CN112626944B - 一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测方法，所述方法包括：获取梁端和梁端伸缩装置的监测数据；基于所述监测数据，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，以在所述梁端伸缩装置出现结构损伤，影响行车安全前对所述梁端伸缩装置进行处理。本发明还公开了一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测系统。本发明的有益效果为：通过多源监测数据可实现对梁端伸缩装置的结构状态的全面监测，以确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

Description

一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测方法及系统

技术领域

本发明涉及铁路桥梁技术领域，具体而言，涉及一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测方法及系统。

背景技术

相关技术中，在对大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置进行监测时，大部分只对对梁端伸缩装置的纵向位移这种单一状态进行监测，随着大跨度铁路桥梁的建设，大量程伸缩装置的出现，仅监测伸缩装置纵向位移也无法满足运营要求，同时当前伸缩装置系统仅限于收集数据，无法实现对梁端伸缩装置当前的结构状态的全面评估，以确定梁端伸缩装置当前的结构状态。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测方法和系统，可实现对梁端伸缩装置的结构状态的全面监测，以确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

本发明提供了一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测方法，所述方法包括：

获取梁端和梁端伸缩装置的监测数据；

基于所述监测数据，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，以在所述梁端伸缩装置出现结构损伤，影响行车安全前对所述梁端伸缩装置进行处理。

作为本发明进一步的改进，所述监测数据包括第一数据和第二数据，

所述基于所述监测数据，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，包括：

通过所述第一数据确定轨道不平顺状态，并基于所述轨道不平顺状态确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态；

通过所述第二数据确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，并基于所述疲劳可靠性确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

作为本发明进一步的改进，所述第一数据包括轨检车数据，

所述通过所述第一数据确定轨道不平顺状态，并基于所述轨道不平顺状态确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，包括：

通过所述轨检车数据，提取其中的轨道不平顺数据，基于所述轨道不平顺数据确定所述梁端伸缩装置处轨道结构状态；

基于所述梁端伸缩装置处轨道结构状态，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

作为本发明进一步的改进，所述第二数据包括环境数据、主引桥变位数据和梁端伸缩装置响应数据，

所述通过所述第二数据确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，并基于所述疲劳可靠性确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，包括：

基于所述环境数据、所述主引桥变位数据和所述梁端伸缩装置响应数据，建立梁端伸缩装置评估模型；

采用核密度估计法对所述梁端伸缩装置的力学行为参数进行估计，确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性；

基于所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

作为本发明进一步的改进，所述主引桥变位数据包括主引桥纵向相对位移、主引桥横向相对位移和主引桥梁端横向转角，

其中，所述主引桥横向相对位移ΔL通过所述梁端伸缩装置处上下游纵向位移获得，ΔL＝L/cosθ-L；

式中，θ为主引桥梁端横向转角，L为梁端伸缩装置横向长度；

其中，θ＝arctan(l/H)，l为梁端伸缩装置处主引桥纵向相对位移，H为梁端伸缩装置处上下游的两个位移传感器间的横向间距。

作为本发明进一步的改进，所述梁端伸缩装置响应数据包括滑动轨枕纵向位移、滑动钢枕歪斜度、梁端伸缩装置应变和连杆应力。作为本发明进一步的改进，所述监测数据还包括第三数据，所述方法还包括：根据所述第二数据和所述第三数据，确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态。

作为本发明进一步的改进，所述第二数据包括主引桥横向相对位移，所述第三数据包括行车状态数据，

所述根据所述第二数据和所述第三数据，确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态，包括：

通过所述梁端横向相对位移，对所述梁端伸缩装置处的轨道状态建立评估模型；

采用核密度估计法对所述梁端伸缩装置处轨道横向位移进行估计，并与预设轨道横向位移进行比较，确定列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性；

基于列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性和所述行车状态数据，确定所述梁端伸缩装置处当前的行车状态。

作为本发明进一步的改进，所述监测数据还包括第四数据，

所述方法还包括：通过所述第四数据，确定所述梁端伸缩装置当前的外观状态，以识别所述梁端伸缩装置的外部结构变形形态。

本发明还提供了一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测系统，所述系统包括：

传感器模块，用于获取梁端和梁端伸缩装置的监测数据；

评估模块，用于基于所述监测数据，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，以在所述梁端伸缩装置出现结构损伤，影响行车安全前对所述梁端伸缩装置进行处理。

作为本发明进一步的改进，所述监测数据包括第一数据和第二数据，所述评估模块被配置为：

通过所述第一数据确定轨道不平顺状态，并基于所述轨道不平顺状态确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态；

通过所述第二数据确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，并基于所述疲劳可靠性确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

作为本发明进一步的改进，所述第一数据包括轨检车数据，

所述通过所述第一数据确定轨道不平顺状态，并基于所述轨道不平顺状态确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，包括：

通过所述轨检车数据，提取其中的轨道不平顺数据，基于所述轨道不平顺数据确定所述梁端伸缩装置处轨道结构状态；

基于所述梁端伸缩装置处轨道结构状态，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

作为本发明进一步的改进，所述第二数据包括环境数据、主引桥变位数据和梁端伸缩装置响应数据，

所述通过所述第二数据确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，并基于所述疲劳可靠性确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，包括：

基于所述环境数据、所述主引桥变位数据和所述梁端伸缩装置响应数据，建立梁端伸缩装置评估模型；

采用核密度估计法对所述梁端伸缩装置的力学行为参数进行估计，确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性；

基于所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

作为本发明进一步的改进，所述主引桥变位数据包括主引桥纵向相对位移、主引桥横向相对位移和主引桥梁端横向转角，

其中，所述主引桥横向相对位移ΔL通过所述梁端伸缩装置处上下游纵向位移获得，ΔL＝L/cosθ-L；

式中，θ为主引桥梁端横向转角，L为梁端伸缩装置横向长度；

其中，θ＝arctan(l/H)，l为梁端伸缩装置处主引桥纵向相对位移，H为梁端伸缩装置处上下游的两个位移传感器间的横向间距。

作为本发明进一步的改进，所述梁端伸缩装置响应数据包括滑动轨枕纵向位移、滑动钢枕歪斜度、梁端伸缩装置应变和连杆应力。

作为本发明进一步的改进，所述监测数据还包括第三数据，所述评估模块被进一步配置为：根据所述第二数据和所述第三数据，确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态。

作为本发明进一步的改进，所述第二数据包括主引桥横向相对位移，所述第三数据包括行车状态数据，

所述根据所述第二数据和所述第三数据，确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态，包括：

通过所述梁端横向相对位移，对所述梁端伸缩装置处的轨道状态建立评估模型；

采用核密度估计法对所述梁端伸缩装置处轨道横向位移进行估计，并与预设轨道横向位移进行比较，确定列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性；

基于列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性和所述行车状态数据，确定所述梁端伸缩装置处当前的行车状态。

作为本发明进一步的改进，所述监测数据还包括第四数据，所述评估模块被进一步配置为：通过所述第四数据，确定所述梁端伸缩装置当前的外观状态，以识别所述梁端伸缩装置的外部结构变形形态。

本发明的有益效果为：通过多源监测数据可实现对梁端伸缩装置的结构状态的全面监测，以确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。通过多源监测数据还可实现对梁端伸缩装置的行车状态、外观状态的监测，以确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态、外观状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一示例性实施例所述的一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测方法的流程示意图；

图2为本发明一示例性实施例所述的一种下承式梁端伸缩装置的立体图；

图3为本发明一示例性实施例所述的一种下承式梁端伸缩装置的侧视图；

图4为本发明一示例性实施例所述的一种上承式梁端伸缩装置的立体图；

图5为本发明一示例性实施例所述的计算主引桥横向相对位移的示意图；

图6为本发明一示例性实施例所述的一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测系统的框图示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定所述元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明所述实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本发明所述实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本发明所述原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。

本发明实施例所述的一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测方法，如图1所示，所述方法包括：

S1，获取梁端和梁端伸缩装置的监测数据；

S2，基于所述监测数据，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，以在所述梁端伸缩装置出现结构损伤，影响行车安全前对所述梁端伸缩装置进行处理。

大跨度铁路桥梁一般会在梁端设置伸缩构造(主要包括梁端伸缩装置和钢轨伸缩调节器)，用于保证钢轨在主引桥梁缝处的可靠过渡和支承，同时适应温度、列车活载等作用下的主引桥梁端变位。梁端伸缩装置(Bridge Expansion Joint，BEJ)与钢轨伸缩调节器(Rail Expansion Joint，REJ)作为大跨度铁路桥梁梁端部位的特殊构造，除需要适应梁缝部位的平动位移和转角等空间变位，也应具有良好的强度和刚度，以保证高速列车通过此区域的安全性和平稳性。

其中，梁端伸缩装置是大跨度铁路桥梁结构中最薄弱的部位，易受到行车荷载、梁体温度变化、梁端旋转、梁的挠度等因素的影响。而相关技术在对梁端伸缩装置进行监测时，只能对梁端伸缩装置的纵向位移这种单一状态参数进行监测，无法全面获取梁端伸缩装置当前的结构状态(多个状态参数)。然而仅监测大跨度铁路桥梁中梁端伸缩装置的纵向位移，已经无法满足大跨度铁路桥梁的运营需求。另外，现有针对梁端伸缩装置监测的系统或方法，仅能收集梁端伸缩装置的相关数据，对于收集到的数据没有进行后续分析处理，以致无法评估梁端伸缩装置的当前结构状态。本发明所述方法，获取用于监测梁端伸缩装置当前的结构状态的监测数据，根据所述监测数据可实现多个状态参数的同时监测，及时确定监测梁端伸缩装置当前的结构状态，可对大跨度铁路桥梁中梁端伸缩装置的运营状态进行实时评估。相较于仅能实现单连杆梁端伸缩装置剪刀叉和双连杆梁端伸缩装置剪刀叉的变形监测，本发明所述方法通过所述监测数据能实现对梁端伸缩装置当前的结构状态的全面评估，以确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。可以理解的是，在确定梁端伸缩装置当前的结构状态后，可对结构状态的现状进行评估，以在出现结构损伤、影响列车行车安全前，对梁端伸缩装装置进行相关处理，该评估结果可指导当前梁端伸缩装置的养护维修，可提高大跨度铁路桥梁的使用寿命，也能确保列车在大跨度铁路桥梁上通行的安全性和平稳性。

还可以理解的是，本发明所述梁端伸缩装置可为下承式梁端伸缩装置，如图2和3所示，还可为上承式梁端伸缩装置，如图4所示。本发明对梁端伸缩装置的类型不做具体限定。

其中，所述监测数据通过预设传感器采集获取。例如在梁端和所述梁端伸缩装置上布置各个预设传感器，通过各个预设传感器采集到的原始数据，对原始数据进行预处理后，可得到所述监测数据。所述预处理例如可以为提取参与计算的数据，剔除异常数据等。可以理解的是，梁端伸缩装置不仅在强度、刚度上要满足结构受力和梁端行车的要求，同时还需适应大位移量的纵向收缩和横向变位，为保证梁端伸缩构造的正常工作，以及确保行车安全，可在梁端和所述梁端伸缩装置的重要部位布置必要的传感元件，获取原始数据，以实时监测梁端和梁端伸缩装置的性能变化。

一种可选的实施方式，所述监测数据包括第一数据和第二数据，

所述基于所述监测数据，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，包括：

通过所述第一数据确定轨道不平顺状态，并通过所述不平顺状态确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态；

通过所述第二数据确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，并通过所述疲劳可靠性确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

相关技术中，有涉及通过监测数据对桥梁大位移伸缩缝进行监测的方法，该方法针对的是公路模数式大位移伸缩缝的监测，无法适用于大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置的监测。还有涉及以桥梁主梁的温度、竖向加速度和纵向位移作为监测量，对大跨度铁路桥梁伸缩缝进行监测的方法，该方法只能实现基于梁端纵向位移对桥梁伸缩缝进行损伤判断。本发明所述方法相较于对桥梁伸缩缝进行监测的方法，可从多源监测数据来实现对所述梁端伸缩装置当前的结构状态的全面监测。例如，所述监测数据可包括用于间接确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态的所述第一数据，还可包括用于直接确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态的所述第二数据。

一种可选的实施方式，所述第一数据包括轨检车数据，

所述通过所述第一数据确定轨道不平顺状态，并基于所述轨道不平顺状态确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，包括：

通过所述轨检车数据，提取其中的轨道不平顺数据，基于所述轨道不平顺数据确定所述梁端伸缩装置处轨道结构状态；

基于所述梁端伸缩装置处轨道结构状态，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

可以理解的是，所述梁端伸缩装置当前的结构状态的间接确定例如可通过所述轨检车数据进行，由于梁端伸缩装置的变形状态将间接反映在轨道不平顺上，通过所述轨检车数据可获得轨道不平顺数据，基于该不平顺数据可确定梁端伸缩装置处轨道结构状态，以此可间接评估所述梁端伸缩装置当前的结构状态。上述列举的所述轨检车数据，为所述第一数据的一示例，本发明对所述第一数据包括的所有数据不做具体限定。

一种可选的实施方式，所述第二数据包括环境数据、主引桥变位数据和梁端伸缩装置响应数据，

所述通过所述第二数据确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，并基于所述疲劳可靠性确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，包括：

基于所述环境数据、所述主引桥变位数据和所述梁端伸缩装置响应数据，建立梁端伸缩装置评估模型；

采用核密度估计法对所述梁端伸缩装置的力学行为参数进行估计，确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性；

基于所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

通过大量实验验证表明，所述梁端伸缩装置受环境(例如温度、风等)影响较大，使得主引桥横向之间存在变形差，因此环境数据(例如温度、风速风向)是确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态的重要参数。对于主引桥变位数据，同样作为所述梁端伸缩装置的重点监测数据，是确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态的又一重要参数。另外，所述梁端伸缩装置响应数据，例如，伸缩装置滑动轨枕的纵向伸缩位移、相邻滑动轨枕的纵向位移差造成的轨枕歪斜度同样也会影响刚度和行车的平稳性。因此，将所述述梁端伸缩装置响应数据作为确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态的又一重要参数。上述列举的所述环境数据、所述主引桥变位数据和所述梁端伸缩装置响应数据为所述第二数据的一示例，本发明对所述第二数据包括的所有数据不做具体限定。

可以理解的是，所述梁端伸缩装置当前的结构状态的直接确定例如可通过所述环境数据、所述主引桥变位数据和所述梁端伸缩装置响应数据进行。对大量原始数据进行分析，所述环境数据、所述主引桥变位数据和所述梁端伸缩装置响应数据并不服从常见分布(例如正态分布等)。对这些不常见分布的数据，本发明所述方法采用核密度估计法，对建立好的模型进行非参数估计，实现对所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性评估，以此可直接评估所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

本发明所述方法引入对所述梁端伸缩装置当前的结构状态的间接确定和直接确定方法，两者结合，可利用多源监测数据实现对所述梁端伸缩装置当前的结构状态的全面监测，以确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

其中，所述主引桥变位数据包括主引桥纵向相对位移、主引桥横向相对位移和主引桥梁端横向转角。所述主引桥横向相对位移ΔL可通过所述梁端伸缩装置处上下游纵向位移经计算获得。如图5所示，首先通过布置在梁端伸缩装置上下游安装的两个位移传感元件分别获取梁端伸缩装置处上下游纵向位移，得到梁端伸缩装置处主引桥纵向相对位移l，进而计算得到主引桥梁端横向转角θ，θ＝arctan(lH)，其中，H为梁端伸缩装置处上下游的两个位移传感器间的横向间距，最后计算得到主引桥横向相对位移，ΔL＝L/cosθ-L，其中，L为梁端伸缩装置横向长度。上述列举数据仅为所述主引桥变位数据的一示例，本发明对所述主引桥变位数据包括的所有数据不做具体限定。

其中，所述梁端伸缩装置响应数据包括滑动轨枕纵向位移、滑动钢枕歪斜度、梁端伸缩装置应变和连杆应力。上述列举数据仅为所述梁端伸缩装置响应数据的一示例，本发明对所述梁端伸缩装置响应数据包括的所有数据不做具体限定。

一种可选的实施方式，所述监测数据还包括第三数据，所述方法还包括：根据所述第二数据和所述第三数据，确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态。

一种可选的实施方式，所述第二数据包括主引桥横向相对位移，所述第三数据包括行车状态数据，

所述根据所述第二数据和所述第三数据，确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态，包括：

通过所述梁端横向相对位移，对所述梁端伸缩装置处的轨道建立轨道评估模型；

采用核密度估计法对所述梁端伸缩装置处轨道横向位移进行估计，并与预设轨道横向位移进行比较，确定列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性；

基于列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性和所述行车状态数据，确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态。

可以理解的是，所述监测数据还包括用于确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态的所述第三数据。所述第三数据例如包括行车状态数据，对行车状态数据的实时监测也可以间接反映所述梁端伸缩装置当前的行车状态。通过在梁端安装预设传感器，同时监测例如车速、轮重、轮轨力、减载率、脱轨系数、轮轴横向力等行车状态数据，从而对梁端行车状态进行间接评估。通过梁端横向相对位移来对梁端伸缩装置处的轨道建立轨道评估模型，确定列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性，该可靠性可理解为直接确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态。本发明所述方法例如通过梁端横向相对位移和行车状态数据，可以实现对所述梁端伸缩装置当前的行车状态的直接评估和间接评估，以确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态。

由于横向折角会对梁端行车造成直接影响，因此，梁端横向折角一般应小于1‰，不超过1.5‰～2‰。本发明所述方法采用轨道横向位移来分析列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性，采用核密度估计法对梁端伸缩装置处轨道横向位移进行可靠性分析，并设置横向位移预警限值，随着监测数据的积累，可以在长期桥梁运营监测中更新用于预警的可靠概率和统计冗余度。

一种可选的实施方式，所述监测数据还包括第四数据，所述方法还包括：通过所述第四数据，确定所述梁端伸缩装置当前的外观状态，以识别所述梁端伸缩装置的外部结构变形形态。

可以理解的是，所述监测数据还包括用于确定所述梁端伸缩装置当前的外观状态的所述第四数据。所述第四数据例如可以通过视频监测设备获取。梁端伸缩装置在运营过程中会出现外观锈蚀、螺栓缺失、连杆折弯等病害，采用图像识别方法对所述第四数据进行识别，可实时对所述梁端伸缩装置当前的外观状态进行监测，以识别所述梁端伸缩装置外部是否存在损伤以及变形形态。所述外部结构变形形态例如是外观锈蚀、螺栓缺失以及局部变形等。本发明所述方法通过例如视频图像数据，可以实现对所述梁端伸缩装置当前的外观状态的评估，以确定所述梁端伸缩装置当前的外观状态。

本发明所述方法，通过对梁端和梁端伸缩装置上各个预设传感器采集到的数据进行融合处理、分析评估，可实现对例如环境数据(包括温湿度、风速风向等参数)、主引桥变位数据(纵向位移、横向位移、梁端转角等参数)、梁端伸缩装置响应数据(例如位移、应力等参数)、梁端伸缩装置外观数据(例如外观形变等病害)、行车状态数据(例如脱轨系数、减载率等参数)、轨检车数据(例如轨道不平顺参数)的多源数据的实时监测，并可利用多源监测数据实现对大跨度桥梁梁端伸缩装置当前的结构状态(包括间接评估的结构状态和直接评估的结构状态)、行车状态(包括直接评估列车行车状态和间接评估列车行车状态)、外观状态(包括外观锈蚀、螺栓缺失以及局部变形等病害)的诊断确定。

本发明实施例所述的一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测系统，所述系统包括：

传感器模块，用于获取梁端和梁端伸缩装置的监测数据；

评估模块，用于基于所述监测数据，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，以在所述梁端伸缩装置出现结构损伤，影响行车安全前对所述梁端伸缩装置进行处理。

大跨度铁路桥梁一般会在梁端设置伸缩构造(主要包括梁端伸缩装置和钢轨伸缩调节器)，用于保证钢轨在主引桥梁缝处的可靠过渡和支承，同时适应温度、列车活载等作用下的主引桥梁端变位。梁端伸缩装置(Bridge Expansion Joint，BEJ)与钢轨伸缩调节器(Rail Expansion Joint，REJ)作为大跨度铁路桥梁梁端部位的特殊构造，除需要适应梁缝部位的平动位移和转角等空间变位，也应具有良好的强度和刚度，以保证高速列车通过此区域的安全性和平稳性。

其中，梁端伸缩装置是大跨度铁路桥梁结构中最薄弱的部位，易受到行车荷载、梁体温度变化、梁端旋转、梁的挠度等因素的影响。而相关技术在对梁端伸缩装置进行监测时，只能对梁端伸缩装置的纵向位移这种单一状态参数进行监测，无法全面获取梁端伸缩装置当前的结构状态(多个状态参数)。然而仅监测大跨度铁路桥梁中梁端伸缩装置的纵向位移，已经无法满足大跨度铁路桥梁的运营需求。另外，现有针对梁端伸缩装置监测的系统或方法，仅能收集梁端伸缩装置的相关数据，对于收集到的数据没有进行后续分析处理，以致无法评估梁端伸缩装置的当前结构状态。本发明所述系统，获取用于监测梁端伸缩装置当前的结构状态的监测数据，根据所述监测数据可实现多个状态参数的同时监测，及时确定监测梁端伸缩装置当前的结构状态，可对大跨度铁路桥梁中梁端伸缩装置的运营状态进行实时评估。相较于仅能实现单连杆梁端伸缩装置剪刀叉和双连杆梁端伸缩装置剪刀叉的变形监测，本发明所述方法通过所述监测数据能实现对梁端伸缩装置当前的结构状态的全面评估，以确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。可以理解的是，在确定梁端伸缩装置当前的结构状态后，可对结构状态的现状进行评估，以在出现结构损伤、影响列车行车安全前，对梁端伸缩装装置进行相关处理，该评估结果可指导当前梁端伸缩装置的养护维修，可提高大跨度铁路桥梁的使用寿命，也能确保列车在大跨度铁路桥梁上通行的安全性和平稳性。

还可以理解的是，本发明所述梁端伸缩装置可为下承式梁端伸缩装置，如图2和3所示，还可为上承式梁端伸缩装置，如图4所示。本发明对梁端伸缩装置的类型不做具体限定。

其中，所述监测数据通过预设传感器采集获取。例如在梁端和所述梁端伸缩装置上布置各个预设传感器，通过各个预设传感器采集到的原始数据，对原始数据进行预处理后，可得到所述监测数据。所述预处理例如可以为提取参与计算的数据，剔除异常数据等。可以理解的是，梁端伸缩装置不仅在强度、刚度上要满足结构受力和梁端行车的要求，同时还需适应大位移量的纵向收缩和横向变位，为保证梁端伸缩构造的正常工作，以及确保行车安全，可在梁端和所述梁端伸缩装置的重要部位布置必要的传感元件，获取原始数据，以实时监测梁端和梁端伸缩装置的性能变化。

一种可选的实施方式，所述监测数据包括第一数据和第二数据，所述评估模块被配置为：

通过所述第一数据确定轨道不平顺状态，并基于所述轨道不平顺状态确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态；

通过所述第二数据确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，并基于所述疲劳可靠性确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

相关技术中，有涉及通过监测数据对桥梁大位移伸缩缝进行监测的方法，该方法针对的是公路模数式大位移伸缩缝的监测，无法适用于大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置的监测。还有涉及以桥梁主梁的温度、竖向加速度和纵向位移作为监测量，对大跨度铁路桥梁伸缩缝进行监测的方法，该方法只能实现基于梁端纵向位移对桥梁伸缩缝进行损伤判断。本发明所述方法相较于对桥梁伸缩缝进行监测的方法，可从多源监测数据来实现对所述梁端伸缩装置当前的结构状态的全面监测。例如，所述监测数据可包括用于间接确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态的所述第一数据，还可包括用于直接确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态的所述第二数据。

一种可选的实施方式，所述第一数据包括轨检车数据，

所述通过所述第一数据确定轨道不平顺状态，并基于所述轨道不平顺状态确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，包括：

通过所述轨检车数据，提取其中的轨道不平顺数据，基于所述轨道不平顺数据确定所述梁端伸缩装置处轨道结构状态；

基于所述梁端伸缩装置处轨道结构状态，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

可以理解的是，所述梁端伸缩装置当前的结构状态的间接确定例如可通过所述轨检车数据进行，由于梁端伸缩装置的变形状态将间接反映在轨道不平顺上，通过所述轨检车数据可获得轨道不平顺数据，基于该不平顺数据可确定梁端伸缩装置处轨道结构状态，以此可间接评估所述梁端伸缩装置当前的结构状态。上述列举的所述轨检车数据，为所述第一数据的一示例，本发明对所述第一数据包括的所有数据不做具体限定。

一种可选的实施方式，所述第二数据包括环境数据、主引桥变位数据和梁端伸缩装置响应数据，

所述通过所述第二数据确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，并基于所述疲劳可靠性确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，包括：

基于所述环境数据、所述主引桥变位数据和所述梁端伸缩装置响应数据，建立梁端伸缩装置评估模型；

采用核密度估计法对所述梁端伸缩装置的力学行为参数进行估计，确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性；

基于所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

通过大量实验验证表明，所述梁端伸缩装置受环境(例如温度、风等)影响较大，使得主引桥横向之间存在变形差，因此环境数据(例如温度、风速风向)是确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态的重要参数。对于主引桥变位数据，同样作为所述梁端伸缩装置的重点监测数据，是确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态的又一重要参数。另外，所述梁端伸缩装置响应数据，例如，伸缩装置滑动轨枕的纵向伸缩位移、相邻滑动轨枕的纵向位移差造成的轨枕歪斜度同样也会影响刚度和行车的平稳性。因此，将所述述梁端伸缩装置响应数据作为确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态的又一重要参数。上述列举的所述环境数据、所述主引桥变位数据和所述梁端伸缩装置响应数据为所述第二数据的一示例，本发明对所述第二数据包括的所有数据不做具体限定。

可以理解的是，所述梁端伸缩装置当前的结构状态的直接确定例如可通过所述环境数据、所述主引桥变位数据和所述梁端伸缩装置响应数据进行。对大量原始数据进行分析，所述环境数据、所述主引桥变位数据和所述梁端伸缩装置响应数据并不服从常见分布(例如正态分布等)。对这些不常见分布的数据，本发明所述方法采用核密度估计法，对建立好的模型进行非参数估计，实现对所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性评估，以此可直接评估所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

本发明所述系统引入对所述梁端伸缩装置当前的结构状态的间接确定和直接确定方法，两者结合，可利用多源监测数据实现对所述梁端伸缩装置当前的结构状态的全面监测，以确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

其中，所述主引桥变位数据包括主引桥纵向相对位移、主引桥横向相对位移和主引桥梁端横向转角。所述主引桥横向相对位移ΔL可通过所述梁端伸缩装置处上下游纵向位移经计算获得。如图5所示，首先通过布置在梁端伸缩装置上下游安装的两个位移传感元件分别获取梁端伸缩装置处上下游的纵向位移，得到梁端伸缩装置处主引桥纵向相对位移l，进而计算得到主引桥梁端横向转角，θ＝arctan(l/H)，其中，H为梁端伸缩装置处上下游的两个位移传感器间的横向间距，最后计算得到主引桥横向相对位移，ΔL＝L/cosθ-L，其中，L为梁端伸装置横向长度。上述列举数据仅为所述主引桥变位数据的一示例，本发明对所述主引桥变位数据包括的所有数据不做具体限定。

其中，所述梁端伸缩装置响应数据包括滑动轨枕纵向位移、滑动钢枕歪斜度、梁端伸缩装置应变和连杆应力。上述列举数据仅为所述梁端伸缩装置响应数据的一示例，本发明对所述梁端伸缩装置响应数据包括的所有数据不做具体限定。

一种可选的实施方式，所述监测数据还包括第三数据，所述评估模块被进一步配置为：根据所述第二数据和所述第三数据，确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态。

一种可选的实施方式，所述第二数据包括主引桥横向相对位移，所述第三数据包括行车状态数据，

所述根据所述第二数据和所述第三数据，确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态，包括：

通过所述梁端横向相对位移，对所述梁端伸缩装置处的轨道建立轨道评估模型；

采用核密度估计法对所述梁端伸缩装置处轨道横向位移进行估计，并与预设轨道横向位移进行比较，确定列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性；

基于列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性和所述行车状态数据，确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态。

可以理解的是，所述监测数据还包括用于确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态的所述第三数据。所述第三数据例如包括行车状态数据，对行车状态数据的实时监测也可以间接反映所述梁端伸缩装置当前的行车状态。通过在梁端安装预设传感器，同时监测例如车速、轮重、轮轨力、减载率、脱轨系数、轮轴横向力等行车状态数据，从而对梁端行车状态进行间接评估。通过梁端横向相对位移来对梁端伸缩装置处的轨道建立轨道评估模型，确定列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性，该可靠性可理解为所述梁端伸缩装置当前的行车状态。本发明所述方法例如通过梁端横向相对位移和行车状态数据，可以实现对所述梁端伸缩装置当前的行车状态的直接评估和间接评估，以确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态。

由于横向折角会对梁端行车造成直接影响，因此，梁端横向折角一般应小于1‰，不超过1.5‰～2‰。本发明所述方法采用轨道横向位移来分析列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性，采用核密度估计法对梁端伸缩装置处轨道横向位移进行可靠性分析，并设置横向位移预警限值，随着监测数据的积累，可以在长期桥梁运营监测中更新用于预警的可靠概率和统计冗余度。

一种可选的实施方式，所述监测数据还包括第四数据，所述评估模块被进一步配置为：通过所述第四数据，确定所述梁端伸缩装置当前的外观状态，以识别所述梁端伸缩装置的外部结构变形形态。

可以理解的是，所述监测数据还包括用于确定所述梁端伸缩装置当前的外观状态的所述第四数据。所述第四数据例如可以通过视频监测设备获取。梁端伸缩装置在运营过程中会出现外观锈蚀、螺栓缺失连杆折弯等病害，采用图像识别方法对所述第四数据进行识别，可实时对所述梁端伸缩装置当前的外观状态进行监测，以识别所述梁端伸缩装置外部是否存在损伤以及变形形态。所述外部结构变形形态例如是外观锈蚀、螺栓缺失以及局部变形等。本发明所述系统通过例如视频图像数据，可以实现对所述梁端伸缩装置当前的外观状态的评估，以确定所述梁端伸缩装置当前的外观状态。

本发明所述系统，通过对梁端和梁端伸缩装置上各个预设传感器采集到的数据进行融合处理、分析评估，如图6所示，可实现对例如环境数据(包括温湿度、风速风向等参数)、主引桥变位数据(纵向位移、横向位移、梁端转角等参数)、梁端伸缩装置响应数据(例如位移、应力等参数)、梁端伸缩装置外观数据(例如外观形变等病害)、行车状态数据(例如脱轨系数、减载率等参数)、轨检车数据(例如轨道不平顺参数)的多源数据的实时监测，并可利用多源监测数据实现对大跨度桥梁梁端伸缩装置当前的结构状态(包括间接评估的结构状态和直接评估的结构状态)、行车状态(包括直接评估列车行车状态和间接评估列车行车状态)、外观状态(包括外观锈蚀、螺栓缺失以及局部变形等病害)的诊断确定。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

此外，本领域普通技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本领域技术人员应理解，尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (7)

1.一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测方法，其特征在于，所述方法包括：

获取梁端和梁端伸缩装置的监测数据；

基于所述监测数据，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，以在所述梁端伸缩装置出现结构损伤，影响行车安全前对所述梁端伸缩装置进行处理；

其中，所述监测数据包括第一数据和第二数据，所述第一数据包括轨检车数据，所述第二数据包括环境数据、主引桥变位数据和梁端伸缩装置响应数据，

所述基于所述监测数据，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，包括：

通过所述第一数据确定轨道不平顺状态，并基于所述轨道不平顺状态确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态；包括：

通过所述轨检车数据，提取其中的轨道不平顺数据，基于所述轨道不平顺数据确定所述梁端伸缩装置处轨道结构状态；

基于所述梁端伸缩装置与处轨道结构状态，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态；

通过所述第二数据确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，并基于所述疲劳可靠性确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态；包括：

基于所述环境数据、所述主引桥变位数据和所述梁端伸缩装置响应数据，建立梁端伸缩装置评估模型；

采用核密度估计法对所述梁端伸缩装置的力学行为参数进行估计，确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性；

基于所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述主引桥变位数据包括主引桥纵向相对位移、主引桥横向相对位移和主引桥梁端横向转角，

其中，所述主引桥横向相对位移ΔL通过所述梁端伸缩装置处上下游纵向位移获得，ΔL＝L/cosθ-L；

式中，θ为主引桥梁端横向转角，L为梁端伸缩装置横向长度；

其中，θ＝arctan(l/H)，l为梁端伸缩装置处主引桥纵向相对位移，H为梁端伸缩装置处上下游的两个位移传感器间的横向间距。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述梁端伸缩装置响应数据包括滑动轨枕纵向位移、滑动钢枕歪斜度、梁端伸缩装置应变和连杆应力。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述监测数据还包括第三数据，

所述方法还包括：根据所述第二数据和所述第三数据，确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述第二数据包括主引桥横向相对位移，所述第三数据包括行车状态数据，

所述根据所述第二数据和所述第三数据，确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态，包括：

通过梁端横向相对位移，对所述梁端伸缩装置处的轨道建立轨道评估模型；

采用核密度估计法对所述梁端伸缩装置处轨道横向位移进行估计，并与预设轨道横向位移进行比较，确定列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性；

基于列车在所述梁端伸缩装置上通行的可靠性和所述行车状态数据，确定所述梁端伸缩装置当前的行车状态。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述监测数据还包括第四数据，

所述方法还包括：通过所述第四数据，确定所述梁端伸缩装置当前的外观状态，以识别所述梁端伸缩装置的外部结构变形形态。

7.一种大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置监测系统，其特征在于，所述系统包括：

传感器模块，用于获取梁端和梁端伸缩装置的监测数据；

评估模块，用于基于所述监测数据，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态，以在所述梁端伸缩装置出现结构损伤，影响行车安全前对所述梁端伸缩装置进行处理；

其中，所述监测数据包括第一数据和第二数据，所述第一数据包括轨检车数据，所述第二数据包括环境数据、主引桥变位数据和梁端伸缩装置响应数据，

所述评估模块被配置为：

通过所述第一数据确定轨道不平顺状态，并基于所述轨道不平顺状态确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态；包括：

通过所述轨检车数据，提取其中的轨道不平顺数据，基于所述轨道不平顺数据确定所述梁端伸缩装置处轨道结构状态；

基于所述梁端伸缩装置与处轨道结构状态，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态；

通过所述第二数据确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，并基于所述疲劳可靠性确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态；包括：

基于所述环境数据、所述主引桥变位数据和所述梁端伸缩装置响应数据，建立梁端伸缩装置评估模型；

采用核密度估计法对所述梁端伸缩装置的力学行为参数进行估计，确定所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性；

基于所述梁端伸缩装置的疲劳可靠性，确定所述梁端伸缩装置当前的结构状态。

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