劉興旺 吳來義 劉 華 陳 斌 戴新軍

(1.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司，江蘇 南京 210061；2.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

1 概述

大跨鐵路橋梁是鐵路建設(shè)的關(guān)鍵所在，也是鐵路運輸?shù)闹匾?jié)點[1]，為了保障大跨鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的運營安全，實時查看橋梁結(jié)構(gòu)的運營狀態(tài)，科學(xué)指導(dǎo)橋梁結(jié)構(gòu)的運營管養(yǎng)[2]，新建大跨鐵路橋梁設(shè)計時需考慮橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的實施與應(yīng)用，為實現(xiàn)以上目標(biāo)，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)需準(zhǔn)確可靠，能夠反映結(jié)構(gòu)的真實響應(yīng)信息。然而對于系統(tǒng)海量監(jiān)測數(shù)據(jù)而言，由于前端設(shè)備故障、噪聲干擾等問題，經(jīng)常會出現(xiàn)諸如數(shù)據(jù)缺失、跳點、漂移等異常狀況[3]，需進(jìn)行修正，其中，數(shù)據(jù)漂移通常是指數(shù)據(jù)由于某些原因在某一時刻總體偏離以往趨勢，漂移后的數(shù)據(jù)除了在量值上不同于以往的數(shù)據(jù)外，其趨勢特征和以往數(shù)據(jù)相同。工程實踐中，常用的數(shù)據(jù)漂移處理方法有“零變化值法”，該方法是假定數(shù)據(jù)漂移前后，前數(shù)據(jù)點正常，將后續(xù)數(shù)據(jù)消除前后點間距離進(jìn)行修正，優(yōu)點是處理簡單，然而偏移距離較難計算準(zhǔn)確，受局部跳點影響較大，從而導(dǎo)致誤差不可控，修正后數(shù)據(jù)容易失真。王建等[4]采用回歸分析進(jìn)行數(shù)據(jù)歸位并進(jìn)行校正誤差分析，回歸分析方法誤差較小，然而數(shù)據(jù)的校正精度和數(shù)據(jù)模型選擇有關(guān)，不利于程序化實現(xiàn)。黃冠利等[5]提出基于時間序列算法修正歸位GPS數(shù)據(jù)漂移，提高了GPS定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，其通用性有待探究。研究發(fā)現(xiàn)，對于大跨鐵路橋梁而言，數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象并不完全是不符合結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的異常數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)漂移是結(jié)構(gòu)真實的受力及變形狀態(tài)。數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象可分為突變式漂移和漸進(jìn)式漂移，其中，突變式漂移往往是異常數(shù)據(jù)，比如：靜力水準(zhǔn)管測量的梁體豎向位移數(shù)據(jù)由于主梁振動、水壓調(diào)整等因素產(chǎn)生數(shù)據(jù)的整體漂移。漸進(jìn)式漂移通常是結(jié)構(gòu)自身受力或者變形產(chǎn)生，是結(jié)構(gòu)真實的響應(yīng)特征，比如：軌道下縱梁動應(yīng)變由于列車輪軌壓力產(chǎn)生的局部數(shù)據(jù)漂移。由于大跨鐵路橋梁支座位移漂移現(xiàn)象具有典型性和共性，本文以國內(nèi)某大跨鐵路橋梁支座位移監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，對大跨鐵路橋梁支座位移監(jiān)測數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象進(jìn)行分析及處理。

2 工程概況

國內(nèi)某大跨鐵路橋梁為兩塔五跨鋼桁梁斜拉橋，跨徑布置為90 m+240 m+630 m+240 m+90 m，主跨630 m，單孔雙向通航。鋼桁主梁為板桁結(jié)合結(jié)構(gòu)，N型桁架。主桁寬度定為2×17.1 m，橫向采用三片主桁布置，桁高為15.5 m，節(jié)間長度15 m。京?？瓦\專線線路中心線和廬銅鐵路線路中心線的線間距定為14.3 m。鋼梁主桁采用桁片式，桁片鋼梁長度30 m，單片最大重量約360 t。斜拉索為扇形三索面布置，采用抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的鍍鋅鋼絞線斜拉索(單股索股絞線直徑為15.2 mm)。主塔為菱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高212 m。主塔順橋向?qū)挾葹?.6 m～16 m。下塔柱高32.517 m，采用單箱雙室截面，中塔柱高98.483 m，采用單箱單室截面，上塔柱高81 m，采用單箱三室截面[6-9]。監(jiān)測系統(tǒng)于2015年7月正式運營，全橋共有測點305個，主要監(jiān)測橋址環(huán)境、結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)受力及動態(tài)響應(yīng)等。其中，支座位移測點共4個，采用磁致式位移傳感器，采樣頻率為1 Hz，布置在1號、6號墩處，上、下游對稱分布，測點詳細(xì)布置如圖1,圖2所示。

3 支座位移數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象分析

大跨鐵路橋梁支座位移監(jiān)測數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象細(xì)分為漸進(jìn)式漂移和突變式漂移，其中，漸進(jìn)式漂移是指環(huán)境溫度及列車荷載等多種因素影響下，橋梁支座位移在較短時間漸進(jìn)式增大或者減小到一定的數(shù)值，數(shù)據(jù)偏移的幅度較為穩(wěn)定，幅值較小。突變式漂移是由于人為觸碰設(shè)備，大風(fēng)等惡劣天氣，設(shè)備故障等原因影響而導(dǎo)致的監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值突變，即某一個時刻起，監(jiān)測數(shù)據(jù)突變到另一個量值，突變量值較為隨機。

以2018年1月21日及2018年1月31日，6號橋墩下游支座位移測點WY-15-01監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，解析支座位移漂移現(xiàn)象，支座位移時程如圖3a),圖3b)所示，可以看出，橋梁支座位移主要受環(huán)境溫度及列車荷載的影響，天氣良好的情況下，支座位移隨環(huán)境溫度呈現(xiàn)明顯的“類正弦變化趨勢”，數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象多發(fā)生在列車過橋時段。漸進(jìn)式漂移現(xiàn)象如圖3c)，圖3d)所示，當(dāng)環(huán)境溫度下降時，主梁收縮，支座位移漸進(jìn)式減小，反之，當(dāng)環(huán)境溫度上升時，主梁伸長，支座位移漸進(jìn)式增加。支座位移漸進(jìn)式漂移現(xiàn)象是結(jié)構(gòu)正常的變形響應(yīng)，即大跨鐵路橋梁主梁與支座位移間存在一定的摩擦力，隨著環(huán)境溫度的變化，主梁收縮或者伸長，由于端部摩擦力的存在對主梁因溫度變化導(dǎo)致的主梁變形有一定的約束力，當(dāng)約束變形足夠大時，由于列車過橋產(chǎn)生振動，主梁對于支座壓力產(chǎn)生一定的變化，此時主梁與支座位移間的靜摩擦力轉(zhuǎn)為動摩擦力，釋放因支座摩擦力帶來的主梁變形，從而產(chǎn)生支座位移漸進(jìn)式漂移現(xiàn)象，而非監(jiān)測異常數(shù)據(jù)，不做處理。支座位移突變式漂移現(xiàn)象如圖3e)所示,監(jiān)測數(shù)據(jù)突變前后，監(jiān)測值具有一定差異，需進(jìn)行平移歸位。

4 漂移數(shù)據(jù)處理

對于支座位移突變式漂移現(xiàn)象，采用概率統(tǒng)計方法進(jìn)行數(shù)據(jù)歸位。將支座位移監(jiān)測數(shù)據(jù)按天讀取，記一天支座位移監(jiān)測數(shù)據(jù)為datai，i=1,2,…,86 400×f，f為支座位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的采樣頻率，對datai進(jìn)行一階差分，得到差分值diffi，如圖4所示，由圖4a)可以看出，對于有漸進(jìn)式漂移現(xiàn)象的支座位移而言，由于其支座位移變化連續(xù)，其一階差分值diffi小于設(shè)備數(shù)據(jù)采集精度值0.02 mm，不進(jìn)行處理。對于有突變式漂移現(xiàn)象的支座位移而言，如圖4b)所示，查找一階差分值diffi>0.02 mm部分，并按照時間發(fā)生先后記錄其位置locj，j=1,2,…,n，n為支座位移監(jiān)測數(shù)據(jù)突變式漂移次數(shù)，統(tǒng)計突變式漂移位置locj左右小區(qū)間監(jiān)測數(shù)據(jù)的均值，小區(qū)間長度通常取2 min位移監(jiān)測數(shù)據(jù)(防止局部跳點對小區(qū)間均值的影響)，即突變式漂移位置locj左側(cè)小區(qū)間為[locj-120×f,locj-1]，對應(yīng)均值為meanj,left，右側(cè)小區(qū)間為[locj+1,locj+120×f]，對應(yīng)均值為meanj,right，以locj左側(cè)支座位移監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，將其右側(cè)監(jiān)測數(shù)據(jù)平移Mj進(jìn)行歸位，其中，Mj=|meanj,left-meanj,right|，數(shù)據(jù)平移歸位從左向右依次進(jìn)行，平移歸位后的支座位移時程如圖5a)所示，圖中矩形框部分為漸進(jìn)式漂移，其一階差分時程如圖5b)所示，修正后支座位移的一階差分值在設(shè)備精度內(nèi)隨機變化。

5 對比分析

大橋6號墩主梁處裝有列車測速傳感器，監(jiān)測列車的過橋時間及車速，統(tǒng)計2018年第四季度列車過橋時段支座位移變化幅值如圖6所示，由圖6a)可知，分析時段橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)有效識別列車次數(shù)為5 924次，過車時段支座位移變化幅值最大值為3.79 mm。由圖 6b)可知，過車時段支座位移集中在[0,0.1]mm，變化幅值大于0.1 mm共有列車2 865次。該橋2015年采用單列動車組(CRH2C-2068)和重聯(lián)動車組(CRH2C-2068+CRH2C-2074)對支座位移進(jìn)行了檢測，最大位移為1.331 mm，相對監(jiān)測數(shù)據(jù)支座位移較小，一方面是因為橋梁結(jié)構(gòu)隨著運營時間的增加，部分材料老化所致，另一方面是因為列車載重多樣所致。

6 結(jié)語

本文以國內(nèi)某大跨鐵路橋梁監(jiān)測系統(tǒng)為背景，分析了大跨鐵路橋梁支座位移漂移現(xiàn)象，主要結(jié)論有：

1)大跨鐵路橋梁支座位移監(jiān)測數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象可分為漸進(jìn)式漂移和突變式漂移，支座位移漸進(jìn)式漂移現(xiàn)象是結(jié)構(gòu)的正常響應(yīng)，無需處理，支座位移突變式漂移現(xiàn)象為異常數(shù)據(jù)，需進(jìn)行歸位修正。

2)支座位移漸進(jìn)式漂移現(xiàn)象多發(fā)生在列車過橋時段，其漂移方向主要受環(huán)境溫度的影響，當(dāng)環(huán)境溫度上升時，主梁伸長，支座位移漸進(jìn)式增加，反之，當(dāng)環(huán)境溫度下降時，主梁收縮，支座位移漸進(jìn)式減小。

3)采用支座位移一階差分法定位突變式漂移位置，基于突變式漂移位置前后小區(qū)間均值可以準(zhǔn)確實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸位修正。

4)過車時段支座位移變化幅值最大值為3.79 mm對比2015年檢測試驗結(jié)果偏大，一方面是因為橋梁結(jié)構(gòu)隨著運營時間的增加，部分材料老化所致，另一方面是因為列車載重多樣所致，列車過橋時支座漸進(jìn)式漂移量增大。