(shè)有縫鋼軌，第1，2孔梁跨中位置距最近軌縫10 m左右，第3孔梁跨中位置距最近軌縫約2 m，列車輪對(duì)通過(guò)軌縫造成的沖擊，是引起第3孔梁跨中豎向加速度略大于第1，2孔梁的主要原因。

圖7 梁體跨中豎向加速度最大值分布

為掌握行車對(duì)于橋梁原有病害發(fā)展的影響，選擇在第1#，2#墩活動(dòng)支座處，對(duì)行車時(shí)墩梁間的相對(duì)縱向位移進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，活動(dòng)支座處墩梁間縱向相對(duì)位移最大值在0.12～2.24 mm范圍內(nèi)。從數(shù)據(jù)上看，由行車引起的墩梁間縱向相對(duì)位移很小，更換后的活動(dòng)支座能夠滿足梁體縱向活動(dòng)的需要。第1#，2#墩的墩頂橫向振幅最大監(jiān)測(cè)值分別為0.677，0.496 mm，縱向振幅最大監(jiān)測(cè)值分別為0.299，0.277 mm，墩頂橫向振幅滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》通常值的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

青藏鐵路格拉段全線長(zhǎng)1 142 km，橋梁約占14%，多為常用跨度簡(jiǎn)支混凝土結(jié)構(gòu)，數(shù)量較大，沿線分布廣泛，管養(yǎng)任務(wù)繁重。本文通過(guò)在格拉段典型病害橋?qū)嵤╅L(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出以下結(jié)論:

1)受惡劣環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)條件的制約，高寒高原地區(qū)橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)采用多點(diǎn)分布的布局模式，監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)具備結(jié)構(gòu)合理耐用、耐低溫、耐低壓、防水、低功耗和功能模塊化的特點(diǎn);系統(tǒng)供電使用太陽(yáng)能;數(shù)據(jù)傳輸采用GSM-R鐵路專用通訊網(wǎng)絡(luò)或GSM/GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

2)2011—2012年對(duì)K973石灰溝大橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，梁體和橋墩的橫向振動(dòng)特性滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的通常值的要求;更換后的活動(dòng)支座可以滿足梁體縱向活動(dòng)的需要;該橋原有格臺(tái)前傾的病害發(fā)生并穩(wěn)定后，對(duì)病害相關(guān)梁體及橋墩的工作狀態(tài)暫無(wú)明顯不利影響。

3)實(shí)踐證明，石灰溝大橋橋梁服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、分析和遠(yuǎn)程傳輸?shù)男枰瑢?duì)推動(dòng)高寒高原地區(qū)橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)步及提高橋梁養(yǎng)修效率具有積極的意義。

［1］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.青藏鐵路低溫早強(qiáng)耐腐蝕高性能混凝土應(yīng)用試驗(yàn)研究階段報(bào)告［R］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2001.

［2］鐵道專業(yè)設(shè)計(jì)院.青藏線常用跨度橋梁提高耐久性措施試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.北京:鐵道專業(yè)設(shè)計(jì)院，2002.

［3］辛學(xué)忠.青藏鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式和提高耐久性措施分析研究［J］.橋梁建設(shè)，2002(6):6-10.

［4］吳少海.青藏鐵路多年凍土區(qū)橋涵設(shè)計(jì)與施工［J］.冰川凍土，2003，25(增1):59-68.

［5］胡大新.八渡南盤江大橋模態(tài)試驗(yàn)分析［J］.鐵道建筑，2013 (4):1-5.

［6］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［7］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)函［2004］120號(hào)鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［8］中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所.常用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法［M］.北京:科學(xué)出版社，1973.

Study on application of long-term monitoring technology for bridges in plateau cold area

WAN Leran1，ZHAO Xiangqing2，XIAO Xianglin1
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Northwest Research Institute Limited Company of CREC，Lanzhou Gansu 730000，China)

A long-term monitoring on vibration characteristics and development of existing disease of K973 Shihuigou Bridge in Qinghai-Tibet Railway was conducted to understand the performance of bridges in service under the train live load in the severe environment.This case study can offer valuable reference and experiences for bridges under the similar conditions.It proved that solar energy and GSM/GPRS wireless network satisfy the requirements for normal functioning of monitoring system.A special Data Acquisition/Analysis Instrument and a Debugging/ Controlling Software Platform were used to monitor concrete bridge in Qinghai-Tibet Alpine area.The monitoring data indicated that the stabilized inclination of the abutment had little adverse effect on the adjacent piers and girders in service.

Qinghai-Tibet Railway;Bridge;Monitor

U446.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.04

1003-1995(2015)01-0019-04

(責(zé)任審編 孟慶伶)

2014-10-15;

2014-11-06

王樂(lè)然(1979—)，男，山東濟(jì)南人，助理研究員，碩士。