CN105716885A - 面向全过程的高速铁路桥梁安全评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交通技术和安全技术领域。面向全过程的高速铁路桥梁安全评估方法，包括桥梁全寿命内参与桥梁安全受控的主要群体的群体层、由桥梁安全受控的实现模块组成的业务层和桥梁安全受控的实施结果的成果层这三个层次；群体层包括设计群体、施工群体、管理群体；业务层由设计阶段、施工阶段和管理阶段这三个阶段组成；设计阶段、施工阶段、管理阶段的参与群体均包括设计群体、施工群体、管理群体。本发明改变了传统单一群体负责单一阶段的模式，设计群体、施工群体、管理群体这三大协同工作，共同参与设计、施工、管理这三大阶段，从而更能体现桥梁安全受控的本质，提高了对桥梁的安全的保障。

Description

面向全过程的高速铁路桥梁安全评估方法

技术领域

本发明涉及交通技术和安全技术领域，具体涉及轨道交通桥梁安全评估方法。

背景技术

轨道交通桥梁结构生命全过程由设计、施工、运营管理三个阶段组成。国内外学者在这三个阶段的安全受控方面进行了大量的工作。在设计阶段工程师通过设计规范约束、方案比选、模型试验研究等方式保障预期工况下桥梁的安全。在施工阶段，通过施工过程数值模拟、结合施工进度的施工控制、风险评估等方式保障桥梁的施工安全，使成桥状态与设计预期吻合。运营管理阶段主要采用桥梁检测、桥梁实时监测、桥梁管理系统等保障桥梁的运营安全。

就现有研究成果来看，目前桥梁安全评估仍存在一些问题，其中最为突出的是现有桥梁安全评估在桥梁全过程内的各个阶段均有所涉及，但处于极不平衡状态，大部分工作集中于运营管理阶段，属于典型的事后控制，为桥梁安全埋下了隐患。

基于上述问题，发明了桥梁全过程安全评估方法，力图建立桥梁全寿命期内各个阶段的联系，通过软件的方式强化各阶段参与群体实施安全受控的能力，实现桥梁的全过程安全受控。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种面向全过程的高速铁路桥梁安全评估方法，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

面向全过程的高速铁路桥梁安全评估方法，其特征在于，包括桥梁全寿命内参与桥梁安全受控的主要群体的群体层、由桥梁安全受控的实现模块组成的业务层和桥梁安全受控的实施结果的成果层这三个层次；

所述群体层包括设计群体、施工群体、管理群体；

所述业务层由设计阶段、施工阶段和管理阶段这三个阶段组成；

所述设计阶段、所述施工阶段、所述管理阶段的参与群体均包括所述设计群体、所述施工群体、所述管理群体；

所述设计阶段、所述施工阶段、所述管理阶段通过有限元系统，分析结构和构件在特定工况下的内力和变形，保证内力和变形在材料所允许的范围之内，并不影响正常使用。

在所述施工阶段，在高速铁路桥梁路基内埋入一传感器系统，传感器系统包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器；数据采集子系统还包括联网信息采集系统；

温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器，分别用于采集温度、湿度、压力、位移参数；联网信息采集系统用于与外围计算机进行数据交互；

温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器，均采用无线传感器，所述无线传感器的电源输入端连接有一震动发电电源；

所述震动发电电源包括一压电陶瓷片，压电陶瓷片通过一整理稳压电路连接一蓄电电容，蓄电电容采用钽电容，胆电容后方连接有一施密特触发电路，进而连接所述无线传感器的电源输入端；

在胆电容电压超过一设定阈值时，施密特触发电路开始为无线传感器供电；在胆电容电压低于另一设定阈值时停止供电。

压电陶瓷片可以在下雨、刮风、车辆行驶中产生足够的电能，供无线传感器使用。

温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器埋设在高速铁路桥梁路基内。以实现无需外接电源的持久供电。并获得路基内部更加精确的数值。

面向全过程的高速铁路桥梁安全评估方法，从参与群体来看，传统安全受控模式的参与群体是各个阶段的单一群体，如设计阶段的设计群体、施工阶段的施工监控群体等，而本发明涉及的参与群体与桥梁所处阶段无关，桥梁全寿命期内的所有群体均参与安全受控，不过在不同阶段参与的强弱程度有所不同；从受控目标来看，传统的桥梁安全受控以各个阶段的安全受控为目标，而全过程安全受控以桥梁全寿命期内的安全受控为目标。

从阶段的角度来看，桥梁安全受控属串行组织过程，但从群体的角度来看桥梁安全受控属网状组织过程。串行过程显示桥梁从无到有的渐变过程，而并行过程蕴含了各群体参与的协同工作过程。

本发明改变了传统单一群体负责单一阶段的模式，设计群体、施工群体、管理群体这三大协同工作，共同参与设计、施工、管理这三大阶段，从而更能体现桥梁安全受控的本质，提高了对桥梁的安全的保障。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。

参照图1，面向全过程的高速铁路桥梁安全评估方法，包括桥梁全寿命内参与桥梁安全受控的主要群体的群体层、由桥梁安全受控的实现模块组成的业务层和桥梁安全受控的实施结果的成果层这三个层次；群体层包括设计群体、施工群体、管理群体；业务层由设计阶段、施工阶段和管理阶段这三个阶段组成；设计阶段、施工阶段、管理阶段的参与群体均包括设计群体、施工群体、管理群体；设计阶段、施工阶段、管理阶段通过有限元系统，分析结构和构件在特定工况下的内力和变形，保证内力和变形在材料所允许的范围之内，并不影响正常使用。

在所述施工阶段，在高速铁路桥梁路基内埋入一传感器系统，传感器系统包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器；数据采集子系统还包括联网信息采集系统；温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器，分别用于采集温度、湿度、压力、位移参数；联网信息采集系统用于与外围计算机进行数据交互。

温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器，均采用无线传感器，所述无线传感器的电源输入端连接有一震动发电电源；所述震动发电电源包括一压电陶瓷片，压电陶瓷片通过一整理稳压电路连接一蓄电电容，蓄电电容采用钽电容，胆电容后方连接有一施密特触发电路，进而连接所述无线传感器的电源输入端。

在胆电容电压超过一设定阈值时，施密特触发电路开始为无线传感器供电；在胆电容电压低于另一设定阈值时停止供电。压电陶瓷片可以在下雨、刮风、车辆行驶中产生足够的电能，供无线传感器使用。温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器埋设在高速铁路桥梁路基内。以实现无需外接电源的持久供电。并获得路基内部更加精确的数值。

面向全过程的高速铁路桥梁安全评估方法，从参与群体来看，传统安全受控模式的参与群体是各个阶段的单一群体，如设计阶段的设计群体、施工阶段的施工监控群体等，而本发明涉及的参与群体与桥梁所处阶段无关，桥梁全寿命期内的所有群体均参与安全受控，不过在不同阶段参与的强弱程度有所不同；从受控目标来看，传统的桥梁安全受控以各个阶段的安全受控为目标，而全过程安全受控以桥梁全寿命期内的安全受控为目标。

从阶段的角度来看，桥梁安全受控属串行组织过程，但从群体的角度来看桥梁安全受控属网状组织过程。串行过程显示桥梁从无到有的渐变过程，而并行过程蕴含了各群体参与的协同工作过程。

本发明改变了传统单一群体负责单一阶段的模式，设计群体、施工群体、管理群体这三大协同工作，共同参与设计、施工、管理这三大阶段，从而更能体现桥梁安全受控的本质，提高了对桥梁的安全的保障。

具体实施方案如下：某简支梁主梁采用混凝土箱梁，跨中梁高2.1m，箱梁顶板厚度0.2m，腹板厚度0.5m，底板厚度0.25～0.4m，采用C40混凝土。该桥建于2005年，系统模拟过程中，分别应用ANSYS系统和MIDAS系统，依据施工图图纸建立了实体有限元模型和空间杆系模型，并依照通车检测的结果对模型进行了修正。

管理群体于2011年对其进行了全面的检测，鉴于该桥已运营6年，结构存在一定的劣化，因此需要与设计群体进行协同，对有限元模型进行一定的修正，以便对桥梁现状做出科学评判。系统工作过程中，首先管理群体向系统提出协同工作请求，要求系统根据检测资料修正有限元模型，并要求获取特定工况下校验系数；然后系统响应管理群体的请求，进行过程解析；最后系统将校验系数反馈给管理群体。

系统首先调用模块匹配算法，将安全受控流程划分为三个进程，分别为敏感性参数选择，动测数据与计算数据的对比，特定工况分析。在敏感性参数选择进程中，系统通过敏感性参数选择算法获取敏感性参数，并将其输入模型调整算法；型调整算法基于动测数据对敏感性参数进行修正，输出调整后的参数，并应用该参数修改MIDAS模型，然后调用MIDAS系统分析，输出计算数据。动测数据与计算数据对比进程将两类数据进行对比，如果精度满足需求，则应用调整后的参数修改ANSYS模型；特定工况分析进程将管理群体提供的工况信息添加到ANSYS模型，并启动ANSYS系统，将ANSYS分析的结果与管理群体提供的检测结果进行对比，输出校验系数。

桥梁全过程安全受控的核心通过模型调整将桥梁现状与有限元模型一一对应，并应用过程解析构建工作流，以支持群体间的协同工作。本例中应用动测信息调整有限元模型，然后输出特定工况下的校验系数。调整前后的部分频率信息如表1所示：

表1频率调整前后信息对比

项目	实测值(Hz)	调整前(Hz)	调整后(Hz)	误差(调整后)
					1阶频率	5.89	6.31	6.02	2.2％
2阶频率	10.51	10.94	10.44	-0.7％
					3阶频率	12.46	13.38	12.77	2.4％
4阶频率	22.97	24.43	23.31	1.4％

在役桥梁结构的劣化是有限元模型需要调整的主要原因，其影响因素包括材料的劣化、几何参数的改变、支座损伤、预应力筋松弛等。根据管理群体对桥梁检测的结果，敏感性参数选择算法将材料的劣化和预应力筋的松弛作为敏感性分析的参数，最终确定主梁材料弹性模型为敏感性参数。调整前后取值如表2所示。调整前后的弹性模量均比理论值大，原因是建模中未模拟预应力钢束和铺装层，而这两部分在一定程度上提高了结构的刚度，而调整后的值比调整前的值有所降低，原因是结构在运营过程中的劣化导致刚度降低。

表2弹性模量信息对比

项目	理论值(MPa)	调整前(MPa)	调整后(MPa)
				弹性模量	3.25×104Mpa	4.27×104Mpa	3.89×104Mpa

应用调整后的ANSYS模型，对根据管理群体提出的“跨中最大弯矩时跨中挠度”工况进行分析，结果如表3所示。

表3模型调整前后信息对比

工况	实测值(mm)	调整前(mm)	调整后(mm)	校验系数
					跨中弯矩	16.38	15.22	16.53	0.99

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.面向全过程的高速铁路桥梁安全评估方法，其特征在于，包括桥梁全寿命内参与桥梁安全受控的主要群体的群体层、由桥梁安全受控的实现模块组成的业务层和桥梁安全受控的实施结果的成果层这三个层次；

所述群体层包括设计群体、施工群体、管理群体；

所述业务层由设计阶段、施工阶段和管理阶段这三个阶段组成；

所述设计阶段、所述施工阶段、所述管理阶段的参与群体均包括所述设计群体、所述施工群体、所述管理群体；

所述设计阶段、所述施工阶段、所述管理阶段通过有限元系统，分析结构和构件在特定工况下的内力和变形，保证内力和变形在材料所允许的范围之内，并不影响正常使用；

在所述施工阶段，在高速铁路桥梁路基内埋入一传感器系统，传感器系统包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器；数据采集子系统还包括联网信息采集系统；

温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器，分别用于采集温度、湿度、压力、位移参数；联网信息采集系统用于与外围计算机进行数据交互；

温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器，均采用无线传感器，所述无线传感器的电源输入端连接有一震动发电电源；

所述震动发电电源包括一压电陶瓷片，压电陶瓷片通过一整理稳压电路连接一蓄电电容，蓄电电容采用钽电容，胆电容后方连接有一施密特触发电路，进而连接所述无线传感器的电源输入端；

在胆电容电压超过一设定阈值时，施密特触发电路开始为无线传感器供电；在胆电容电压低于另一设定阈值时停止供电。