一种超大跨度桥上无缝线路挠曲力的分离监测方法

技术领域

本发明涉及桥上无缝线路技术领域，尤其涉及一种超大跨度桥上无缝线路挠曲力的分离监测方法。

背景技术

随着无缝线路的发展，无缝线路不仅受到基本温度力的作用，还承受着由不同因素引起的纵向附加力作用。对于超大跨度公铁两用桥上无缝线路，无缝线路不仅基本温度力与伸缩附加力，列车荷载等诸多因素均会导致桥梁产生垂向位移，进而产生梁轨相互作用，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。

对于已投入运营的五峰山长江大桥、沪通长江大桥等超大跨度公铁两用桥梁，桥梁会因桥梁索缆温变、车辆荷载导致桥梁发生较大幅度的挠曲变形而产生的温度挠曲力及车辆挠曲力。图1为某千米级跨度公铁两用桥梁主跨跨中挠度日监测结果。由监测结果可以发现，跨中挠度的日变化曲线与日温变化曲线变化幅度整体均呈现正弦曲线的特征，同时挠度日变化曲线存在由列车荷载和公路荷载产生的突刺。

目前，现有技术中有方案提出了基本温度力与伸缩附加力的分离监测方法，对于挠曲力的分离监测方法还有待深入研究。

发明内容

本发明的实施例提供了一种超大跨度桥上无缝线路挠曲力的分离监测方法，以实现对超大跨度桥上无缝线路的各个力进行实时监测。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种超大跨度桥上无缝线路挠曲力的分离监测方法，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、日温和钢轨纵向应力进行监测；

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轨挠曲附加力；

根据日温与温度挠曲力之间的线性相关性计算分离温度挠曲力；

根据公路挠曲力与列车挠曲力之间的频率差别，将列车过桥这段时间内的活载挠曲力与列车过桥前后公路挠曲力均值相减得到列车挠曲力。

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、日温和钢轨纵向应力进行监测，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)、日温T和钢轨纵向应力

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轨挠曲附加力，包括：

建立桥梁挠度D(t)与钢轨挠曲附加力σ

σ

其中，a

优选地，所述的根据日温与温度挠曲力之间的线性相关性，计算分离温度挠曲力，包括：

建立日温T与温度挠曲力σ

σ

其中，T为t时刻的日温，σ

优选地，所述的方法还包括：利用温度效应与活载效应的频率差别，计算分离温度挠曲力，基于挠曲力数据长周期低频趋势项以及高频波动项分别对应着由温度荷载引起的温度挠曲力以及由列车、公路活载车辆挠曲力，采用小波分解、经验模态分解EMD及其变种算法趋势项提取方法，分离温度挠曲力。

优选地，所述的根据公路挠曲力与列车挠曲力之间的频率差别，将列车过桥这段时间内的活载挠曲力与列车过桥前后公路挠曲力均值相减得到列车挠曲力，包括：

桥上无列车通过时，只存在由公路荷载产生的公路挠曲力σ

式中，σ

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明一种千米级公铁两用桥上无缝线路挠曲力分离监测的方法，基于温度挠曲力与温度的线性关系，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挠曲力，可实现对各个力的实时监测。

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为现有技术中的某千米级跨度公铁两用桥梁主跨跨中挠度日监测结果示意图；

图2为本发明实施例提供的一种超大跨度公铁两用桥上无缝线路挠曲的力分离监测的处理流程图；

图3为本发明实施例提供的一种沪苏通长江公铁大桥健康监测测点总体布置示意图；

图4为本发明实施例提供的一种主跨跨中挠度日监测结果示意图；

图5为本发明实施例提供的一种跨中挠度与温度的相关性示意图；

图6为本发明实施例提供的一种温度挠曲力与温度挠度的相关性示意图；

图7为本发明实施例提供的一种列车挠曲力与桥梁挠度的相关关系示意图；

图8为本发明实施例提供的一种公路挠曲力与桥梁挠度的相关关系示意图。

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。

本发明实施例提供的一种超大跨度公铁两用桥上无缝线路挠曲的力分离监测的处理流程图如图2所示，包括如下的处理步骤；

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。

可借用实际工程已布设的健康监测测点，作为本发明监测点。

图3所示为已运营通车的沪苏通长江公铁大桥桥梁的的健康监测测点总体布置图，选取主跨1/4处(测点1、测点3)及跨中(测点2)作为本发明具体实施案例的测点。

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)、日温T和钢轨纵向应力σ进行全天候监测。

步骤S3：图4为本发明实施例提供的一种主跨跨中挠度日监测结果示意图；图5为本发明实施例提供的一种跨中挠度与温度的相关性示意图；图6为本发明实施例提供的一种温度挠曲力与温度挠度的相关性示意图；图7为本发明实施例提供的一种列车挠曲力与桥梁挠度的相关关系示意图；图8为本发明实施例提供的一种公路挠曲力与桥梁挠度的相关关系示意图。

如图4至图8所示，温度挠曲力、列车挠曲力、公路挠曲力均与桥梁挠度成正相关。首先，基于桥梁挠度D(t)与钢轨挠曲附加力σ

σ

其中，a

步骤S4：基于线性回归思想或趋势项提取方法，将温度挠曲力σ

S41在所选测点处，布置测温装置获取日温T。

S42基于温度与温度挠曲力的线性相关性，建立二者的线性回归方程，需考虑滞后效应。回归模型的函数表达式为：

σ

其中，T为t时刻的日温，σ

除采用上述线性回归的方法外，还可通过趋势项提取方法得到钢轨挠曲力时程中的温度效应。挠曲力数据可分为长周期低频趋势项以及高频波动项，分别对应着由温度荷载以及列车、公路活载所引起的钢轨挠曲力变化。基于这一特性，采用小波分解、经验模态分解EMD(Empirical Mode Decomposition)及其变种算法趋势项提取方法，分离温度挠曲力与活载挠曲力。

步骤S5：桥上无列车通过时，此时只存在由公路荷载产生的公路挠曲力σ

式中，σ

本发明还提供一个实施例，用于示例性地显示使用本发明提供的方法进行挠曲力分离监测的过程。

根据本专利实施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。

本实施例以已投入运营的沪苏通长江公铁大桥为对象进行了各挠曲力分离，全桥共分布三个测点，测点布设图如说明附图中图3所示。测点位置处的桥梁布设GNSS、挠度仪、温湿度计等，钢轨布设光纤光栅应力传感器、挠度仪、加速度传感器等。

步骤二：测试数据收集。

本发明需要对活荷载挠曲力进行分离，故监测数据的采集需要在列车运营时段内，由于列车车次较为固定，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：构建线-桥智能分析监测系统。

本发明采用一种线-桥智能分析监测系统，该系统由线-桥数据采集部分、网络传输部分、数据处理中端、数据管理中心三部分组成，各自功能分别描述如下：

数据采集部分：需要采集的数据分为轨道数据与桥梁数据。光纤光栅结构应力传感器(2)获取钢轨纵向应力σ(t)，温湿度计(1)获取环境温度T(t)，GNSS定位监测系统(3)采集桥梁累积垂直位移量，主要的功能是实时采集桥梁测点的位置、位移等信息，进而获得桥梁实时挠度数据D(t)。采集到的数据分别发送至数据采集服务器(4)及GNSS设备服务器(5)并保存至数据库。

网络传输部分：网络传输部分主要设备为无线网路，负责连接光纤光栅传感器设备与GNSS采集设备，将轨道及桥梁的采集数据通过4G无线基站(6)或北斗无线网络(7)对数据进行传送。

数据处理中端：该部分包含了WIFI通讯单元(8)、文件存储单元(9)、数据处理单元(10)。由WIFI单元(8)接收来自现场数据采集服务器(4)(5)的测试数据，数据处理单元(10)负责对测试数据的处理和计算，得到各挠曲力分离值。数据处理单元计算完成后，由存储单元(9)对最后结果存储、记录。

线-桥智能分析管理中心：该管理中心置于铁路工务部门，包含了一台接入公网的PC(11)。客户端可实现挠曲力高时效高精度的分离监测展示。同时工务部门工作人员可以对数据进行二次计算和操作、上传云端等。

综上所述，本发明方法可以直观的获得不同因素产生的挠曲力的数值大小及变化规律，解决了千米级公铁两用桥上无缝线路挠曲附加力受力不明确的问题，可利用该方法形成千米级公铁两用桥上无缝线路纵向力智能监测系统，便于线-桥结构的运营管理及健康监测。

本发明的千米级公铁两用桥上无缝线路挠曲力分离监测的方法可以直观地获得不同因素产生的挠曲力的数值大小及变化规律，解决了千米级公铁两用桥上无缝线路挠曲附加力受力不明确的问题，可利用该方法形成千米级公铁两用桥上无缝线路纵向力智能监测系统，便于线-桥结构的运营管理及健康监测。

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。