隨著社會的發(fā)展，人們對橋梁的安全性、耐久性與正常使用的日漸關(guān)注，橋梁健康監(jiān)測的研究與監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁維護(hù)與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。
鑒于目前國內(nèi)外已經(jīng)建立了許多橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，例如，英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器，挪威的Skarnsundet斜拉橋（主跨530m）、丹麥主跨1624m的Great Belt East懸索橋、英國主跨194m的Flintshire獨(dú)塔斜拉橋等等。以及我國也已經(jīng)在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，內(nèi)地的上海徐浦大橋以及江陰長江大橋等。因此，有必要對一些具有重要意義的橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
一、朔黃鐵路橋梁問題 （重載 疲勞次數(shù) 軸重增加 年運(yùn)量）
目前，朔黃鐵路年運(yùn)量已突破2億噸，有效地緩解了運(yùn)量需求與運(yùn)輸能力的矛盾。為了滿足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，通過采取重載、提速措施進(jìn)一步提高運(yùn)輸能力。重載提速以后對鐵路線路產(chǎn)生較大的影響，尤其對鐵路橋梁的健康造成不利的影響，主要有：①橋梁受到動荷載作用加強(qiáng)；②影響橋梁動力系數(shù)的因素變化；③重載提速后，除軸重增加外，軸對數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于之前列車，對橋梁的梁部耐久性產(chǎn)生不利的影響；④對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用；⑤會導(dǎo)致橋涵的損傷甚至疲勞破壞。
大秦鐵路開展多種項(xiàng)目對線路、橋梁和路基進(jìn)行有針對性的研究，為安全運(yùn)營與管理提供了非常重要的依據(jù)。如《精軋螺旋鋼筋先張部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁》項(xiàng)目，主要研究了梁體開裂后的疲勞性能和裂紋寬度的控制；《大秦線2萬t貨物列車條件下線橋設(shè)備試驗(yàn)研究》主要研究了開行2萬t貨車對大秦線軌道、橋梁和路基的動力性能的影響；《大秦線2萬t級重載列車對既有橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響》主要研究重載貨車對橋梁外荷載的影響。
問題：
朔黃鐵路運(yùn)行10年以來，部分橋梁的桿件、梁體出現(xiàn)裂紋、斷裂，隨著開行萬噸列車的增多，會更多的出現(xiàn)疲勞、斷裂等故障。因此，需要建立朔黃鐵路橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測這些易發(fā)故障，評價(jià)橋梁的運(yùn)營性能，為橋梁的安全運(yùn)營和管理提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。（文字修飾）
問題的解決辦法 上健康監(jiān)測系統(tǒng)
老方法 傳感，處理
新方法
怎樣發(fā)現(xiàn)缺陷，探測方法（機(jī)理），處理方法、算法
改進(jìn)點(diǎn)，提高點(diǎn)
二、新方案的提出 新方案的特點(diǎn)
根據(jù)現(xiàn)有國內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)以及朔黃鐵路橋梁的特點(diǎn)，我們提出了一種新方案。新方案采用傳感器技術(shù)、激光測距技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、高速照相技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)：對橋梁的撓度、振動、應(yīng)力、軸重進(jìn)行動態(tài)傳感；車廂的運(yùn)動姿態(tài)；梁體、桿件裂紋的產(chǎn)生和裂紋性能；輪軌位置關(guān)系的測量；實(shí)時(shí)分析、處理這些傳感器數(shù)據(jù)，依照多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來評價(jià)橋梁的健康狀態(tài)和安全隱患。
系統(tǒng)規(guī)模：小中大。
三、系統(tǒng)的組成
朔黃鐵路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場測量系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)及分析中心系統(tǒng)三大部分組成：
1.現(xiàn)場自動測量系統(tǒng)
主要對橋梁現(xiàn)場的應(yīng)變、溫度、撓度、振動及軸重傳感器、聲發(fā)射傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；采集激光測距儀所接收的信號；采集高速照相機(jī)所拍攝的照片。預(yù)處理采集到的數(shù)據(jù)、信號、照片，通過TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)向遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)
主要對傳輸過來的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，系統(tǒng)控制命令的發(fā)送，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算。系統(tǒng)采用NI公司的LabVIEW通過TCP/IP接收由下位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理與分析，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警，能以報(bào)表圖形等方式顯示橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、撓度變形等參數(shù)的變化趨勢，并向分析中心傳遞數(shù)據(jù)。
3.分析中心系統(tǒng)
主要對采集系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)及與處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，對監(jiān)控期間的橋梁運(yùn)營工作狀況進(jìn)行評價(jià)，為橋梁的養(yǎng)護(hù)維修提供建議。分析中心系統(tǒng)是整個(gè)健康監(jiān)測系統(tǒng)最為主要的部分，需要運(yùn)用科學(xué)的方法，建立反映橋梁健康狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型。
四、系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容
?。ㄒ唬┫到y(tǒng)研究的主要內(nèi)容
1）應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)：主要監(jiān)測橋梁在運(yùn)營期間內(nèi)，在活載及長期荷載作用下，橋梁各主要測試截面應(yīng)力變化情況，從而預(yù)警橋梁結(jié)構(gòu)是否有缺損狀態(tài)的潛伏或存在，保證橋梁強(qiáng)度及安全使用的要求；
2）振動監(jiān)測系統(tǒng)：主要測量橋梁振動位移、速度和加速度，判斷橋梁的振動特性，可以為評價(jià)應(yīng)變、撓度等橋梁特性提供有效的參考補(bǔ)償；
3）撓度監(jiān)測系統(tǒng)：主要監(jiān)測橋梁在運(yùn)營期間內(nèi)，在活載及長期荷載作用下，橋梁各主要測試斷面位移變化情況，從而預(yù)警和掌握橋梁結(jié)構(gòu)剛度變化情況及徐變作用情況；
4）溫度監(jiān)測系統(tǒng)：實(shí)時(shí)采集橋梁周圍環(huán)境溫度，分析在不同環(huán)境溫度狀態(tài)下橋梁工作狀態(tài)的變化（如撓度、應(yīng)力的變化）；
5）動態(tài)軸重監(jiān)測系統(tǒng)：使用車輛動態(tài)軸重監(jiān)測系統(tǒng)，可對橋梁上通過的車輛進(jìn)行監(jiān)測記錄，掌握活載情況，為分析橋梁結(jié)構(gòu)撓度變形、應(yīng)力及動力性能的監(jiān)測數(shù)據(jù)提供依據(jù)；
6）車體運(yùn)行姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)：
7）輪軌相對位置關(guān)系：測量輪軌相對位置關(guān)系，可以評價(jià)列車的走行性能，為保證行車安全提供參考依據(jù)；
8）鋼梁裂紋監(jiān)測系統(tǒng)：發(fā)現(xiàn)監(jiān)測到鋼梁上的裂紋，并定位裂紋，監(jiān)測裂紋擴(kuò)展情況，及時(shí)報(bào)警；
?。ǘ┫到y(tǒng)需要解決的問題
1）采用精準(zhǔn)的傳感器對橋梁的振動、撓度、應(yīng)變、軸重、溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的動態(tài)傳感，實(shí)時(shí)測量出橋梁的振動特性、撓度變化曲線、應(yīng)變特性、軸重、溫度值；
2）基于聲發(fā)射技術(shù)的梁體、桿件裂紋檢測與定位
3）橋梁的振動運(yùn)動對輪軌位置關(guān)系的影響
4）實(shí)時(shí)監(jiān)測車廂的運(yùn)行姿態(tài)，實(shí)時(shí)評價(jià)走行性能
五、系統(tǒng)的功能
?。?）實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁的撓度信號 能夠形象直觀的看到列車經(jīng)過時(shí)橋梁彎曲、變形（自行研制的撓度儀 連通管） 上下游兩側(cè)的撓度
?。?）實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁的振動信號 橫向振動 豎向振動 （振動傳感器）
?。?）實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁的應(yīng)力信號 （應(yīng)變片）
?。?）實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境溫度的變化（溫度傳感器）
?。?）車輛的軸重（壓電傳感器）
?。?）實(shí)時(shí)顯示列車車廂運(yùn)行姿態(tài)
（7）檢測鋼梁上是否存在裂紋，并計(jì)算出裂紋的準(zhǔn)確位置
（8）鋼梁振動運(yùn)動對輪軌相對位置關(guān)系的影響 梁的運(yùn)動與軌的運(yùn)動
?。?）系統(tǒng)全天候工作
（10）采用光纖以太網(wǎng)通訊（光纜）或3G網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸
系統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)
1） 自行研制的液體連通管光電式撓度傳感器
2） 創(chuàng)造性的提出了鋼梁振動運(yùn)動對輪軌相對位置關(guān)系的影響；
3） 采用激光測距技術(shù)監(jiān)測車廂的運(yùn)行姿態(tài)；
4） 聲發(fā)射技術(shù)對鋼梁上是否存在裂紋進(jìn)行檢測與定位。
六、系統(tǒng)的構(gòu)架、結(jié)構(gòu)框圖
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鋼架橋
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T梁橋
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連續(xù)剛構(gòu)橋
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振動系統(tǒng)
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應(yīng)變系統(tǒng)
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撓度系統(tǒng)
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溫度系統(tǒng)
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軸重系統(tǒng)
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車廂晃動
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聲發(fā)射技術(shù)
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輪軌接觸關(guān)系
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裂紋擴(kuò)展
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不同橋型所需建立的監(jiān)測內(nèi)容。
T梁 連續(xù)剛構(gòu)（預(yù)應(yīng)力） 梁體開裂后的疲勞性能和裂紋寬度的控制
鋼桁梁判斷發(fā)現(xiàn)裂紋 定位 對裂紋的發(fā)生和發(fā)展
參考文獻(xiàn)：
《大秦鐵路開行2萬t級重載列車對既有橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響》左家強(qiáng)
系統(tǒng)規(guī)模
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小系統(tǒng)
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中系統(tǒng)
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大系統(tǒng)
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撓度系統(tǒng)
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振動系統(tǒng)
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應(yīng)變系統(tǒng)
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溫度系統(tǒng)
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軸重系統(tǒng)
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車廂晃動
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聲發(fā)射技術(shù)
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輪軌接觸關(guān)系
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裂紋擴(kuò)展
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