一种大跨径桥上无缝线路实际锁定轨温测试方法

技术领域

本发明涉及无缝线路养护技术领域，尤其涉及一种大跨径桥上无缝线路实际锁定轨温测试方法。

背景技术

随着当前铁路运营的日益发展，特别是近年来我国发展的高铁技术，越来越多的无缝线路铺设于超大跨度桥梁上，对无缝线路的可靠性和稳定性有了更高的要求。锁定轨温是无缝线路养护、管理和维修的重要参数。如果实际锁定轨温比原锁定轨温高很多，在冬季于气温降低，钢轨内部温度拉应力较大，可能发生断轨。反之，如果实际锁定轨温比原锁定轨温低很多，在夏季由于气温升高，钢轨内部温度应力增大，可能发生胀轨。因此，实现对实际锁定轨温的实时监测，对保证无锋线路的运营安全具有重大的意义。

对于一般跨径桥上无缝线路，现有理论认为桥主梁区段存在钢轨纵向力不变的“固定区”，可根据下式：

T

得到实测轨温，其中T为现场轨温，E、α为常量，σ考虑为实测钢轨温度应力。

千米级以上大跨径桥梁投入运营后，主梁会产生较大的挠曲变形，梁轨相对位移及钢轨的纵向力均会发生不同于普通跨径桥上无缝线路的变化。这可能导致在理论上的“固定区”内，应力除了基本温度力外，还包含了钢轨伸缩附加力和有各种因素产生的挠曲附加力。其中挠曲附加力是指：因桥梁发生挠曲变形引起梁轨相对位移而产生的附加力统称为挠曲力。因此，对于受附加力影响极大的千米级跨度桥上无缝线路，需实现从钢轨纵向力中分离出基本温度力以获得钢轨真实的实际锁定轨温值，为线路的养护维修提供可靠指导。

目前，现有技术中铁路上应用的监测无缝线路实际锁定轨温的方法主要有三种:应力法、应变法及能量类。但对于工程实践而言，已有方法存在着所采用的仪器价格高昂，测量时间长，操作步骤过于复杂，计算过程较为繁琐，不能简便有效地在线完成对基本温度力的提取与实时处理。

因此，有必要提出一种简单有效、成本较低的锁定轨温监测方法，为线路的养护维修提供可靠指导。

发明内容

本发明的实施例提供了一种大跨径桥上无缝线路实际锁定轨温测试方法，以实现对无缝线路实际锁定轨温的实时监测，。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种大跨径桥上无缝线路实际锁定轨温测试方法，包括：

在大跨径桥上无缝线路的关键位置设置多个测点，利用传感器对每个测点位置处的桥梁挠度、钢轨纵向力、桥梁纵向位移和轨温进行监测；

根据桥梁挠度与钢钢轨挠曲附加力之间的线性相关性，通过桥梁挠度计算得到钢钢轨挠曲附加力；

根据桥梁纵向位移与钢轨伸缩附加力之间的线性相关性，通过桥梁纵向位移计算得到钢轨伸缩附加力；

根据所述钢轨纵向力、钢钢轨挠曲附加力、钢轨伸缩附加力和轨温计算得到实际锁定轨温。

优选地，所述的在大跨径桥上无缝线路的关键位置设置多个测点，利用传感器对每个测点位置处的桥梁挠度、钢轨纵向力、桥梁纵向位移和轨温进行监测，包括：

在线-桥实际工程的大跨径桥上无缝线路的关键位置设置多个测点；

基于选取的测点，利用传感器对测点位置处的桥梁挠度D(t)、钢轨纵向力σ、桥梁纵向位移S(t)及轨温T进行实时监测，所述传感器包括；温度计、挠度仪、光纤光栅应力传感器和加速度传感器。

优选地，所述的根据桥梁挠度与钢轨挠曲附加力之间的线性相关性，通过桥梁挠度计算得到钢钢轨挠曲附加力，包括：

建立桥梁挠度与钢轨挠曲附加力之间的线性回归模型，利用线性回归模型通过桥梁挠度计算得到钢轨挠曲附加力，所述线性回归模型的函数表达式为：

σ

其中，a

优选地，所述的根据桥梁纵向位移与钢轨伸缩附加力之间的相关性，通过桥梁纵向位移计算得到钢轨伸缩附加力，包括：

建立桥梁纵向位移与钢轨伸缩附加力之间的线性回归模型，利用线性回归模型通过桥梁纵向位移计算得到钢轨伸缩附加力，所述线性回归模型的函数表达式为：

σ

其中，S(t)为t时刻的桥梁纵向位移，σ

优选地，所述的根据所述钢轨纵向力、钢轨挠曲附加力、钢轨伸缩附加力和轨温计算得到实际锁定轨温，包括：

用钢轨纵向力实测值σ减去钢轨挠曲附加力σ

T

其中，E为钢轨弹性模量，计算时取2.06×10

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提出了一种基于荷载-桥梁空间变形-钢轨纵向力映射关系的一种超大跨度桥上无缝线路实际锁定轨温监测方法，主要利用钢轨纵向力与桥梁空间变形之间的线性关系将钢轨纵向力依次剔除，获得基本温度力的实时监测值，进而获得实际锁定轨温，便于铁路工务部分对无缝线路进行日常的养护与维修工作。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为本发明提供一种大跨径桥上无缝线路实际锁定轨温测试方法的处理流程图；

图2为钢轨挠曲力与桥梁挠度的相关性示意图；

图3为钢轨伸缩附加力与桥梁纵向位移的相关关系示意图；

图4为无缝线路纵向力分离监测方法流程图；

图5为五峰山长江大桥主跨下行方向左右轨实测锁定轨温示意图；

图6为五峰山长江大桥健康监测测点总体布置图；

图7为大跨径桥上无缝线路锁定轨温的健康监测系统的结构示意图；

图8为健康监测系统的基本处理流程。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明提供一种大跨径桥上无缝线路实际锁定轨温测试方法的处理流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤S1：在线-桥实际工程的大跨径桥上无缝线路的关键位置设置测点，用于建设期间的安全监测及运营期的健康监测。然后，选取多个测点作为关键点进行监测。

步骤S2：基于选取的测点，利用传感器对测点位置处的桥梁挠度D(t)、钢轨纵向力σ、桥梁纵向位移S(t)及轨温T进行全天候监测。

步骤S3：图2为本发明实施例提供的一种挠曲力与桥梁挠度的相关性示意图，图3为本发明实施例提供的一种钢轨伸缩附加力与桥梁纵向位移的相关关系示意图，图4为本发明实施例提供的一种无缝线路纵向力分离监测方法流程图。

桥梁挠度与钢轨挠曲附加力具有较高的线性相关性，通过建立线性回归模型分离出由桥梁挠度引起的钢轨挠曲附加力，回归模型的函数表达式为：

σD(t)＝b

其中，a

步骤S4：桥梁纵向位移与钢轨伸缩附加力的相关性，以桥梁纵向位移为因变量，钢轨伸缩附加力表示为：

σ

其中，S(t)为t时刻的桥梁纵向位移，σ

步骤S5：用钢轨纵向力实测值减去钢轨挠曲附加力σ

T

实施例一

根据本发明实施例的挠曲力分离监测方法，以下将通过具体实施例来详细描述本发明：

步骤一：测试点选取。

五峰山长江大桥是一座主跨1092m的铁路悬索桥，施工锁定轨温左轨为31.2℃，右轨为31.0℃。对该超大跨度铁路桥进行实际轨温T与钢轨纵向力的检测，根据式(1)计算得到五峰山长江大桥主跨3个测点在一段时间内的实测锁定轨温结果，图5为五峰山长江大桥主跨下行方向左右轨实测锁定轨温示意图，如图5所示。理想状态下，短期内的实测锁定轨温应为定值，不会发生较大波动，但由图1可见，在线路未开通运营前的短期内，实测锁定轨温相较于施工时的锁定值发生了大幅度的下降，下降幅度最大值达14.9℃，在开通运营后，钢轨受到了车轮对其的塑性碾长，但实测锁定轨温反而相较于开通前发生了大幅度的上升，最大上升幅度达6.9℃。

本实施例以投入运营前的五峰山长江大桥为对象进行了各挠曲力分离，全桥共分布三个测点，里程为K318+550和K319+250的测点位于近两侧桥塔处，里程为K318+900的测点位于跨中附近。图6为五峰山长江大桥健康监测测点总体布置图，如图6所示。本次检测的五峰山大桥钢轨为60kg/m，U71Mn(G)，计算时线膨胀系数α取1.18×10

步骤二：测试时间选取。

选取某一天6：00——24：00进行18小时无间断的数据采集。

步骤三：分离监测系统。

本发明采用一种无缝线路长期监测系统，现代线-桥结构健康监测技术不仅仅是对传统检测技术的简单改进，而且是运用现代传感与通信技术，实时监测无缝线路运营阶段的结构响应与行为，获取反映结构状况和环境因素的各种信息，并由此分析结构的健康状况、评估结构的可靠性，为无缝线路的管理与维修决策提供科学依据。

图7为大跨径桥上无缝线路锁定轨温的健康监测系统的结构示意图，图8为健康监测系统的基本处理流程。如图7-图8，健康监测系统主要是由传感器系统、数据采集与传输系统、数据管理、分析与安全评估系统三个子系统组成。

各自功能分别描述如下：

(1)传感器系统：传感器系统作为无缝线路结构健康监测系统实现其全部监测项目和功能的基础，其主要任务是通过各种类型的传感器感应桥梁结构运营状态的结构响应信号，并将传感器的信号传输至健康监测系统的控制中心，作为无缝线路结构安全性评估的重要数据。该发明结构健康监测系统传感器子系统的构建会涉及到多种类型的传感器，如温度计、挠度仪、光纤光栅应力传感器、加速度传感器等。

(2)数据采集和传输系统：在超大跨度桥上无缝线路实际锁定轨温健康监测系统中，数据采集和传输系统的主要任务是对各种类型传感器的信号进行感应采集、传输和保存，为数据管理、分析与安全评估提供基础数据。

(3)数据管理、分析与安全评估系统：数据管理、分析与安全评估系统的功能是对海量的健康监测数据进行可视化处理和分析评估，实现原始数据到无缝线路健康状况信息的转化。该子系统分为数据预处理、数据二次处理和数据后处理。数据预处理首先根据公式(2)对原始数据进行挠曲位移回归分析，剔除挠曲力影响。预处理得到的数据进行二次处理，根据公式(3)对钢轨伸缩附加力进行分离得到“纯净”的基本温度力。数据后处理是按照公式(4)计算实际锁定轨温，并实现在用户界面的实时显示。用户端置于铁路工务部门，可实现锁定轨温高时效高精度的实时展示，依据该方法得到实际锁定轨温对无缝线路进行正常养护和维修。

综上所述，本发明实施例提供了一种可以获得超大跨度桥上实际锁定轨温的方法。基于各附加力与桥梁空间变形的线性关系，通过建立线性回归模型有效的剔除了超大跨度桥上无缝线路钢轨伸缩附加力、挠曲附加力的影响，获得基本温度力，可实现对真实锁定轨温的实时监测，解决了超大跨度公铁两用桥上无缝线路挠曲附加力受力不明确的问题，可利用该方法形成超大跨度桥上无缝线路实际锁定轨温监测系统，便于铁路工务部分对无缝线路进行日常的养护与维修工作。

本发明实施例方法基于钢轨附加力与桥梁空间变形、温度的线性关系，利用温度效应与活载效应的频率差别，通过建立线性回归模型及趋势项提取有效的分离出了各附加力及基本温度力，可实现对无缝线路实际锁定轨温的实时监测。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。