大跨度铁路斜拉桥恒载索力监测与提取方法研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁第四勘察设计院集团有限公司科技研究开发计划课题()作者简介:曹阳梅()女湖北松滋人工程师硕士主要从事桥梁设计与监测研究工作:.引文格式:曹阳梅.大跨度铁路斜拉桥恒载索力监测与提取方法研究.铁道建筑技术():.大跨度铁路斜拉桥恒载索力监测与提取方法研究曹阳梅(.中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 .中国铁建股份有限公司桥梁工程实验室 湖北武汉)摘 要:为对大跨度铁路斜拉桥恒载索力监测数据进行提取以某大跨度铁路斜拉桥为依托工程提出了一种基于加速度数据的拉索频差自动化识别和索力快速计算的方法既可提高索力识别精度又可提升海量监测数据的利用效率更进一步的利用大跨度铁路桥梁的运营特点通过选取每日夜间无车时段的监测数据剔除了列车荷载和日照梯度温度荷载对索力的影响再通过分析连续多日无车时段的索力与温度相关性探索索力与整体升降温荷载的关系进而实现恒载索力的监测与提取并与有限元模型的计算结果进行校验 结果表明:()通过监测数据统计分析本桥边长索索力与整体升降温荷载呈显著线形正相关其相关系数均值约为./()有限元模型分析结果中对应升温 引起的索力变化值为.与监测数据分析结果误差仅为.证明该方法提取的恒载索力结果可靠为大跨度斜拉桥恒载索力的监测与评估提供了依据关键词:铁路斜拉桥 索力监测 频差识别 索温关系 恒载索力中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:()./().:引言拉索是大跨度铁路斜拉桥联系塔与主梁的纽带在运营过程中承担了恒载、列车、温度、风等多种荷载极端情况下还会承担其他突发荷载 作为桥梁结构的主要传力构件斜拉索的正常受力是桥梁结构安全的重要保障一个完备的健康监测系统往往会选择典型拉索进行索力监测并重点关注运营期拉索在荷载长铁道建筑技术 ()曹阳梅:大跨度铁路斜拉桥恒载索力监测与提取方法研究期作用下的内力状态大跨度铁路斜拉桥结构受力复杂且监测测量结果是多因素作用下的综合效应的叠加 为准确对拉索内力状态进行分析与评估众多学者对拉索的荷载效应进行了研究其中刘小玲以恒载索力为评估基准基于统计分析探索了拉索恒载索力的提取方法任远等以在役斜拉桥封闭交通时的监测数据为研究对象对恒载索力长期变化趋势分析与评估等 通过以上研究易知拉索的恒载索力是桥梁健康状态评估的重要因素之一在剔除温度、活载等外部因素影响后得到的恒载索力是能直观反映拉索受力状态的重要指标为剔除温度、活载等外部因素作用侯俊明等研究了日照温度对索力变化的影响结果表明温度对斜拉桥索力有较大影响宋晓东等基于模态分解法和温度的频谱特性剔除了车辆活载效应及季节温度效应赵珧冰等假设了拉索在温度变化作用下的平衡状态通过求解运动方程得到了在温度作用下的索频关系式郑鹏分别开展了温度与车辆荷载对索力的影响研究曹强凤等对索力温度效应分析与研究发现实测值和有限元模型计算结果的吻合性较高但上述研究大多数是基于公路斜拉桥铁路斜拉桥拉索的长期监测研究较为鲜见 因此本文依托某一大跨度铁路斜拉桥解决了恒载索力的提取问题首先提出了一种拉索频差自动识别和索力快速计算的方法既可提高索力识别精度又可提升海量监测数据的利用效率其次结合铁路桥梁的运营特点利用夜间无行车、无日照的特点避开车辆荷载和日照温差荷载的影响基于统计分析探寻整体升降温与索力的相关性最后通过建立该桥的有限元模型验证了监测数据统计分析结论的可靠性 监测系统概况某大跨度铁路斜拉桥为()双塔钢箱梁斜拉桥其健康监测系统主要针对桥梁结构实施自动化监测监测内容包括桥址环境监测、外部作用监测、结构安全性能监测、视频监测等多项内容由于经济性和结构运营状态等方面的原因系统对监测测点进行了优化布置在 根边长索位置安装了传感器 其测点布置如图 所示图 索力振动测点布置立面图图示本系统采用加速度索力传感器进行索力监测对全桥 根边长索进行单根索力的长期监测 因系统网络传输限制等外界原因加速度传感器每小时采集前 数据 通过频谱法对拉索振动频率进行解算加速度索力计技术性能参数如表 所示表 加速度索力计技术参数项目技术指标图示量程/灵敏度/(/)测量频率/测角精度/()零点漂移 温度/(/).索力自动识别方法.索力计算传统的频率法测量索力是通过识别加速度频率和阶次再带入换算公式求得索力 最常见的振动法索力计算的公式为张紧弦模型其将受力拉索模拟成张紧的钢丝 其公式见式()所示:()式中:为索力()为拉索单位长度的质量(/)为索的长度()为索的第 阶振动频率()为索的振动阶数 为拉索材料弹性模量()为拉索截面惯性矩()张紧弦模型的各阶频率之差等于基频即:()由于实测加速度信号易受各样的环境干扰会影响频率识别的准确性进而直接给索力换算带来较大误差 通过多次试算常见的频率识别问题大多数为基频不突出、某阶次丢失、高频阶次不明确等 而且对于大规模的索力统计分析工作依靠传统人工拾取各阶频率峰值会极大地影响样本累计速度也可能由于主观因素带来一定的误差.加速度频谱拾取根据公式()易知加速度频率和阶次的识别问题可简化为频差识别问题 基于上述理论本文基于张紧弦模型开发了频差自动化识别和索力快速计算的方法识别步骤如下:()按照顺序列出波峰的值和位置求振动信号频谱幅值的峰值序列()和对应的频率序列()即某一个元素比相邻两个元素的值都大被认定为波峰值(在本步骤中可根据初始频谱分析大致确定频差区间 以此设定两峰值间的最小间隔数用于减少迭代次数)铁道建筑技术 ()曹阳梅:大跨度铁路斜拉桥恒载索力监测与提取方法研究()求取能量最大的阶次 ()及对应的()从 (为正整数)开始找寻集合中最接近 的值 如有则记录 没有则跳过 以此类推直至向高阶历遍集合形成频差序列()从 (为正整数)开始找寻集合中最接近 的值 如有则累计记录至频差序列没有则跳过 以此类推直至向低阶历遍集合()至此可获得频差集合求取集合平均频差值 通过上述步骤能捕捉每一阶被激发的拉索固有频率不受频次丢失的影响 通过求取频差平均值避免了某单一阶频率识别的误差提高了频率识别的准确性 以 振动信号识别的频差为例本时刻平均频差值为 .各阶频率见图 所示图 索力振动时程及加速度频峰拾取图 恒载索力分析由上述步骤解算的索力值由于包含了车辆荷载作用、温度、风多种因素影响的信息并不能直接用于安全状态的观测 有研究表明 索力最主要的影响因素是车辆荷载和温度荷载作用而温度荷载又分为因短时日照产生的梯度温度和因长期变化产生的整体升降温 对运营中的桥梁结构而言因实际车辆荷载和温度场属于未知荷载源因时变性高而无法获取其准确值很难用该工况下的索力值进行对比分析 因此本节的主要目的是剔除车辆荷载和两种温度作用的效应抽取恒载作用下的特征值作为长期评估的依据之一由于大跨度铁路斜拉桥运营状态的特殊性其索力夜间不受行车及日照温度影响能有效地避免车辆荷载和梯度温度荷载作用 大跨度铁路斜拉桥恒载索力的提取可简化为特殊时段的索力测量值剔除整体升降温效应即可.索力与温度相关性分析本文选取 根边长索的 年 月 日至 月 日近 中:时段的监测数据进行分析 该时段索力受整体升降温影响最大其他作用可忽略便于分析索力与整体升降温的相关性 另根据大量学者研究表明索力与整体升降温呈显著线形关系因此本节采用线性拟合来探究索力与温度相关性分析见图 所示图 所在拉索索力与温度线性拟合图示根据实测索力的线性拟合结果易知 所在拉索索力与整体升降温的线性拟合公式为 .式中 为拟合索力值()为实测温度值()下同 由图 易知 所在拉索的索温具有强线性相关性相关系数为./为进一步验证本桥边长索索温的相关性取横桥向对称的 所在拉索索力做同样的分析(见图)如图 所示线性拟合公式为 .该拉索的索温同样具有强线性相关性相关系数为 /且与 所在拉索十分接近图 所在拉索索力与温度线性拟合图示.有限元模型验证为验证上述统计分析结论的可靠性本节对该桥进行有限元建模计算 通过在模型中施加单位整体升降温荷载得到对应单位荷载作用下的索力变化值以此来验证监测数据统计分析结论是否准确可靠本桥通过/建立了有限元模型计算模型如图 所 示 模 型 计 算 节 点 个 计 算 单 元铁道建筑技术 ()曹阳梅:大跨度铁路斜拉桥恒载索力监测与提取方法研究 个图 有限元模型 利用/给桥梁结构施加整体升温 和整体降温 的两个工况并对该桥的索力变化情况进行计算分析 本桥各拉索索力变化情况见图 所示(正为增加负为减少)由于对称性原因仅列出小里程下游侧 号(从左到右编号)拉索图 索力变化情况 由图 可知 号拉索在整体升温 和整体降温 的两个工况索力变化值均为.与 索力振动传感器实测相关系数./的误差仅为.与 索力振动传感器实测相关系数./的误差仅为.对比结果表明根据索力振动传感器实测数据得出的索温线性相关系数具有可靠性另通过有限元分析结果易知整体升降温变化对 号拉索产生影响不一 对靠边跨侧 号索影响更为明显具体表现为先增加后减小的变化规律中间索索温关系更敏感 可见监测系统在布设索力传感器时不仅仅需要关注边长索和边短索还建议挑选部分中间索力进行长期监测另外整体升降温变化对靠主跨侧 号索影响整体较小具体表现为先减小后增加的变化规律其中、索力振动传感器所在的 号拉索变化值仅为.量级较小再加上由于实测索力的测量及换算的误差使得该组数据的统计分析并不一定具有参考意义 再综合对称性原因因此本文不再针对 号拉索进行统计分析 结论本文基于索力监测数据统计分析提出了一种索力自动识别方法 并结合有限元模拟分析结果探索验证了索力 整体升降温关系总结了大跨度铁路桥梁拉索恒载索力提取方法 主要结论如下:()大跨度铁路斜拉桥夜间索力不受行车及日照温度影响恒载索力的提取可简化为夜间索力测量值剔除整体升降温效应即可()大跨度铁路斜拉桥索温具有强线形相关性以靠近边跨的外扇索最为明显 以本桥为例实测索温相关系数可达./()本方法仅靠拉索实测数据统计分析即可实现索温相关系数的提取可为大跨度铁路桥梁运营期恒载索力长期监测工作提供基础参考文献 孙雅琼赵作周.桥梁结构动应变监测的温度效应实时分离与动荷载识别.工程力学():.刘小玲.多源信息融合技术在钢结构斜拉桥状态评估中的应用研究.南京:东南大学:.任远刘小玲黄侨.斜拉桥恒载索力长期变化趋势分析与评估.哈尔滨工业大学学报():.侯俊明彭晓彬叶方才.斜拉索索力的温度敏感性.长安大学学报(自然科学版)():.宋晓东崔珊珊熊文等.基于健康监测的斜拉桥恒载索力提取与评估.东南大学学报(自然科学版)():.赵珧冰孙测世彭剑等.温度变化对拉索频率与索力的影响.应用力学学报():.郑鹏.温度与车辆荷载对斜拉桥拉索索力的影响研究.广州:广州大学:.曹强凤张仲勇.塔梁固结体系斜拉桥索力温度效应分析与研究.公路():.魏建东.索力测定常用公式精度分析.公路交通科技():.刘小玲黄侨任远等.带反馈机制的桥梁监测数据处理流程框架.公路():.于鹏.基于健康监测的辽河大桥斜拉索索力的研究.沈阳:沈阳大学:.李枝军李爱群缪长青等.运营状态下南京长江二桥拉索索力测试与分析.东南大学学报(自然科学版)():.孔祥杰崔来军张宾等.大直径高吨位斜拉索索力测试与分析.铁道建筑技术():.铁道建筑技术 ()