高速铁路三塔斜拉桥健康监测温度敏感性研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目()作者简介:陈经伟()男湖北安陆人高级工程师硕士主要研究方向为桥梁设计、安全评估及健康监测:.引文格式:陈经伟.高速铁路三塔斜拉桥健康监测温度敏感性研究.铁道建筑技术():.高速铁路三塔斜拉桥健康监测温度敏感性研究陈经伟(中铁上海设计院集团有限公司 上海)摘 要:高速铁路大跨度桥梁健康监测已逐渐成为保障结构安全的重要手段 运营阶段结构相应受到各种因素的干扰监测数据中参杂各种响应很难采用单一要素进行评估 结构所处环境温度周而复始的变化也会给结构带来不同程度的响应 本文结合某高速铁路三塔斜拉桥健康监测设计研究中塔塔墩梁固结、边塔塔梁固结体系健康监测应力、梁端纵向位移、梁端转角、索力指标受季节温差、局部温差、索梁温差、非线性温差荷载影响的敏感性根据不同温度模式对结构响应敏感性进行评估 研究表明:主梁应力受非线性温差影响较大索梁温差对索力影响最为敏感季节温差对梁端伸缩影响最大季节温差和构件温差对结构的影响较大 可将截面非线性温差 应力、索梁温差 索力、季节温差 梁端纵向位移、索梁温差 梁端转角作为重点监测的对象关键词:高速铁路 三塔斜拉桥 温度 敏感性中图分类号:.文献标识码:./.():.:引言高速铁路大跨度铁路桥梁所在的桥址环境往往较为恶劣桥梁在运营期间除遭受列车荷载的反复作用以外往往还要承受外部环境的剧烈变化加之建筑材料的老化桥梁容易出现结构损伤的情况 当构件的局部损伤在达到一定程度时会造成桥梁的性能退化乃至无法满足运营期间的要求而有些构件在未引起桥梁状态改变之前就造成了桥梁的损失(如斜拉索腐蚀导致的拉索断裂)为了防止结构构件损伤导致桥铁道建筑技术 ()陈经伟:高速铁路三塔斜拉桥健康监测温度敏感性研究梁出现事故需要对运营期间的大跨度桥梁进行定期和不定期的结构评估人工检查打分是常用的桥梁结构评估方式例如对混凝土桥梁的裂缝宽度采用便携性仪器进行监测等方式根据检测的结果按照相关规范进行评估这种方式的缺点是评估结论不够客观可信度不高且耗时耗力随着精密仪器和通信设备的飞速发展出现了以结构研究为基础应用传感器、通信网络技术、数据挖掘与整合、综合预警于一体的综合监测系统通过监测系统的使用可以实现对运营期间桥梁结构的服役状态评估避免出现桥梁的灾害事故 高速铁路具有行车速度快、对轨道平顺度高的特点当高速铁路以桥梁为载体时需要桥梁提供足够的刚度以保证行车的舒适性和安全性 由于高速行车对桥梁结构的内力和变形较为敏感结构出现微小损伤就可能对行车安全造成巨大隐患因此对高速铁路桥梁的健康监测十分必要 本文以池黄高速铁路太平湖矮塔斜拉桥为例研究运营期间各监测参数对温度敏感性进行评估为桥梁在运营期的温度监测提供支撑 项目背景.大桥概况本文依托工程为池黄高速铁路太平湖矮塔斜拉桥主桥采用主跨 预应力混凝土矮塔斜拉桥 主梁采用直腹板单箱双室断面主梁梁高为.桥面以上塔高为.单个桥塔设置 对斜拉索主桥桥型布置见图 图 桥型布置(单位:).分析模型采用空间分析软件/建立斜拉桥建模分析拉索采用桁架单元进行模拟其他单元均采用梁单元进行模拟 模型共 个节点划分为 个单元桩基底部采用固结约束其他桥墩采用节点支承进行模拟 号块和边跨现浇段采用支架现浇法施工其余梁段采用悬臂法施工 悬臂浇筑的施工内容主要包括挂篮移动、梁段浇筑、预应力筋的安装与张拉、斜拉索的安装与张拉 桥梁有限元分析模型见图 图 桥梁空间有限元模型 监测内容本次健康监测内容主要如下:()桥址环境监测:包括环境温湿度、桥梁内部温度、视频监控和风速风向等()结构静力响应监测:包括主梁挠度、桥塔位移、支座位移、梁端转角、拉索索力、拉索腐蚀、主梁应变()结构动力响应监测:包括主梁振动监测、主梁和桥墩振幅监测()轨道监测:对主跨的钢轨 道床板相对位移、道床板 底座板相对位移和主跨、/跨的轨道床板、底座板内钢筋的应力状况进行监测本桥健康监测系统共布置 个监测断面共计 个传感器见图 图 桥梁健康监测测点布置/跨示意铁道建筑技术 ()陈经伟:高速铁路三塔斜拉桥健康监测温度敏感性研究 温度敏感性研究结构健康状态评价指标体系是一个多项目、多层次的复杂体系根据运营阶段主要荷载选取其中一个荷载作为变量、其他荷载作为常量进行参数敏感性分析从而获取最大响应的监测指标 本文选取季节温差、梯度温差、索梁温差、索塔两侧温差共 种温差参数进行研究分析各类温差参数对效应的影响程度温度参数见表 表 主要研究参数及工况研究参数工况 工况 季节温差梯度温差索梁温差索塔两侧温差.季节温差研究运营阶段桥梁会受到春夏秋冬温差的影响季节温差主要考虑整体升温和降温 季节温差荷载按照整体升温、降温 计算分析由于整体升降温引起桥梁竖向位移、应力、索力、梁端纵位移的变化规律见图图 季节温差对结构位移、内力和应力的影响表 季节温差对梁端位移影响温度模式梁端转角/梁端纵向位移/整体升温/整体降温/由图 和表 可以得到季节温差作用下中塔位置竖向变形及应力对季节温差敏感性大于边跨 中塔最大竖向位移 边跨索力对季节温差敏感性大于中跨索力边跨最大索力减少 季节温差作用下梁端纵向位移可达 季节温差对运营阶段主梁纵向位移监测影响较大对主梁应力监测影响较小.梯度温差研究桥梁不同高度位置受日照角度不同容易引起温度次内力按照公路桥涵设计通用规范()梯度温度工况温差荷载按照主梁截面梯度温差 和 计算分析由于温度梯度引起的桥梁竖向位移、应力、索力、梁端纵向位移的变化规律见图 图 梯度温差对结构位移、内力和应力的影响表 梯度温差对梁端位移影响温度模式梁端转角/梁端纵向位移/梯度升温/.梯度降温/.由图 和表 可以得到梯度温差对主梁竖向位移监测存在一定干扰 梯度升温作用下主梁中跨下挠 负温度梯度作用下主梁变形上翘.主梁梯度温度变形与监测精度接近 梯度温差对主梁上下缘应力最大影响可达.对应力监测影响较大梯度温差作用下拉索索力变化不大梯度温差对成桥索力的监测影响不大由此可见梯度温差对运营阶段主梁应力监测影响较大、对主梁线形监测影响次之铁道建筑技术 ()陈经伟:高速铁路三塔斜拉桥健康监测温度敏感性研究.索梁温差研究按照拉索与主梁温差 两种工况分别研究构件温差作用下桥梁竖向位移、应力、索力、梁端纵向位移的变化规律见图 图 索梁温差对结构位移、内力和应力的影响表 索梁温差对梁端位移影响温度模式梁端转角/梁端纵向位移/索升温/索降温/由图 及表 可以得到索梁构件温差会导致运营阶段主梁产生较大的竖向变形 正温差时主梁中跨最大下挠 负温差时主梁中跨最大上翘 索梁构件温差作用下主梁应力变化范围在.之内 索梁温差对成桥索力影响较大索力变化最大达 可见索梁构件温差对索力监测、主梁线形监测影响较大对其他监测指标影响不大.索塔两侧温差研究按照主塔左右侧面温差 两种工况分别研究索塔两侧温差作用下桥梁竖向位移、应力、索力、梁端纵位移的变化规律见图 图 索塔两侧温差对结构位移、内力和应力的影响表 索塔两侧温差对梁端位移影响温度模式梁端转角/梁端纵向位移/塔侧升温/.塔侧降温/.由图 和表 可知索塔两侧温差对运营阶段结构位移、内力和应力的监测影响较小 研究小结通过对池黄高速铁路太平湖三塔斜拉桥运营期间温度敏感性进行分析研究可得出以下结论:()主梁应力监测受非线性温差影响较大其他温度参数对主梁应力影响较小运营阶段可以重点监测截面非线性温度()运营阶段温差参数中索梁温差对索力监测影响最为敏感边、中跨索力影响基本差不多 季节温差影响次之边跨索力敏感性是中跨索力敏感性的 倍非线性温差对索力监测影响最小()季节温差对梁端纵向位移监测影响最大梯度温差影响次之索梁温差影响最小 梯度温差对梁端转角监测影响最大季节温差影响次之索梁温差基本不影响梁端转角()季节温差和构件温差对结构健康的影响较大但实际运营中不易区分监测过程中可重点关注温度交替变化时段结合监测数据进一步分析因此健康监测中可将截面非线性温差 应力、索梁温差 索力、季节温差 梁端纵向位移、索梁温差 梁端转角作为重点监测的对象(下转第 页)铁道建筑技术 ()曹桂枝:基于北斗导航系统的高速铁路列车定位技术研究.航位推算和载波相位差分定位为了验证失去北斗卫星信号后的航位推算算法在北斗信号良好的情况下开启航位推算与同一时刻北斗定位的结果进行比较 本次选取定位性能最好的载波相位差分定位来进行对比实验 实验结果如图 所示 分析可得:在失去北斗卫星信号的情况下利用航位推算算法进行定位相比载波相位差分定位距离误差小于.能达到精确导航定位的要求图 航位推算与载波相位差分定位结果对比 结论本文研究了基于北斗导航系统的高速铁路列车定位方案结合现场实验结果结论如下:()在定位过程中应用了单点定位、伪距差分定位、载波相位差分定位三种定位方法结合了地图匹配算法、航位推算算法可以实现全程无缝定位功能()单点定位、伪距差分定位、载波相位差分定位三种定位方法独立应用中载波相位差分定位效果较好定位误差在.左右接近列车的真实值()基于欧氏距离法的地图匹配算法和单点定位、伪距差分定位、载波相位差分定位三种定位方法结合应用可以消减列车的定位误差 其中载波相位差分定位方式的误差在.左右效果最好 ()在地形复杂、隧道内等特殊环境中无北斗卫星信号 通过航位推算结合地图匹配算法可进行列车定位 航位推算中采取的推算时间间隔越小定位越精确 本次实验时间间隔为 其定位精度和载波相位差分定位精度相比误差小于.能达到精确导航定位的要求参考文献 李卫东侯丽虹.基于卫星导航系统的高速列车定位技术研究.信息与控制():.姜维曹琢健陆德彪等.受限条件下的 增强组合导航方法.铁道学报():.张辰东王兆瑞金声震等.基于/的隧道列车高精度定位方法.北京航空航天大学学报():.李建刚李红慧柴祥君等.、精密单点定位精度评估.测绘通报():.汪进新韩静王利等.短基线单历元差分定位算法.大地测量与地球动力学():.陈任翔钟志刚解宁宇.基于低轨通信卫星的差分定位性能仿真研究.无线电工程():.易清根林国利席毅等.北斗载波相位差分的高频测速.测绘科学():.于素君易昌华李春芬等.北斗卫星导航系统定位原理及其应用综述.物探装备():.张平寇宗乾.北斗卫星导航系统在高铁四电施工中的应用探讨.铁道建筑技术():.赵旎.北斗接收机的分类与选型.中国现代教育装备():.钟海丽童瑞华李军等.定位与地图匹配方法研究.小型微型计算机系统():.潘国富鲍志雄谭羽安.国产北斗接收机质量分析与发展现状.导航定位学报():.(上接第 页)结束语本桥的健康监测系统温度敏感性分析可为挠度监测温度效应分离提供一定的理论参照并为大桥运营阶段监测分析提供模型支撑后续可为养护单位提供可靠的监测报告参考文献 闫志刚岳青施洲.沪通长江大桥健康监测系统设计.桥梁建设():.姜锐.铁路客站结构健康监测应用现状及展望.中国安全科学学报 ():.李惠欧进萍.斜拉桥结构健康监测系统的设计与实现():系统实现.土木工程学报():.蒋国富郭龙王龙林等.在役部分斜拉桥健康监测系统设计与实现.河北工程大学学报(自然科学版)():.杜彦良.大型结构健康监测与“互联网 ”.建筑():.张记东梁力李鑫等.南昌新八一大桥健康监测预警指标计算分析.土木建筑与环境工程():.王强陆小雨.池黄高铁三塔矮塔斜拉桥施工控制参数研究.铁道建筑技术():.杨柏林林超.宁安铁路安庆长江大桥长期监测方案设计研究.铁道标准设计():.岳青吴来义朱利明等.高速铁路大跨度桥梁运营监测系统研究.铁道建筑():.中华人民共和国交通运输部.公路桥涵设计通用规范:.北京:人民交通出版社:.苏成廖威袁昆等.桥梁健康监测在线预警指标研究.桥梁建设():.杜彦良苏木标刘玉红等.武汉长江大桥长期健康监测和安全评估系统研究.铁道学报():.铁道建筑技术 ()