CN102032876A - 一种既有铁路多跨连续梁使用状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种既有铁路多跨连续梁使用状态检测方法，运用动力有限元理论建立车桥动力分析模型，以实测轨道不平顺为激励，采用数值方法模拟计算列车通过时桥梁的动态应变值，得到多跨连续梁支座截面检测点处的应变控制阈值；在既有铁路多跨连续梁支座截面底面和侧面布设至少包括应变传感器的传感器，测量铁路列车通过时的响应信号，信号经过处理得到支座截面检测点的检测应变值；所述检测应变值超出所述包络线阈值，则发出预警。本发明能够适应各种恶劣的天气及极端环境等情况，可以进行远距离传输，支座截面设置测点，施工方便，实现桥梁使用状态动态实时、自动地长期检测。

Description

一种既有铁路多跨连续梁使用状态检测方法

技术领域

本发明属于一种桥梁检测方法，具体涉及一种既有铁路多跨连续梁使用状态检测方法。

背景技术

随着铁路速度、重量、密度的不断提高，列车运营对桥梁的冲击不断增大，特别是对万吨级重载运输更是如此。如何对重载既有铁路桥梁运营过程中使用状态实时检测，是当今铁路发展中遇到的现实问题。

长期以来，人们十分重视对桥梁使用状态的检测，但由于缺乏有效可靠的检测方法，不能对桥梁使用状态给出全面的预警，造成一些列车脱轨、桥梁振动过大等安全问题，因此，许多科研工作者致力寻找较为完善的长期检测桥梁使用状态的方法。

列车作用下桥梁使用状态检测方法在过去几年得到了广泛应用和发展，采用了多种检测方案，各种方法具有不同特点和适用范围。传统的铁路桥梁使用状态检测方法在桥梁跨中布位移和加速度拾振器，测量桥梁跨中的垂向和横向振幅和加速度，采用跨中振幅和加速度动力学控制指标来判断桥梁在列车作用下的使用状态，这种方法简单、直接，测量结果直接反映了系统动力性能指标，但需设置基准点，对现场条件要求高，施工困难，无法做到桥梁使用状态长期检测。

光电成像法结合了远距离成像技术、光电子技术、数字图像处理和相关技术等多种高科技技术，是一种远距离、非接触式测量方法，测量过程实时、高速、自动、数字化。但设备价格高昂，容易受到下雨、雾天等条件的影响。

GPS能够实现桥梁动态实时、自动测量，在公路桥梁中已广泛应用，但对于铁路桥梁振动频率高、变形小，其测量精度、发射频率等还不能完全满足桥梁健康检测的要求，使用有一定的限制性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种既有铁路多跨连续梁使用状态检测方法，以满足实际工程需要，本方法能够适应各种恶劣的天气及极端环境等情况，可以进行远距离传输，支座截面设置测点，施工方便，实现桥梁使用状态动态实时、自动地长期检测。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种既有铁路多跨连续梁使用状态检测方法，运用动力有限元理论建立车桥动力分析模型，以实测轨道不平顺为激励，即将现场测试到的轨道的不平顺作为激励加到模型中，采用数值方法模拟计算列车通过时桥梁的动态应变值，得到支座截面检测点处的应变控制阈值包络线；在既有铁路多跨连续梁支座截面底面和侧面布设传感器，测量铁路列车通过时的响应信号，信号经过处理得到支座截面检测点的检测应变值；所述检测应变值超出所述包络线阈值，则发出预警。

所述的既有铁路多跨连续梁使用状态检测方法，包括如下步骤：

(1)在既有铁路多跨连续梁支座截面的底面和侧面布设传感器测量铁路列车通过时的响应信号，该信号经过处理得到支座截面检测点处的检测应变值，其中，所述传感器至少设置在支座横截面的中性轴位置；

(2)根据检测多跨连续梁和列车结构特点，运用动力有限元理论、多刚体动力学理论和轮轨接触理论建立车桥动力分析数值模型，以实测轨道不平顺为激励，采用数值方法模拟计算列车通过时桥梁的动态应变值，得到支座截面检测点处的模型应变值；

通过检验该点的模型应变值和检测应变值是否基本吻合验证模型的正确性；

所述传感器为用于测量车辆通过时支座截面处的应变值的光纤应变传感器和用于补偿温差造成的传感器应变分量的温度传感器；

所述信号处理包括采用高通滤波去除测试噪声和低通滤波去除昼夜温差造成的梁体应变成分；

(3)以车桥系统动力性能指标为控制条件，在车桥动力分析模型中改变桥梁和列车的条件参数，计算车桥动力响应，统计分析得到使桥梁跨中振幅、跨中加速度等指标达到规定的动力性能控制指标时支座截面检测点处的应变值，以应变最大和最小值为各检测点位置的控制阈值；

所述桥梁和列车的条件参数包括桥梁刚度、列车运行速度、列车类型或约束条件。

所述的动力性能控制指标中轮重减载率、脱轨系数控制指标符合《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》(GB5599-85)规定的车辆安全性指标。

所述的跨中振幅、跨中加速度控制指标符合《铁路桥梁检定规范》(2004)规定的桥梁动力性能控制指标。

(4)将支座截面检测点处的检测应变值与控制阈值对照，判定该检测应变值是否超出控制阈值，如果超出，则发出预警。

与现有技术相比，本发明有如下有益效果：

(1)本发明采用光纤光栅检测应变不受电磁干扰及核辐射的影响，安装方便，测量精度和分辨率高，响应速度快，可长期应用于高温、高湿的恶劣环境中，还用于远程传输。

(2)本发明在支座截面设置测点，施工方便，避免了在桥梁跨中设置测点造成的施工困难。

(3)本发明可实现桥梁使用状态下的长期实时检测，检测方法综合考虑了列车运行安全性和桥梁动力性能，较为全面地实现对桥梁使用状态的预警。

附图说明

图1是连续梁检测点布设示意图；

图2是支座截面检测点布设示意图；

图3是多跨连续梁数值模型示意图；

图4(a)是重载列车数值模型示意图；

图4(b)是单节重载列车数值模型示意图；

图5(a)是支座截面检测点处垂向应变控制阈值；

图5(b)是支座截面检测点处横向应变控制阈值。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本方法做详细的说明：

实施例

本实例中的桥梁为重载铁路连续梁桥A-K，结构为预应力混凝土箱梁，梁跨为变截面变高度结构，具体为十跨，包括八座中跨，两座边跨A-B、G-K，中跨跨度为80m，边跨48m。

(1)根据检测桥梁特征，在支座截面侧面中性轴位置1和底面中性轴位置2设置光纤应变传感器和温度补偿传感器，总共设置22个光纤应变传感器和22个温度补偿传感器，如图1、2所示，用于测量列车通过时支座处应变值；采集得到的信号经过温度补偿，并采用高通和低通滤波，去除噪声和温差造成的梁体应变成分，作为检测到的最终结果。

(2)采用有限元理论，根据桥梁结构形式、材料特性等精确建立连续梁动力分析数值模型，如图3所示，其模型包括桥墩3、连续梁4、支座5，钢轨6，其中连续梁、桥墩、钢轨采用实体单元，钢轨和连续梁之间根据实际扣件位置采用弹簧阻尼元连接，桥梁每个支座按实际情况设置三个方向约束；

(3)采用多刚体动力学理论，根据重载列车结构特点、物理特性、连接形式建立列车动力学模型，如图4(a)、(b)所示，列车模型由10节车辆组成，每节车辆由车体7、转向架8和轮对9等多刚体组成，各刚体之间采用弹性阻尼元连接，刚体具有沉浮、点头、横移、摇头、侧滚自由度，单节车辆总计27个自由度；

(4)采用赫兹接触理论和摩擦理论建立轮轨接触关系，通过轮轨关系将列车模型和桥梁模型耦合形成车桥动力分析模型，以实测轨道不平顺为激励，对车辆施加33.3m/s的速度荷载，积分步长选用10^-6秒，采用动力显式数值积分方法，在增量步开始时，程序求解动力学平衡方程，即

$M\stackrel{\·\·}{\mathrm{\μ}}=P-I$

其中M是质量矩阵，P为外力矩阵，I为内力矩阵，μ为位移矩阵；

在当前增量步开始时(t时刻)，计算加速度，即

$\stackrel{\·\·}{\mathrm{\μ}}{|}_t=M^{-1}(P-I){|}_t$

对加速度在时间上积分采用中心差分方法，在计算速度时假定加速度为常数，应用这个速度的变化值加上前一个增量步中点的速度来确定当前增量步中点的速度，即速度的表达式为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\μ}}{|}_{t+\mathrm{\Δt}}=\stackrel{\·}{\mathrm{\μ}}{|}_{t-\frac{\mathrm{\Δt}}{2}}+\frac{\mathrm{\Δt}{|}_{t+\mathrm{\Δt}}+\mathrm{\Δt}{|}_t}{2}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\μ}}{|}_t$

计算位移时，采用速度对时间的积分加上在增量步开始时的位移以确定增量步结束时的位移，即位移计算公式如下：

$\mathrm{\μ}{|}_{t+\mathrm{\Δt}}=\mathrm{\μ}{|}_t+\mathrm{\Δt}{|}_{t+\mathrm{\Δt}}\stackrel{\·}{\mathrm{\μ}}{|}_{t+\frac{\mathrm{\Δt}}{2}}$

这样，在增量步开始时提供了满足动力学平衡条件的加速度。得到了加速度后，在时间上“显式地”前推速度和位移。求解列车通过时列车和桥梁动力响应值。

(5)积分求解完毕后，选取A～K截面位置1和位置2处有限单元的应变值，将该位置处应变值和检测结果对比，经过不断修正，使计算结果能于实测结果基本吻合。

(6)改变车桥动力分析模型中桥梁刚度、列车运行速度、列车类型、约束条件等，计算车桥动力响应，提取桥梁跨中截面位置1和位置2处有限单元的位移和加速度值，统计分析得到使跨中位移和加速度等指标达到控制指标时支座截面检测点处单元的应变值，以应变最大和最小值为各检测点位置的控制阈值，如图5(a)(b)所示。其中跨中位移和加速度控制指标可采用如下取值：

跨中横向振幅＜L/7.0B＝2.86mm

跨中垂向加速度＜0.25g

注：L为预应力混凝土梁跨度，B为预应力混凝土梁为支座中心距(m)，g为9.8m/s²

(7)将实际桥梁检测点应变检测结果与控制阈值对照，判定检测结果是否超出控制阈值，如果超出，则发出预警。

显然，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种既有铁路多跨连续梁使用状态检测方法，其特征在于，运用动力有限元理论建立车桥动力分析模型，以实测轨道不平顺为激励，采用数值方法模拟计算列车通过时桥梁的动态应变值，得到列车通过的过程中使跨中振幅、跨中加速度等指标达到规定的动力性能控制指标时支座截面检测点处的应变控制阈值包络线；在既有铁路多跨连续梁支座截面底面和侧面布设至少包括应变传感器的传感器，测量铁路列车通过时的响应信号，信号经过处理得到支座截面检测点的检测应变值；所述检测应变值超出所述包络线阈值，则发出预警。

2.根据权利要求1所述的既有铁路多跨连续梁使用状态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在既有铁路多跨连续梁支座截面的底面和侧面布设传感器测量铁路列车通过时的响应信号，该信号经过处理得到支座截面检测点处的检测应变值，其中，所述传感器至少设置在支座横截面的中性轴位置；

(2)根据检测多跨连续梁和列车结构特点，运用动力有限元理论、多刚体动力学理论和轮轨接触理论建立车桥动力分析数值模型，以实测轨道不平顺为激励，采用数值方法模拟计算列车通过时桥梁的动态应变值，得到支座截面检测点处的模型应变值；

通过检验该点的模型应变值和检测应变值是否基本吻合验证模型的正确性；

(3)以车桥系统动力性能指标为控制条件，在车桥动力分析模型中改变桥梁和列车的条件参数，计算车桥动力响应，统计分析得到使桥梁跨中振幅、跨中加速度等指标达到规定的动力性能控制指标时支座截面检测点处的应变值，以应变最大和最小值为各检测点位置的控制阈值；

(4)将支座截面检测点处的检测应变值与控制阈值对照，判定该检测应变值是否超出控制阈值，如果超出，则发出预警。

3.根据权利要求2步骤(1)所述的既有铁路多跨连续梁使用状态检测方法，其特征在于，

所述传感器为用于测量车辆通过时支座截面处的应变值的光纤应变传感器和用于补偿温差造成的传感器应变分量的温度传感器；

所述信号处理包括采用高通滤波去除测试噪声和低通滤波去除昼夜温差造成的梁体应变成分。

4.根据权利要求2步骤(3)所述的既有铁路多跨连续梁使用状态检测方法，其特征在于，所述桥梁和列车的条件参数包括桥梁刚度、列车运行速度、列车类型或约束条件。

Images