專利名稱：一種既有鐵路多跨連續(xù)梁使用狀態(tài)檢測(cè)方法
一種既有鐵路多跨連續(xù)梁使用狀態(tài)檢測(cè)方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于一種橋梁檢測(cè)方法，具體涉及一種既有鐵路多跨連續(xù)梁使用狀態(tài)檢測(cè) 方法。
背景技術(shù)：
隨著鐵路速度、重量、密度的不斷提高，列車運(yùn)營(yíng)對(duì)橋梁的沖擊不斷增大，特別是 對(duì)萬(wàn)噸級(jí)重載運(yùn)輸更是如此。如何對(duì)重載既有鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中使用狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，是 當(dāng)今鐵路發(fā)展中遇到的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。
長(zhǎng)期以來(lái)，人們十分重視對(duì)橋梁使用狀態(tài)的檢測(cè)，但由于缺乏有效可靠的檢測(cè)方 法，不能對(duì)橋梁使用狀態(tài)給出全面的預(yù)警，造成一些列車脫軌、橋梁振動(dòng)過(guò)大等安全問(wèn)題， 因此，許多科研工作者致力尋找較為完善的長(zhǎng)期檢測(cè)橋梁使用狀態(tài)的方法。
列車作用下橋梁使用狀態(tài)檢測(cè)方法在過(guò)去幾年得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展，采用了多 種檢測(cè)方案，各種方法具有不同特點(diǎn)和適用范圍。傳統(tǒng)的鐵路橋梁使用狀態(tài)檢測(cè)方法在橋 梁跨中布位移和加速度拾振器，測(cè)量橋梁跨中的垂向和橫向振幅和加速度，采用跨中振幅 和加速度動(dòng)力學(xué)控制指標(biāo)來(lái)判斷橋梁在列車作用下的使用狀態(tài)，這種方法簡(jiǎn)單、直接，測(cè)量 結(jié)果直接反映了系統(tǒng)動(dòng)力性能指標(biāo)，但需設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件要求高，施工困難，無(wú)法 做到橋梁使用狀態(tài)長(zhǎng)期檢測(cè)。
光電成像法結(jié)合了遠(yuǎn)距離成像技術(shù)、光電子技術(shù)、數(shù)字圖像處理和相關(guān)技術(shù)等多 種高科技技術(shù)，是一種遠(yuǎn)距離、非接觸式測(cè)量方法，測(cè)量過(guò)程實(shí)時(shí)、高速、自動(dòng)、數(shù)字化。但設(shè) 備價(jià)格高昂，容易受到下雨、霧天等條件的影響。
GPS能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)、自動(dòng)測(cè)量，在公路橋梁中已廣泛應(yīng)用，但對(duì)于鐵路橋 梁振動(dòng)頻率高、變形小，其測(cè)量精度、發(fā)射頻率等還不能完全滿足橋梁健康檢測(cè)的要求，使 用有一定的限制性。發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種既有鐵路多跨連續(xù)梁使用狀態(tài)檢測(cè)方 法，以滿足實(shí)際工程需要，本方法能夠適應(yīng)各種惡劣的天氣及極端環(huán)境等情況，可以進(jìn)行遠(yuǎn) 距離傳輸，支座截面設(shè)置測(cè)點(diǎn)，施工方便，實(shí)現(xiàn)橋梁使用狀態(tài)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)、自動(dòng)地長(zhǎng)期檢測(cè)。
本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種既有鐵路多跨連續(xù)梁使用狀態(tài)檢測(cè)方法，運(yùn)用動(dòng)力有限元理論建立車橋動(dòng)力 分析模型，以實(shí)測(cè)軌道不平順為激勵(lì)，即將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試到的軌道的不平順作為激勵(lì)加到模型 中，采用數(shù)值方法模擬計(jì)算列車通過(guò)時(shí)橋梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變值，得到支座截面檢測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變 控制閾值包絡(luò)線；在既有鐵路多跨連續(xù)梁支座截面底面和側(cè)面布設(shè)傳感器，測(cè)量鐵路列車 通過(guò)時(shí)的響應(yīng)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)處理得到支座截面檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)應(yīng)變值；所述檢測(cè)應(yīng)變值超 出所述包絡(luò)線閾值，則發(fā)出預(yù)警。
所述的既有鐵路多跨連續(xù)梁使用狀態(tài)檢測(cè)方法，包括如下步驟
(1)在既有鐵路多跨連續(xù)梁支座截面的底面和側(cè)面布設(shè)傳感器測(cè)量鐵路列車通過(guò) 時(shí)的響應(yīng)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)處理得到支座截面檢測(cè)點(diǎn)處的檢測(cè)應(yīng)變值，其中，所述傳感器至 少設(shè)置在支座橫截面的中性軸位置；
(2)根據(jù)檢測(cè)多跨連續(xù)梁和列車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用動(dòng)力有限元理論、多剛體動(dòng)力學(xué)理 論和輪軌接觸理論建立車橋動(dòng)力分析數(shù)值模型，以實(shí)測(cè)軌道不平順為激勵(lì)，采用數(shù)值方法 模擬計(jì)算列車通過(guò)時(shí)橋梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變值，得到支座截面檢測(cè)點(diǎn)處的模型應(yīng)變值；
通過(guò)檢驗(yàn)該點(diǎn)的模型應(yīng)變值和檢測(cè)應(yīng)變值是否基本吻合驗(yàn)證模型的正確性；
所述傳感器為用于測(cè)量車輛通過(guò)時(shí)支座截面處的應(yīng)變值的光纖應(yīng)變傳感器和用 于補(bǔ)償溫差造成的傳感器應(yīng)變分量的溫度傳感器；
所述信號(hào)處理包括采用高通濾波去除測(cè)試噪聲和低通濾波去除晝夜溫差造成的 梁體應(yīng)變成分；
(3)以車橋系統(tǒng)動(dòng)力性能指標(biāo)為控制條件，在車橋動(dòng)力分析模型中改變橋梁和列 車的條件參數(shù)，計(jì)算車橋動(dòng)力響應(yīng)，統(tǒng)計(jì)分析得到使橋梁跨中振幅、跨中加速度等指標(biāo)達(dá)到 規(guī)定的動(dòng)力性能控制指標(biāo)時(shí)支座截面檢測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變值，以應(yīng)變最大和最小值為各檢測(cè)點(diǎn) 位置的控制閾值；
所述橋梁和列車的條件參數(shù)包括橋梁剛度、列車運(yùn)行速度、列車類型或約束條件。
所述的動(dòng)力性能控制指標(biāo)中輪重減載率、脫軌系數(shù)控制指標(biāo)符合《鐵道車輛動(dòng)力 學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(GB5599-8Q規(guī)定的車輛安全性指標(biāo)。
所述的跨中振幅、跨中加速度控制指標(biāo)符合《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(2004)規(guī)定的橋 梁動(dòng)力性能控制指標(biāo)。
(4)將支座截面檢測(cè)點(diǎn)處的檢測(cè)應(yīng)變值與控制閾值對(duì)照，判定該檢測(cè)應(yīng)變值是否 超出控制閾值，如果超出，則發(fā)出預(yù)警。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下有益效果
(1)本發(fā)明采用光纖光柵檢測(cè)應(yīng)變不受電磁干擾及核輻射的影響，安裝方便，測(cè)量 精度和分辨率高，響應(yīng)速度快，可長(zhǎng)期應(yīng)用于高溫、高濕的惡劣環(huán)境中，還用于遠(yuǎn)程傳輸。
( 本發(fā)明在支座截面設(shè)置測(cè)點(diǎn)，施工方便，避免了在橋梁跨中設(shè)置測(cè)點(diǎn)造成的施 工困難。
(3)本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)橋梁使用狀態(tài)下的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)方法綜合考慮了列車運(yùn) 行安全性和橋梁動(dòng)力性能，較為全面地實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁使用狀態(tài)的預(yù)警。


圖1是連續(xù)梁檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖2是支座截面檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖3是多跨連續(xù)梁數(shù)值模型示意圖4 (a)是重載列車數(shù)值模型示意圖4(b)是單節(jié)重載列車數(shù)值模型示意圖5 (a)是支座截面檢測(cè)點(diǎn)處垂向應(yīng)變控制閾值；
圖5(b)是支座截面檢測(cè)點(diǎn)處橫向應(yīng)變控制閾值。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本方法做詳細(xì)的說(shuō)明
實(shí)施例
本實(shí)例中的橋梁為重載鐵路連續(xù)梁橋A-K，結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁跨為變截 面變高度結(jié)構(gòu)，具體為十跨，包括八座中跨，兩座邊跨A-B、G-K,中跨跨度為80m，邊跨48m。
(1)根據(jù)檢測(cè)橋梁特征，在支座截面?zhèn)让嬷行暂S位置1和底面中性軸位置2設(shè)置光 纖應(yīng)變傳感器和溫度補(bǔ)償傳感器，總共設(shè)置22個(gè)光纖應(yīng)變傳感器和22個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器， 如圖1、2所示，用于測(cè)量列車通過(guò)時(shí)支座處應(yīng)變值；采集得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償，并采用 高通和低通濾波，去除噪聲和溫差造成的梁體應(yīng)變成分，作為檢測(cè)到的最終結(jié)果。
(2)采用有限元理論，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式、材料特性等精確建立連續(xù)梁動(dòng)力分析數(shù) 值模型，如圖3所示，其模型包括橋墩3、連續(xù)梁4、支座5，鋼軌6，其中連續(xù)梁、橋墩、鋼軌采 用實(shí)體單元，鋼軌和連續(xù)梁之間根據(jù)實(shí)際扣件位置采用彈簧阻尼元連接，橋梁每個(gè)支座按 實(shí)際情況設(shè)置三個(gè)方向約束；
(3)采用多剛體動(dòng)力學(xué)理論，根據(jù)重載列車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、物理特性、連接形式建立列 車動(dòng)力學(xué)模型，如圖4(a)、(b)所示，列車模型由10節(jié)車輛組成，每節(jié)車輛由車體7、轉(zhuǎn)向架 8和輪對(duì)9等多剛體組成，各剛體之間采用彈性阻尼元連接，剛體具有沉浮、點(diǎn)頭、橫移、搖 頭、側(cè)滾自由度，單節(jié)車輛總計(jì)27個(gè)自由度；
(4)采用赫茲接觸理論和摩擦理論建立輪軌接觸關(guān)系，通過(guò)輪軌關(guān)系將列車模型 和橋梁模型耦合形成車橋動(dòng)力分析模型，以實(shí)測(cè)軌道不平順為激勵(lì)，對(duì)車輛施加33. 3m/s 的速度荷載，積分步長(zhǎng)選用10_6秒，采用動(dòng)力顯式數(shù)值積分方法，在增量步開始時(shí)，程序求 解動(dòng)力學(xué)平衡方程，即
Μμ. = P — I
其中M是質(zhì)量矩陣，P為外力矩陣，I為內(nèi)力矩陣，μ為位移矩陣；
在當(dāng)前增量步開始時(shí)(t時(shí)刻)，計(jì)算加速度，即
!U, - M .1 (P — /)),
對(duì)加速度在時(shí)間上積分采用中心差分方法，在計(jì)算速度時(shí)假定加速度為常數(shù)，應(yīng) 用這個(gè)速度的變化值加上前一個(gè)增量步中點(diǎn)的速度來(lái)確定當(dāng)前增量步中點(diǎn)的速度，即速度 的表達(dá)式為
iA油=I, +
計(jì)算位移時(shí)，采用速度對(duì)時(shí)間的積分加上在增量步開始時(shí)的位移以確定增量步結(jié) 束時(shí)的位移，即位移計(jì)算公式如下
μ\ +Αι = fAf + Λ/ ”\丨.Λ,
這樣，在增量步開始時(shí)提供了滿足動(dòng)力學(xué)平衡條件的加速度。得到了加速度后，在 時(shí)間上“顯式地”前推速度和位移。求解列車通過(guò)時(shí)列車和橋梁動(dòng)力響應(yīng)值。
(5)積分求解完畢后，選取A K截面位置1和位置2處有限單元的應(yīng)變值，將該 位置處應(yīng)變值和檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，經(jīng)過(guò)不斷修正，使計(jì)算結(jié)果能于實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。
(6)改變車橋動(dòng)力分析模型中橋梁剛度、列車運(yùn)行速度、列車類型、約束條件等，計(jì)算車橋動(dòng)力響應(yīng)，提取橋梁跨中截面位置1和位置2處有限單元的位移和加速度值，統(tǒng)計(jì)分 析得到使跨中位移和加速度等指標(biāo)達(dá)到控制指標(biāo)時(shí)支座截面檢測(cè)點(diǎn)處單元的應(yīng)變值，以應(yīng) 變最大和最小值為各檢測(cè)點(diǎn)位置的控制閾值，如圖5(a) (b)所示。其中跨中位移和加速度 控制指標(biāo)可采用如下取值
跨中橫向振幅< L/7. OB = 2. 86mm
跨中垂向加速度< 0. 25g
注L為預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨度，B為預(yù)應(yīng)力混凝土梁為支座中心距(m)，g為9. Sm/2S
(7)將實(shí)際橋梁檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果與控制閾值對(duì)照，判定檢測(cè)結(jié)果是否超出控 制閾值，如果超出，則發(fā)出預(yù)警。
顯然，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它 不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方 案所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。
權(quán)利要求
1.一種既有鐵路多跨連續(xù)梁使用狀態(tài)檢測(cè)方法，其特征在于，運(yùn)用動(dòng)力有限元理論建 立車橋動(dòng)力分析模型，以實(shí)測(cè)軌道不平順為激勵(lì)，采用數(shù)值方法模擬計(jì)算列車通過(guò)時(shí)橋梁 的動(dòng)態(tài)應(yīng)變值，得到列車通過(guò)的過(guò)程中使跨中振幅、跨中加速度等指標(biāo)達(dá)到規(guī)定的動(dòng)力性 能控制指標(biāo)時(shí)支座截面檢測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變控制閾值包絡(luò)線；在既有鐵路多跨連續(xù)梁支座截面 底面和側(cè)面布設(shè)至少包括應(yīng)變傳感器的傳感器，測(cè)量鐵路列車通過(guò)時(shí)的響應(yīng)信號(hào)，信號(hào)經(jīng) 過(guò)處理得到支座截面檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)應(yīng)變值；所述檢測(cè)應(yīng)變值超出所述包絡(luò)線閾值，則發(fā)出 預(yù)警。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的既有鐵路多跨連續(xù)梁使用狀態(tài)檢測(cè)方法，其特征在于，包括 如下步驟(1)在既有鐵路多跨連續(xù)梁支座截面的底面和側(cè)面布設(shè)傳感器測(cè)量鐵路列車通過(guò)時(shí)的 響應(yīng)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)處理得到支座截面檢測(cè)點(diǎn)處的檢測(cè)應(yīng)變值，其中，所述傳感器至少設(shè) 置在支座橫截面的中性軸位置；(2)根據(jù)檢測(cè)多跨連續(xù)梁和列車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用動(dòng)力有限元理論、多剛體動(dòng)力學(xué)理論和 輪軌接觸理論建立車橋動(dòng)力分析數(shù)值模型，以實(shí)測(cè)軌道不平順為激勵(lì)，采用數(shù)值方法模擬 計(jì)算列車通過(guò)時(shí)橋梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變值，得到支座截面檢測(cè)點(diǎn)處的模型應(yīng)變值；通過(guò)檢驗(yàn)該點(diǎn)的模型應(yīng)變值和檢測(cè)應(yīng)變值是否基本吻合驗(yàn)證模型的正確性；(3)以車橋系統(tǒng)動(dòng)力性能指標(biāo)為控制條件，在車橋動(dòng)力分析模型中改變橋梁和列車的 條件參數(shù)，計(jì)算車橋動(dòng)力響應(yīng)，統(tǒng)計(jì)分析得到使橋梁跨中振幅、跨中加速度等指標(biāo)達(dá)到規(guī)定 的動(dòng)力性能控制指標(biāo)時(shí)支座截面檢測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變值，以應(yīng)變最大和最小值為各檢測(cè)點(diǎn)位置 的控制閾值；(4)將支座截面檢測(cè)點(diǎn)處的檢測(cè)應(yīng)變值與控制閾值對(duì)照，判定該檢測(cè)應(yīng)變值是否超出 控制閾值，如果超出，則發(fā)出預(yù)警。
3.根據(jù)權(quán)利要求2步驟(1)所述的既有鐵路多跨連續(xù)梁使用狀態(tài)檢測(cè)方法，其特征在于，所述傳感器為用于測(cè)量車輛通過(guò)時(shí)支座截面處的應(yīng)變值的光纖應(yīng)變傳感器和用于補(bǔ) 償溫差造成的傳感器應(yīng)變分量的溫度傳感器；所述信號(hào)處理包括采用高通濾波去除測(cè)試噪聲和低通濾波去除晝夜溫差造成的梁體 應(yīng)變成分。
4.根據(jù)權(quán)利要求2步驟C3)所述的既有鐵路多跨連續(xù)梁使用狀態(tài)檢測(cè)方法，其特征在 于，所述橋梁和列車的條件參數(shù)包括橋梁剛度、列車運(yùn)行速度、列車類型或約束條件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種既有鐵路多跨連續(xù)梁使用狀態(tài)檢測(cè)方法，運(yùn)用動(dòng)力有限元理論建立車橋動(dòng)力分析模型，以實(shí)測(cè)軌道不平順為激勵(lì)，采用數(shù)值方法模擬計(jì)算列車通過(guò)時(shí)橋梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變值，得到多跨連續(xù)梁支座截面檢測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變控制閾值；在既有鐵路多跨連續(xù)梁支座截面底面和側(cè)面布設(shè)至少包括應(yīng)變傳感器的傳感器，測(cè)量鐵路列車通過(guò)時(shí)的響應(yīng)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)處理得到支座截面檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)應(yīng)變值；所述檢測(cè)應(yīng)變值超出所述包絡(luò)線閾值，則發(fā)出預(yù)警。本發(fā)明能夠適應(yīng)各種惡劣的天氣及極端環(huán)境等情況，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，支座截面設(shè)置測(cè)點(diǎn)，施工方便，實(shí)現(xiàn)橋梁使用狀態(tài)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)、自動(dòng)地長(zhǎng)期檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01B11/16GK102032876SQ20101055971
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者尹國(guó)棟, 彭修乾, 時(shí)瑾, 王英杰, 陳向東, 龍?jiān)S友 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)