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结构健康监测在高铁桥梁发展中的研究及现状
日期:2017-7-25 9:40:38 作者:佚名 来源:本站原创
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摘要:铁路桥梁具有平顺、整体性好、刚度大的优点,满足高速铁路轨道平顺性高要求,从而桥梁在高速铁路轨道应用比重大,使其成为研究热点。本文着重阐述了我国高速铁路桥梁现状,分析了普通桥梁和铁路桥梁健康监测系统的发展现状,明确基于无线传感器网络的高速铁路桥梁运营环境监测系统的内容及范围,展望了基于无线传感器网络的高速铁路桥梁运营环境监测系统的研究及发展前景。

关键词:高铁桥梁;无线传感器网络;桥梁健康监测;运营环境
    【分类号】:U446.2
  0 引言
  高速铁路是指本线路最高运营速率每小时不低于200公里,其中包含既有线路改造(轨距标准化、直线化、曲线半径加大等措施)、高速新线(运营速率最低在250km/h以上)的铁路运营系统。轨距标准化是采用国际标准轨距,标准轨距是由国际铁路协会于1937年制定的,是以两条钢轨轨顶内侧垂直平面间的距离为1435mm的轨距为标准的轨距,大于1435mm的为宽轨距,小于1435mm的为窄轨距[1]。
  2004年《中国铁路中长期发展规划》规划了“四纵四横”铁路快速客运通道以及四个城际快速客运系统;规划建设客运专线1.2万公里以上,客车速度目标值达到每小时200公里及以上[2]。2008年京津城际铁路的开通拉开了我国高铁正式运营通车的序幕,2012年世界运营里程最长的全程2298公里的京广铁路全线通车,将我国高速铁路发展推向新的篇章。
  高速铁路具有速度高、运载能量大、运营环境安全性要求高、高密度运营等显著特点,因此对铁路土建工程及后期维护要求不断增高。铁路桥梁具有平顺性好,直线化、曲线半径大的特点,使其在高速铁路中应用比重不断增大[1]。高速铁路桥梁的健康监测成为目前研究的一个热点方向[2]。无线传感器网络具有冗余性、无需布线、自组织性、成本和能耗低等特性,适于高速铁路沿线关键区域的大范围部署和长期在线监测。因此,利用无线传感器网络建立桥梁运营安全监测系统,实时在线监测、掌控、护养桥梁,将促进高速列车桥梁运营环境监测技术变革。
  1 我国高铁桥梁发展现状
  高速铁路桥梁结构主要由包含轨道的桥面、包含桥跨结构的上部构造、以及包含墩台及基础下部构造构成。基本结构多采用双线整孔,刚度大、整体性好,多以中小跨度为主[3]。
  我国高速铁路桥梁结构体系由小跨度刚架桥、简支梁、连续梁、版梁、组合梁桥及钢桁架桥等组成。其中小跨度刚架桥截面形式为现浇板梁,简支梁与连续梁的截面形式为单箱单室箱梁,板梁采用日本高架桥的截面形状、组合梁桥截面为箱形,钢桁架桥截面采用正交异性板[2]。我国既有铁路桥梁中混凝土简支梁应用率的占90%以上。京广高铁武汉―广州段采用单跨简支梁桥。
  我国高速铁路桥梁的上部结构主要由梁部结构和截面形式两部分组成,其中梁部结构分离式和整体式,截面形式分为箱形截面和T形截面[1]。下部结构多采用轻型墩台(尤其针对多跨联孔的高架桥),基础形式的选择因地制宜。桥梁支座严格控制横向位移限制,一般应安装具有横向限位装置的橡胶支座。
  桥梁荷载是桥梁设计的主要考虑因素。高速铁路桥梁的荷载主要由主要荷载、附加荷载及特殊荷载三种。活荷载即为活载,主要指列车引起的使用或占用荷载和自然产生的自然荷载的总称,是桥梁结构损伤累积和抗力衰减的主要影响因素;具有强度大、均布荷载大的特点;我国主要采用UIC活载模式[3]规定活载图。附加荷载为风力、制动牵引力、温度变化、水流压力等环境对桥梁的作用力。特殊荷载指非正常状态下(列车脱轨荷载、钢轨断裂、地震)对桥梁的影响力[3]。
  2桥梁结构健康监测系统的发展现状
  早在上个世纪末,桥梁健康监测安全评价系统被广泛应用。2003年7月国际桥梁及结构工程协会(International Association for Bridge and Structural Engineering,IABSE)制订相应国际规程,规范应用。桥梁健康监测主要针对桥梁运营期间的监测,是集成桥梁结构监测、结构评估和系统智能识别于一体的监测系统。一般系统由数据采集、数据处理、健康评定等部分组成[4]。
  1995年Lauzon学者在文献[5]提出桥梁监测系统的设计建议,美国Aktan教授制定了详细的桥梁健康监测系统的设计指南。
  Ren-Guey Lee, Kuei-Chien Chen在文献[6]中给出了一个基于无线传感器网络的高效、可靠的桥梁监测的系统备份方案,其中通过multiple-hopping中继网关进行传递相关的环境参数和数值。
  Xiaoya Hu,Bingwen Wang在文献[7]中给出了基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统的Energy-Balanced时间同步协议(EBS),该时间同步协议利用动态选择最大的储备能源传感器广播节点达到能量平衡在网络节点,同时利用带有MAC-layer时间戳的现有FTSP协议达到精度高性能的目的。
  文献[8]中Haitao Xiao和Yixuan Gong利用无线网络集成传感器网络和无线局域网和数据采集系统开发桥诊断,解决了在监测大型桥梁健康状态时,没有足够的无线传感器节点覆盖整个桥的问题,同时系统给出了在日本北九州市的现场试验结果。
  在文献[9]和[10]中Haitao Xiao和Harutoshi Oga提出一个分布式数据聚合活性监测方法和分布式局部决策监控方法,解决了无线传感器网络确保链接质量可靠的问题,建立了基于无线传感器网络的桥梁健康监测的DLDMS(分布式局部的决定监控系统)。
  德国的S. A. Bachmaier在文献[11]中简述了内卡河跨河大桥的健康监测系统,并给出无线的评估监控系统,给信息丢包率、频率和广域网络连接等重要参数的在线评估。   在文献[12]中M.J.Chae给出了普遍适用性的无线传感器网络监测桥梁健康状况,已应用于超过四十处的悬索桥。
  在文献[13]中介绍了我国国内目前已在包括江阴长江大桥、南京长江二桥、润扬长江大桥、郑州黄河大桥、钱江四桥、芜湖长江大桥、苏通大桥、阳逻长江大桥、贵州坝陵河大桥、杭州湾跨海大桥、深圳西部通道等众多桥梁在内的大跨径桥梁上建立了不同规模的健康监测系统。
  中国香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥上已安装了目前世界上规模最大的实时安全监测系统,3座桥梁共安装了800多个各类传感器,对桥梁在各种荷载作用下的结构状况、环境状况进行全面的监测,并对监测数据进行分析处理[14]。
  3高速铁路桥梁健康监测系统现状
  文献[15]通过行车动力和自振频率现场试验,给出了铁路群桩基础桥桥墩病害诊断的动力测试和评价方法,提出了群桩基础桥墩状态评价的有关指标。
  在文献[16]中,针对高速铁路桥梁健康监测建立了一种适用于我国高速铁路桥梁的检测车设计方案,并给出了检测车行走装置、检测平台结构型式、驱动方式的详细设计。
  在文献[17]中,针对高速铁路桥梁健康监测建立了基于有线的传感器监测系统,分析了各个监测项目中的传感器,提出了软、硬件的设计方案。
  文献[18]中魏召兰博士以京沪高速铁路桥梁―南京大胜关长江大桥为示例分析了大跨度桥梁的结构影响因素,建立其车桥耦合动力分析模型,创建了评判标准,明确了行车速度、阻尼比、行车方向、车辆数、吊杆布置方式等参数对动力性能的影响。同时,在文献[19]中,建立了基于有线高速铁路大型特殊结构桥梁健康监测系统,由传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据处理与分析子系统、结构评估子系统、数据管理子系统、用户界面子系统六部分组成。
  4基于无线传感器网络的高速铁路桥梁运营环境监测系统的内容及范围
  高速铁路桥梁运营环境监测系统不仅包含常规桥梁健康监测系统,同时涵盖桥梁健康监测实时数据上传至所属铁路局及经过该桥梁的高速列车,针对桥梁实时健康状态监测,预测、预警列车运营环境的安全度,从而为高速列车安全运营提供可靠保障。
  桥梁健康监测的物理变量主要分为:环境荷载、运营荷载、特殊荷载、桥梁自身参数及桥梁响应参数等四部分组成。其中环境荷载针对强风、温度、湿度、冻胀力、腐蚀力、冲刷力等;运载荷载即为高速铁路桥梁日常的交通运营荷载(列车竖向静活载、列车竖向动力作用、长钢轨伸缩力和挠曲力、离心力、横向摇摆力、气动力等);特殊荷载指列车脱轨荷载、长钢轨断轨力、地震等;桥梁自身参数是指桥梁静态参数(静力影响系数及影响线、结构构件及设备自重、混凝土收缩和徐变、)和动态参数(模态频率、振动模态、模态阻尼比、模态质量参数);桥梁响应参数主要包含几何变形、应力状况、位移状况、索力、疲劳状态、连接件受力以及振动响应等。
  5结论及研究展望
  我国目前高速铁路桥梁在线路中所占比例较大,故其健康监测为高速铁路运营环境监测系统的重要组成部分。普通桥梁健康监测系统的发展已处于较成熟稳定发展阶段,但适合我国高速铁路桥梁健康监测系统发展较少。然而,我国高铁桥梁类别较多,建立统一的中小桥梁健康状态QoS指标体系迫在眉睫;同时,亟待需要开发研制通用基于无线传感器网络的高速铁路桥梁结构健康在线监测系统,为高速列车安全运营提供有力的保障。
  参考文献
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