客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路橋梁振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

郭建康

(烏魯木齊鐵路局 烏魯木齊高鐵工務(wù)段，新疆 烏魯木齊 830011)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近年來(lái)我國(guó)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)建設(shè)突飛猛進(jìn)。新建客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)橋梁長(zhǎng)度和數(shù)量通常都較大，使得既有鐵路橋梁檢查的工作量大幅度增加，而高速通過(guò)的列車(chē)對(duì)橋梁的穩(wěn)定性有非常高的要求，因此需要管理單位及時(shí)掌握橋梁狀態(tài)。

最早的橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)大多采用以人工作業(yè)為主。人工作業(yè)主觀性較強(qiáng)，作業(yè)效果差，不夠迅速。隨著經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展，目前已有很多大型橋梁從設(shè)計(jì)之初就在橋梁關(guān)鍵部位采用有線(xiàn)布網(wǎng)的方式布設(shè)振動(dòng)加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，如蘇通大橋[2]、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋[3]等。

有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方式相比于傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，具有信號(hào)易于提取，且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也存在諸多不足，如測(cè)試準(zhǔn)備工作繁重、布線(xiàn)繁瑣、自動(dòng)化程度低、配套工程較多等[4]。解決上述問(wèn)題最有效的方式是采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)[5]，其具有結(jié)構(gòu)尺寸小、成本低廉、布置靈活、測(cè)試精度高等特點(diǎn)。在橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)中使用無(wú)線(xiàn)傳輸已經(jīng)開(kāi)始受到廣泛關(guān)注[6]。因此，開(kāi)展鐵路橋梁振動(dòng)無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控工作具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文對(duì)橋梁振動(dòng)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行論述，選取蘭新客專(zhuān)紅燕南路立交特大橋4孔梁作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，掌握橋梁振動(dòng)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)橋梁檢查作業(yè)起到良好的指導(dǎo)作用。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成和工作方法

客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)橋梁振動(dòng)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由位移傳感器、基于GPRS的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊的遠(yuǎn)程通信子系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)控制中心、供電系統(tǒng)、前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、中心數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)工作原理：由數(shù)據(jù)采集儀采集存儲(chǔ)位移傳感器發(fā)送的振動(dòng)模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸器通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析備份，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，標(biāo)識(shí)出異常數(shù)據(jù)，同時(shí)監(jiān)控中心也可以向橋梁現(xiàn)場(chǎng)位移傳感器發(fā)送各種指令來(lái)控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行[7]。

數(shù)據(jù)采集模塊將位于橋梁不同部位傳感器測(cè)到的振動(dòng)或者加速度信號(hào)后經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，再經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。同時(shí)，各個(gè)采集子單元的主板都帶有USB接口，可以在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)保存到相應(yīng)的U盤(pán)中，并將數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送到移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)。GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò)的終端部分是GPRS DTU。GPRS DTU的4個(gè)核心功能是：內(nèi)部集成 TCP/IP協(xié)議棧，提供串口數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)換功能，支持永久在線(xiàn)，支持參數(shù)配置和永久保存。通過(guò)有線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集中心,可以同時(shí)與很多個(gè) GPRS DTU進(jìn)行雙向通信。

監(jiān)控中心站程序設(shè)計(jì)采用VC++ 6.0作為開(kāi)發(fā)工具，其軟件包括監(jiān)測(cè)中心控制界面及初始化程序，數(shù)據(jù)包的收發(fā)程序、數(shù)據(jù)處理和保存程序。其中最重要的是監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)與 GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊之間的通信，它是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包接收和發(fā)送的關(guān)鍵。VC++6.0 提供了網(wǎng)絡(luò)端口通信控件WINSOCK，能夠方便地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)端口的掃描和偵聽(tīng)。通過(guò)設(shè)置一個(gè)固定不被計(jì)算機(jī)占用的端口作為通信端口，然后不斷地偵聽(tīng)這個(gè)端口的狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)端口中有數(shù)據(jù)包接收，那么開(kāi)始把數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后接收，并且調(diào)用相關(guān)的中斷處理程序處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)。監(jiān)控軟件的功能分為2大部分：①遠(yuǎn)程管理現(xiàn)場(chǎng)采集單元和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前極值數(shù)據(jù);②當(dāng)列車(chē)通過(guò)后查看波形數(shù)據(jù)，并可以進(jìn)行顯示和分析。監(jiān)控軟件的工作狀態(tài)相應(yīng)分為遠(yuǎn)程和本地2種，遠(yuǎn)程指的是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)采集單元進(jìn)行通信，具體的包括遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程查詢(xún)、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)等。本地指的是軟件處理現(xiàn)場(chǎng)采集單元中U盤(pán)上的數(shù)據(jù)或者實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)文件，具體包括時(shí)域波形顯示、縮放、頻譜分析、打印、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。

現(xiàn)場(chǎng)采集單元可單獨(dú)使用，一個(gè)采集單元就是一個(gè)測(cè)試點(diǎn)即通常所說(shuō)的測(cè)試通道。采集單元包括：橋梁橫向振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元、橋梁豎向振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元和橋梁振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)單元?，F(xiàn)場(chǎng)采集單元內(nèi)部附帶電源，能夠自動(dòng)識(shí)別所監(jiān)測(cè)信號(hào)，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波及其他一些操作后并將信號(hào)自動(dòng)保存下來(lái)。保存的方式有2種：內(nèi)部RAM及外插U盤(pán)上。內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)可以無(wú)線(xiàn)傳送到后臺(tái)監(jiān)控以便現(xiàn)場(chǎng)查看、分析，U盤(pán)的數(shù)據(jù)可以作為存檔以備事后分析處理。

2 前期準(zhǔn)備

系統(tǒng)可靠性是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)。在研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中，項(xiàng)目組選取橫向振幅、豎向振幅、豎向加速度3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路橋梁設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)無(wú)線(xiàn)采集單元的電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)、安裝方式，采集數(shù)據(jù)的微功率大范圍(2 000 m)傳輸，數(shù)據(jù)集中器的可靠遠(yuǎn)程通信、設(shè)備的安裝固定，中心處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)、圖形顯示界面、數(shù)據(jù)快速查詢(xún)等技術(shù)和裝置進(jìn)行了深入研究和不斷改進(jìn)[8-10]。

為了確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，課題組在無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成后在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了標(biāo)定，同時(shí)用有線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備和無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。橫向振動(dòng)值無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與有線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤差為6.6‰，豎向振動(dòng)值無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與有線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤差為5.2‰，測(cè)試結(jié)果如圖1所示[11-12]。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效果

選用TG/GW 209—2014《高速鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)性能檢定規(guī)定(試行)》規(guī)定的常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線(xiàn)簡(jiǎn)支箱梁梁體跨中橫向振幅通常值、常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線(xiàn)簡(jiǎn)支箱梁梁體跨中豎向振動(dòng)加速度通常值、常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線(xiàn)簡(jiǎn)支箱梁梁體跨中豎向振幅通常值3項(xiàng)指標(biāo)作為主要測(cè)試對(duì)象。在蘭新客專(zhuān)紅燕南路立交特大橋選取4孔梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為了驗(yàn)證無(wú)線(xiàn)振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性，使用烏魯木齊鐵路局工務(wù)檢測(cè)所用的儀器對(duì)紅燕南路立交特大橋1孔至4孔梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與無(wú)線(xiàn)振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目同步進(jìn)行，以復(fù)核監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中主要對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)、豎向振動(dòng)、豎向加速度3項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)3次監(jiān)測(cè)圖形波形走勢(shì)高度一致，證明系統(tǒng)可靠性和重復(fù)性很好。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用，無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，系統(tǒng)功能完善，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，能夠滿(mǎn)足工務(wù)部門(mén)橋梁振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求。

圖2 第1孔跨中振動(dòng)參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

隨著鐵路運(yùn)輸朝著高速、重載的方向不斷發(fā)展，對(duì)橋梁經(jīng)常性檢查觀測(cè)工作日益重要，需要橋梁維護(hù)人員能夠及時(shí)、方便地了解橋梁狀態(tài)，方便養(yǎng)護(hù)維護(hù)。無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵路橋梁橋跨結(jié)構(gòu)在橫向和豎向剛度存在的問(wèn)題，有針對(duì)性地進(jìn)行橋梁檢查工作。無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)不但適用于高速鐵路橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且只需要對(duì)個(gè)別參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，即可運(yùn)用于普速鐵路橋梁的監(jiān)測(cè)。無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有造價(jià)低、適用范圍廣的特點(diǎn)，特別適用大跨度橋梁、日常檢查困難地區(qū)橋梁和立交橋梁，具有極高的推廣價(jià)值。

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