CN112818444A - 基于运营行车安全的铁路混凝土桥梁线形实时控制方法 - Google Patents

基于运营行车安全的铁路混凝土桥梁线形实时控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于运营行车安全的铁路混凝土桥梁线形实时控制方法，从大跨铁路混凝土桥梁运营行车安全角度出发，通过采用组合评估+分类评估的方式，既保证了铁路要求的高平顺性以满足运营行车安全，又充分考虑了不同荷载的变形特征对桥梁线形的影响，通过分类与设计假设的对比，提出了不同情况下的桥面线形调整值，解决了现有的采用单一组合变形值进行桥面线形调整量较大的问题。同时，考虑结合桥梁运营合理线形目标，通过对最大、最小温度变形值的评判，获得了温度变化区间，提出了基于运营合理线形的温度变形调整值，避免了由于忽略温度变形周期性造成的桥面线形调整频次增加的问题，显著降低了运营维护工作量和运营成本。

Description

基于运营行车安全的铁路混凝土桥梁线形实时控制方法
技术领域
本发明属于铁路桥梁运营维护技术领域，具体涉及一种基于运营行车安全的铁路混凝土桥梁线形实时控制方法。
背景技术
竖向挠度作为桥梁结构刚度和安全性的重要指标，在桥梁设计和运营过程中往往扮演着重要的角色。高速铁路桥梁由于速度快，其车桥动力响应更为明显。为了满足行车舒适性和安全性，铁路桥梁的设计刚度往往较公路桥梁大，使其线形(一般特指竖向静态变形)能提供较高的平顺度。然而，由于环境荷载、混凝土收缩徐变和地基沉降因素的影响，桥梁在运营期不可避免地要发生竖向变形，进而影响到行车安全。因此，需要对桥梁线形进行周期性观测，当变形达到一定程度还需要进行调整控制。
桥梁变形限值的取值更多依靠于桥梁设计标准。《铁路桥涵设计规范》明确提出了温度作用、混凝土收缩徐变和沉降各类荷载下的变形限值要求，且该规范仅适用于跨度小于128m的混凝土桥梁。相比不良地质引起的地基沉降变形非常规因素外，环境温度作用和收缩徐变对混凝土桥梁静态线形的影响更为常见和突出。由于常规铁路桥梁多采用小跨简支梁结构，纵向可自由伸缩，在温度作用下，结构竖向不会发生明显的变形，仅有收缩徐变引起竖向变形。因此，常规铁路桥梁的实测竖向静态变形更多是单一因素的影响结果，可直接按照其限值进行控制。当变形达到限值时，采用调整道砟厚度或扣件来满足线形平顺性要求。
目前，对于大跨复杂桥梁的变形限值并无明确的规定和参考。结构设计时往往会假设荷载的不利状态并进行组合，并据此检算结构的强度和刚度要求。然而，由于复杂的力学和结构特点以及所处气候环境的多变性，要在设计阶段完全掌握和预测结构在运营复杂环境中的结构行为是不现实的。因此，目前大跨桥梁(跨度大于200m)都已安装了健康监测系统，用于实时监测桥梁的变形和受力，当变形超过预设的设计限值即进行报警。但是由于结构采用多重约束的超静定结构形式，环境温度作用和混凝土收缩徐变都会引起结构的竖向静态变形，导致实测变形是二者耦合的结果。
目前该类桥梁的线形评估和调整往往只能采用组合结果进行，而温度荷载(周期性荷载)和收缩徐变荷载(非周期性荷载)的性质不一致，无法针对不同特点的变形加以区分。由于周期荷载下的桥梁变形会随着一年内时间的变化进行自动调整，为了减小运营养护工作量，桥梁的合理线形控制目标应该是以成桥线形为中心的周期变形。如完全按照组合变形结果进行桥面线形调整，忽略温度变形的周期性，会造成桥面线形调整的频次增加，且由于大跨桥梁的竖向变形较大，运营期道砟厚度调整的工作量也较大，使运营养护难度显著增大。目前，铁路大跨桥梁缺乏相应的管养标准或养护规范，对于运营期桥梁线形调整控制方法也尚属空白。
发明内容
本发明所要解决的是现有技术的桥梁线形平顺度的调整方法调整工作量大，缺乏对大跨铁路桥梁的后期运营维护指导，且无法对不同特点的变形加以区分而进行相应的桥面线形调整的上述不足，提供一种基于运营行车安全的铁路混凝土桥梁线形实时控制方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种基于运营行车安全的铁路混凝土桥梁线形实时控制方法，包括如下步骤：
a、以每日某一时刻为基准，通过桥面挠度监测系统采集每个测点每个日历天的挠度数据Di和其对应的温度数据Ti，i＝1,2,3,…；
b、当任一测点第i个日历天的挠度数据Di超过其对应的组合变形限值时，对对应测点的挠度数据进行温度变形和残余变形分离，获得对应测点的累积残余变形估计值曲线；
c、判断对应测点截止到第i个日历天的累积残余变形估计值δs是否超过其对应的残余变形限值，
若是，取累积残余变形估计值δs为对应测点的线形调整量，线形调整完成后重复步骤a继续监测；
若否，进入下一步；
d、将对应测点的i个日历天的挠度曲线扣除累积残余变形估计值曲线，获得对应测点的温度变形估计值曲线，从中选出最大温度变形估计值δMax和最小温度变形估计值δMin；
e、判断
Figure BDA0002900692600000031
是否超过对应测点的温度变形限值δT，
若是，取
Figure BDA0002900692600000032
为对应测点的线形调整量；
若否，取
Figure BDA0002900692600000033
为对应测点的线形调整量；
f、调整完毕后，重复进行步骤a继续监测。
优选的，步骤b包含如下步骤：
b1、对对应测点的温度数据和挠度数据建立i个样本库，第i个样本库包含第1日的挠度数据及其对应的温度数据至第i日的挠度数据及其对应的温度数据；
b2、采用线性回归估计法，对每个样本库内的挠度数据及其对应的温度数据进行拟合，获得每个样本库的温差效应系数；
b3、以初始挠度数据D1及其对应的温度数据T1为基准，通过温差效应系数计算每个样本库的日温度效应值；
b4、从对应测点的i个挠度数据中分别扣除对应的日温度效应值，得到i个日残余变形数据，再对i个日残余变形数据进行回归分析获得截止到第i日的累积残余变形估计值曲线。
进一步优选的，在所述步骤b2中，线性回归估计法为最小二乘法。
进一步优选的，累积残余变形估计值的回归函数采用二次多项式函数和幂函数。
进一步优选的，在步骤b2中，温差效应系数Ki通过
Figure BDA0002900692600000041
计算，其中，Tj表示该样本库内第j个温度数据，
Figure BDA0002900692600000042
表示该样本库的平均温度，Dj表示该样本库内第j个挠度数据，
Figure BDA0002900692600000043
表示该样本库的平均挠度，j＝1,2,3……i。
优选的，在所述步骤b中，当桥梁的跨度L>200m时，根据车桥耦合计算结果分别确定温度变形允许值和残余变形允许值，将温度变形允许值和残余变形允许值叠加获得组合变形限值。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明从大跨铁路混凝土桥梁运营行车安全角度出发，提出了大跨桥梁运营线形的实时控制方法。通过采用组合评估+分类评估的方式，既保证了铁路要求的高平顺性以满足运营行车安全，又充分考虑了不同荷载的变形特征，如温度荷载引起的周期变形、收缩徐变荷载变形为递增变形对桥梁线形的影响，通过分类与设计假设的对比，提出了不同情况下的桥面线形调整值，解决了现有的采用单一组合变形值进行桥面线形调整量较大的问题。同时，考虑结合桥梁运营合理线形目标，通过对最大、最小温度变形值的评判，获得了温度变化区间，提出了基于运营合理线形的温度变形调整值，避免了由于忽略温度变形周期性造成的桥面线形调整频次增加的问题，显著降低了运营维护工作量和运营成本，对我国铁路运营管理具有重大意义。
此外，该方法由于不需要人为对实测数据进行以年为单位的周期划分来获得年温差效应，或采用大量数据开展周期规律分析或分解数据，避免了人为因素干扰，且计算效率较快，特别适用于铁路桥梁健康监测系统的实时预警评估。
附图说明
图1是本发明所述的基于运营行车安全的铁路混凝土桥梁线形实时控制方法的流程图；
图2是实施例1中的桥梁测点的立面布置图；
图3是实施例1中的桥梁测点的横断面布置图；
图4是实施例1中的温度时程曲线；
图5是实施例1中的挠度时程曲线；
图6是实施例1中的温差效应时程曲线；
图7是实施例1中的挠度时程曲线及残余变形估计值曲线；
图8是实施例1中的扣除残余变形估计值后的温度变形曲线。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种基于运营行车安全的铁路混凝土桥梁线形实时控制方法，如图1所示，包括如下步骤：
a、以每日某一时刻为基准，通过桥面挠度监测系统采集每个测点每个日历天的挠度数据Di和其对应的温度数据Ti，i＝1,2,3,…；
b、当任一测点第i个日历天的挠度数据Di超过其对应的组合变形限值时，对对应测点的挠度数据进行温度变形和残余变形分离，获得对应测点的累积残余变形估计值曲线；
c、判断对应测点截止到第i个日历天的累积残余变形估计值δs是否超过其对应的残余变形限值，
若是，取累积残余变形估计值δs为对应测点的线形调整量，线形调整完成后重复步骤a继续监测；
若否，进入下一步；
d、将对应测点的i个日历天的挠度曲线扣除累积残余变形估计值曲线，获得对应测点的温度变形估计值曲线，从中选出最大温度变形估计值δMax和最小温度变形估计值δMin；
e、判断
Figure BDA0002900692600000061
是否超过对应测点的温度变形限值δT，
若是，取
Figure BDA0002900692600000062
为对应测点的线形调整量；
若否，取
Figure BDA0002900692600000063
为对应测点的线形调整量；
f、调整完毕后，重复进行步骤a继续监测。
具体的，如以沪昆客专北盘江特大桥为例，该桥设计时速350km/h，桥梁全长721.25m。桥址位于典型的V字形峡谷，山高坡陡、地形复杂，主桥为445m上承式劲性骨架钢筋混凝土拱桥，大桥采用劲性骨架法施工，工序繁杂，结构体系发生多次转换，另外，工程所在的山区独特地形条件和不均匀日照温差也会引起拱圈的不确定变形。为确保运营行车安全性和舒适性，以及日后养护管理决策(如确定线形调整的最佳时机及轨道的调整量)提供科学依据，建立了该桥的桥面线形监测系统，通过静力水准仪(带温度传感器)监测的桥面平顺性与差异沉降，通过温度传感器监测环境温度。全桥共设置了14个安装静力水准仪的测点，测点布置于拱上墩对应的拱上梁上，布设位置如图2-3所示。
由于桥梁跨中的变形最大，以跨中的8#测点为例，分析其变形值。结合桥址处往年气象资料，温度计算工况为升温、降温各15度，采用有限元计算跨中8#测点的温度变形限值为82mm，残余变形限值为60mm，得到组合变形限值为142mm，由于本实施例的桥梁跨度L>200m，因此，温度变形允许值和残余变形允许值可根据车桥耦合计算结果分别确定，再将温度变形允许值和残余变形允许值叠加获得组合变形限值；而对于跨度L≤200m的桥梁，也可直接依据规范对温度变形和残余变形各自的限值进行组合得到组合变形限值。
该桥于2016年12月底通车，桥面线形监测系统也同时开始运行，实时监测每个测点的挠度和对应的温度。本实例以位于跨中的8#测点为例，选取了每日0时的挠度数据进行判断。在2019.1.3(第727天)监测到8#测点产生最大挠度变形为143.4mm，超过组合变形限值，截止当日的温度时程曲线如图4所示，挠度时程曲线如图5所示，挠度变形以图5中向下方向为正。接着，对8#测点的挠度数据进行分离以获得累积残余变形估计值。
分离温度变形和残余变形，获得累积残余变形估计值包含如下步骤：
b1、对8#的温度数据和挠度数据建立i个样本库，第i个样本库包含其第1日的挠度数据及其对应的温度数据至第i日的挠度数据及其对应的温度数据；
b2、采用线性回归估计法，对每个样本库内的挠度数据及其对应的温度数据进行拟合，获得每个样本库的温差效应系数；
b3、以初始挠度数据D1及其对应的温度数据T1为基准，通过温差效应系数计算每个样本库的日温度效应值；
b4、从对应测点的i个挠度数据中分别扣除对应的日温度效应值，得到i个日残余变形数据，再对i个日残余变形数据进行回归分析获得截止到第i日的累积残余变形估计值曲线。累积残余变形估计值的回归函数可采用二次多项式函数和幂函数。
具体的，如建立从2017.1.1到2019.1.3时的温度数据和挠度数据样本库共727个，每个样本库包含第1日的数据到第i日的数据组成，如第400个样本库DT400＝[T1，T2，···，T400；D1，D2，···，D400]。
然后采用线性回归估计法，如最小二乘法，对上述727个样本库内的温度数据和挠度数据进行拟合，获得各个样本库的每日数据与初始数据间的温差效应系数Ki。Ki通过
Figure BDA0002900692600000081
计算，其中，Tj表示该样本库内第j个温度数据，
Figure BDA0002900692600000082
表示该样本库的平均温度，Dj表示该样本库内第j个挠度数据，
Figure BDA0002900692600000083
表示该样本库的平均挠度，j＝1,2,3……i。如图6所示，如第400个样本库，对400个温度数据和挠度数据采用最小二乘法进行线形拟合，得到K400＝6.256。
根据初始挠度数据D1及其对应的温度数据T1计算第i个样本库的日温度效应值。如第400个样本库在第400天的温度效应值S400＝D1+(T400-T1)*K400，为118.07mm。
将8#测点的727个挠度数据分别扣除上述对应的温度效应值，得到727个残余变形数据Ci，再对其采用二次多项式函数拟合回归分析获得累积残余变形估计值，如图7所示。如第400个样本库，残余变形数据C400＝D400-S400，由图7可知，截止到2019.1.3，累积残余变形估计值达到了31mm。
然后，将累积残余变形估计值31mm与残余变形限值60mm进行比较，若超过，则取累积残余变形估计值为8#测点的线形调整量。由于累积残余变形估计值未超过，则进入步骤e。若超过，取累积残余变形估计值为对应测点的线形调整量，线形调整完成后重复步骤a继续监测。
将8#测点的挠度曲线扣除累积残余变形估计值曲线，获得温度变形估计值曲线，如图8所示。如8#测点在2019.1.3的实测挠度数据为143.4mm，扣除累积残余变形估计值31mm后，获得温度变形估计值112.4mm，按此计算获得最大温度变形值δMax为119.5mm，最小温度变形值δMin为-12.3mm。
根据计算，
Figure BDA0002900692600000091
并未超过温度变形限值84mm，因此，取
Figure BDA0002900692600000092
为8#测点的线形调整量；若超过温度变形限值δT，则取
Figure BDA0002900692600000093
为8#测点的线形调整量。
调整完毕后，重复进行步骤a继续监测，后续计算的初始日从线形调整后的第一日开始，采用本方法，能够对桥梁线形进行及时调整，达到实时控制。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以的权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于运营行车安全的铁路混凝土桥梁线形实时控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、以每日某一时刻为基准，通过桥面挠度监测系统采集每个测点每个日历天的挠度数据Di和其对应的温度数据Ti，i＝1,2,3,…；
b、当任一测点第i个日历天的挠度数据Di超过其对应的组合变形限值时，对对应测点的挠度数据进行温度变形和残余变形分离，获得对应测点的累积残余变形估计值曲线；
c、判断对应测点截止到第i个日历天的累积残余变形估计值δs是否超过其对应的残余变形限值，
若是，取累积残余变形估计值δs为对应测点的线形调整量，线形调整完成后重复步骤a继续监测；
若否，进入下一步；
d、将对应测点的i个日历天的挠度曲线扣除累积残余变形估计值曲线，获得对应测点的温度变形估计值曲线，从中选出最大温度变形估计值δMax和最小温度变形估计值δMin；
e、判断
Figure FDA0002900692590000011
是否超过对应测点的温度变形限值δT，
若是，取
Figure FDA0002900692590000012
为对应测点的线形调整量；
若否，取
Figure FDA0002900692590000013
为对应测点的线形调整量；
f、调整完毕后，重复进行步骤a继续监测。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，步骤b包含如下步骤：
b1、对对应测点的温度数据和挠度数据建立i个样本库，第i个样本库包含第1日的挠度数据及其对应的温度数据至第i日的挠度数据及其对应的温度数据；
b2、采用线性回归估计法，对每个样本库内的挠度数据及其对应的温度数据进行拟合，获得每个样本库的温差效应系数；
b3、以初始挠度数据D1及其对应的温度数据T1为基准，通过温差效应系数计算每个样本库的日温度效应值；
b4、从对应测点的i个挠度数据中分别扣除对应的日温度效应值，得到i个日残余变形数据，再对i个日残余变形数据进行回归分析获得截止到第i日的累积残余变形估计值曲线。
3.如权利要求2的方法，其特征在于，在步骤b2中，线性回归估计法为最小二乘法。
4.如权利要求2的方法，其特征在于，在步骤b4中，累积残余变形估计值的回归函数采用二次多项式函数和幂函数。
5.如权利要求2的方法，其特征在于，在步骤b2中，第i个样本库的温差效应系数Ki通过
Figure FDA0002900692590000021
计算，其中，Tj表示该样本库内第j个温度数据，
Figure FDA0002900692590000022
表示该样本库的平均温度，Dj表示该样本库内第j个挠度数据，
Figure FDA0002900692590000023
表示该样本库的平均挠度，j＝1,2,3……i。
6.如权利要求1-5任一的方法，其特征在于，在所述步骤b中，当桥梁的跨度L>200m时，根据车桥耦合计算结果分别确定温度变形允许值和残余变形允许值，将温度变形允许值和残余变形允许值叠加获得组合变形限值。
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