中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團企業(yè)。
摘要：鐵路橋梁具有平順、整體性好、剛度大的優(yōu)點，滿足高速鐵路軌道平順性高要求，從而橋梁在高速鐵路軌道應(yīng)用比重大，使其成為研究熱點。本文著重闡述了我國高速鐵路橋梁現(xiàn)狀，分析了普通橋梁和鐵路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，明確基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路橋梁運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)容及范圍，展望了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路橋梁運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究及發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：高鐵橋梁；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；橋梁健康監(jiān)測；運營環(huán)境
【分類號】：U446.2
0 引言
高速鐵路是指本線路最高運營速率每小時不低于200公里，其中包含既有線路改造（軌距標準化、直線化、曲線半徑加大等措施）、高速新線（運營速率最低在250km/h以上）的鐵路運營系統(tǒng)。軌距標準化是采用國際標準軌距，標準軌距是由國際鐵路協(xié)會于1937年制定的，是以兩條鋼軌軌頂內(nèi)側(cè)垂直平面間的距離為1435mm的軌距為標準的軌距，大于1435mm的為寬軌距，小于1435mm的為窄軌距[1]。
2004年《中國鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃》規(guī)劃了“四縱四橫”鐵路快速客運通道以及四個城際快速客運系統(tǒng)；規(guī)劃建設(shè)客運專線1.2萬公里以上，客車速度目標值達到每小時200公里及以上[2]。2008年京津城際鐵路的開通拉開了我國高鐵正式運營通車的序幕，2012年世界運營里程最長的全程2298公里的京廣鐵路全線通車，將我國高速鐵路發(fā)展推向新的篇章。
高速鐵路具有速度高、運載能量大、運營環(huán)境安全性要求高、高密度運營等顯著特點，因此對鐵路土建工程及后期維護要求不斷增高。鐵路橋梁具有平順性好，直線化、曲線半徑大的特點，使其在高速鐵路中應(yīng)用比重不斷增大[1]。高速鐵路橋梁的健康監(jiān)測成為目前研究的一個熱點方向[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有冗余性、無需布線、自組織性、成本和能耗低等特性，適于高速鐵路沿線關(guān)鍵區(qū)域的大范圍部署和長期在線監(jiān)測。因此，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立橋梁運營安全監(jiān)測系統(tǒng)，實時在線監(jiān)測、掌控、護養(yǎng)橋梁，將促進高速列車橋梁運營環(huán)境監(jiān)測技術(shù)變革。
1 我國高鐵橋梁發(fā)展現(xiàn)狀
高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)主要由包含軌道的橋面、包含橋跨結(jié)構(gòu)的上部構(gòu)造、以及包含墩臺及基礎(chǔ)下部構(gòu)造構(gòu)成?；窘Y(jié)構(gòu)多采用雙線整孔，剛度大、整體性好，多以中小跨度為主[3]。
我國高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)體系由小跨度剛架橋、簡支梁、連續(xù)梁、版梁、組合梁橋及鋼桁架橋等組成。其中小跨度剛架橋截面形式為現(xiàn)澆板梁，簡支梁與連續(xù)梁的截面形式為單箱單室箱梁，板梁采用日本高架橋的截面形狀、組合梁橋截面為箱形，鋼桁架橋截面采用正交異性板[2]。我國既有鐵路橋梁中混凝土簡支梁應(yīng)用率的占90%以上。京廣高鐵武漢―廣州段采用單跨簡支梁橋。
我國高速鐵路橋梁的上部結(jié)構(gòu)主要由梁部結(jié)構(gòu)和截面形式兩部分組成，其中梁部結(jié)構(gòu)分離式和整體式，截面形式分為箱形截面和T形截面[1]。下部結(jié)構(gòu)多采用輕型墩臺（尤其針對多跨聯(lián)孔的高架橋），基礎(chǔ)形式的選擇因地制宜。橋梁支座嚴格控制橫向位移限制，一般應(yīng)安裝具有橫向限位裝置的橡膠支座。
橋梁荷載是橋梁設(shè)計的主要考慮因素。高速鐵路橋梁的荷載主要由主要荷載、附加荷載及特殊荷載三種?；詈奢d即為活載，主要指列車引起的使用或占用荷載和自然產(chǎn)生的自然荷載的總稱，是橋梁結(jié)構(gòu)損傷累積和抗力衰減的主要影響因素；具有強度大、均布荷載大的特點；我國主要采用UIC活載模式[3]規(guī)定活載圖。附加荷載為風力、制動牽引力、溫度變化、水流壓力等環(huán)境對橋梁的作用力。特殊荷載指非正常狀態(tài)下（列車脫軌荷載、鋼軌斷裂、地震）對橋梁的影響力[3]。
2橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
早在上個世紀末，橋梁健康監(jiān)測安全評價系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。2003年7月國際橋梁及結(jié)構(gòu)工程協(xié)會（International Association for Bridge and Structural Engineering，IABSE）制訂相應(yīng)國際規(guī)程，規(guī)范應(yīng)用。橋梁健康監(jiān)測主要針對橋梁運營期間的監(jiān)測，是集成橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測、結(jié)構(gòu)評估和系統(tǒng)智能識別于一體的監(jiān)測系統(tǒng)。一般系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、健康評定等部分組成[4]。
1995年Lauzon學者在文獻[5]提出橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計建議，美國Aktan教授制定了詳細的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計指南。
Ren-Guey Lee， Kuei-Chien Chen在文獻[6]中給出了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高效、可靠的橋梁監(jiān)測的系統(tǒng)備份方案，其中通過multiple-hopping中繼網(wǎng)關(guān)進行傳遞相關(guān)的環(huán)境參數(shù)和數(shù)值。
Xiaoya Hu，Bingwen Wang在文獻[7]中給出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的Energy-Balanced時間同步協(xié)議（EBS），該時間同步協(xié)議利用動態(tài)選擇最大的儲備能源傳感器廣播節(jié)點達到能量平衡在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，同時利用帶有MAC-layer時間戳的現(xiàn)有FTSP協(xié)議達到精度高性能的目的。
文獻[8]中Haitao Xiao和Yixuan Gong利用無線網(wǎng)絡(luò)集成傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)橋診斷，解決了在監(jiān)測大型橋梁健康狀態(tài)時，沒有足夠的無線傳感器節(jié)點覆蓋整個橋的問題，同時系統(tǒng)給出了在日本北九州市的現(xiàn)場試驗結(jié)果。
在文獻[9]和[10]中Haitao Xiao和Harutoshi Oga提出一個分布式數(shù)據(jù)聚合活性監(jiān)測方法和分布式局部決策監(jiān)控方法，解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)確保鏈接質(zhì)量可靠的問題，建立了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁健康監(jiān)測的DLDMS（分布式局部的決定監(jiān)控系統(tǒng)）。
德國的S. A. Bachmaier在文獻[11]中簡述了內(nèi)卡河跨河大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)，并給出無線的評估監(jiān)控系統(tǒng)，給信息丟包率、頻率和廣域網(wǎng)絡(luò)連接等重要參數(shù)的在線評估。 在文獻[12]中M.J.Chae給出了普遍適用性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測橋梁健康狀況，已應(yīng)用于超過四十處的懸索橋。
在文獻[13]中介紹了我國國內(nèi)目前已在包括江陰長江大橋、南京長江二橋、潤揚長江大橋、鄭州黃河大橋、錢江四橋、蕪湖長江大橋、蘇通大橋、陽邏長江大橋、貴州壩陵河大橋、杭州灣跨海大橋、深圳西部通道等眾多橋梁在內(nèi)的大跨徑橋梁上建立了不同規(guī)模的健康監(jiān)測系統(tǒng)。
中國香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋上已安裝了目前世界上規(guī)模最大的實時安全監(jiān)測系統(tǒng)，3座橋梁共安裝了800多個各類傳感器，對橋梁在各種荷載作用下的結(jié)構(gòu)狀況、環(huán)境狀況進行全面的監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理[14]。
3高速鐵路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀
文獻[15]通過行車動力和自振頻率現(xiàn)場試驗，給出了鐵路群樁基礎(chǔ)橋橋墩病害診斷的動力測試和評價方法，提出了群樁基礎(chǔ)橋墩狀態(tài)評價的有關(guān)指標。
在文獻[16]中，針對高速鐵路橋梁健康監(jiān)測建立了一種適用于我國高速鐵路橋梁的檢測車設(shè)計方案，并給出了檢測車行走裝置、檢測平臺結(jié)構(gòu)型式、驅(qū)動方式的詳細設(shè)計。
在文獻[17]中，針對高速鐵路橋梁健康監(jiān)測建立了基于有線的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，分析了各個監(jiān)測項目中的傳感器，提出了軟、硬件的設(shè)計方案。
文獻[18]中魏召蘭博士以京滬高速鐵路橋梁―南京大勝關(guān)長江大橋為示例分析了大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)影響因素，建立其車橋耦合動力分析模型，創(chuàng)建了評判標準，明確了行車速度、阻尼比、行車方向、車輛數(shù)、吊桿布置方式等參數(shù)對動力性能的影響。同時，在文獻[19]中，建立了基于有線高速鐵路大型特殊結(jié)構(gòu)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)評估子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、用戶界面子系統(tǒng)六部分組成。
4基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路橋梁運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)容及范圍
高速鐵路橋梁運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)不僅包含常規(guī)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，同時涵蓋橋梁健康監(jiān)測實時數(shù)據(jù)上傳至所屬鐵路局及經(jīng)過該橋梁的高速列車，針對橋梁實時健康狀態(tài)監(jiān)測，預(yù)測、預(yù)警列車運營環(huán)境的安全度，從而為高速列車安全運營提供可靠保障。
橋梁健康監(jiān)測的物理變量主要分為：環(huán)境荷載、運營荷載、特殊荷載、橋梁自身參數(shù)及橋梁響應(yīng)參數(shù)等四部分組成。其中環(huán)境荷載針對強風、溫度、濕度、凍脹力、腐蝕力、沖刷力等；運載荷載即為高速鐵路橋梁日常的交通運營荷載（列車豎向靜活載、列車豎向動力作用、長鋼軌伸縮力和撓曲力、離心力、橫向搖擺力、氣動力等）；特殊荷載指列車脫軌荷載、長鋼軌斷軌力、地震等；橋梁自身參數(shù)是指橋梁靜態(tài)參數(shù)（靜力影響系數(shù)及影響線、結(jié)構(gòu)構(gòu)件及設(shè)備自重、混凝土收縮和徐變、）和動態(tài)參數(shù)（模態(tài)頻率、振動模態(tài)、模態(tài)阻尼比、模態(tài)質(zhì)量參數(shù)）；橋梁響應(yīng)參數(shù)主要包含幾何變形、應(yīng)力狀況、位移狀況、索力、疲勞狀態(tài)、連接件受力以及振動響應(yīng)等。
5結(jié)論及研究展望
我國目前高速鐵路橋梁在線路中所占比例較大，故其健康監(jiān)測為高速鐵路運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。普通橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展已處于較成熟穩(wěn)定發(fā)展階段，但適合我國高速鐵路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展較少。然而，我國高鐵橋梁類別較多，建立統(tǒng)一的中小橋梁健康狀態(tài)QoS指標體系迫在眉睫；同時，亟待需要開發(fā)研制通用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測系統(tǒng)，為高速列車安全運營提供有力的保障。
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