高鐵拱橋剛性吊桿異常狀態快速預警系統及其方法與流程

本發明屬于橋梁工程結構健康監測技術領域，具體來說是發明了一種高鐵拱橋剛性吊桿異常狀態快速預警系統及其方法。

背景技術：

中國的高速鐵路近幾年來得到了大力發展，建設速度和規模均為世界之最。截至2016年底，中國高速鐵路運營里程已超過2.2萬公里。高鐵列車具有運能大、運速快、運行軌道固定等特點，具有重要的經濟和戰略意義；因此，有必要關注高鐵及其附屬設施的服役安全。作為高速鐵路跨越河流、山谷的重要基礎設施，我國建設了大量的大跨高鐵橋梁。為保障高鐵列車高速、安全運行并避免事故發生，有必要研究一套高鐵拱橋及其關鍵構件異常服役狀態的快速預警系統。

剛性吊桿拱橋由于其良好的側向剛度而越來越多用于大跨高鐵橋梁中，剛性吊桿是其關鍵受力構件之一，受列車荷載、溫度、風及高鐵列車行駛帶來的局部風等共同作用，在服役時可能會出現影響高鐵列車行車安全的異常服役狀態。在剛性吊桿出現異常狀態的初期及時地發現吊桿異常，對保證高鐵拱橋剛性吊桿及高鐵列車行車安全均具有重要意義。

目前，關于高鐵拱橋剛性吊桿異常狀態快速預警的方法和系統相關研究還不多見。本發明基于高鐵拱橋結構健康監測數據，提出了一種剛性吊桿異常狀態的快速預警方法，可及時發現剛性吊桿的異常服役狀態并進行報警，有利于保障剛性吊桿正常服役與列車安全運行。

技術實現要素：

本發明提出了一種高鐵拱橋剛性吊桿異常狀態快速預警方法，基于此方法建立了高鐵拱橋剛性吊桿異常狀態快速預警系統，用于保障高鐵拱橋剛性吊桿正常服役和高鐵列車行車安全。

本發明的技術方案：

一種高鐵拱橋剛性吊桿異常狀態快速預警系統及其方法，該系統包括振動數據采集與傳輸子系統、數據計算與分析子系統和快速預警子系統；其中，振動數據采集與傳輸子系統由安裝在高鐵拱橋結構上的傳感器和數據傳輸線路組成；數據計算與分析子系統基于吊桿正常服役狀態下的實測數據建立的標準服役狀態庫進行計算和分析，快速評定吊桿的服役狀態；發現吊桿異常狀態后，快速預警子系統調用預警模塊采用警報燈開啟、向管理人員撥打報警電話或發送報警短信的方式向大橋管理人員進行報警。

高鐵拱橋剛性吊桿異常狀態快速預警方法包含兩個階段：吊桿標準服役狀態庫的建立和吊桿異常狀態的快速預警，步驟如下：

選取橋梁建成后前一年或前兩年的實測數據作為吊桿正常服役狀態的實測數據建立吊桿標準服役狀態庫；

建立吊桿標準服役狀態庫的步驟如下：

步驟一、采集高鐵拱橋待監測的剛性吊桿的橫向位移、剛性吊桿截面橫向的兩側應變及該剛性吊桿所處的同一榀拱的溫度，并將采集到的數據傳輸到計算機中的數據計算與分析子系統；

步驟二、將無車時吊桿橫向動彎矩變化幅值和無車時吊桿橫向外側動應變變化幅值作為吊桿服役狀態評估指標，無車時吊桿橫向動彎矩或橫向外側動應變變化幅值分別定義為無車時橫向動彎矩或橫向外側動應變數據相對其平均值的變化值的絕對值中前x個最大值的平均值，x按如下規則確定：變化幅值應大于99％的無車時吊桿橫向動彎矩或橫向外側動應變數據點變化值的絕對值并小于99.9％的數據點變化值的絕對值，符合該規則的值中任取一個作為x；無車時吊桿橫向動彎矩變化幅值根據式(1)計算，式中δε、e、i、h分別為吊桿截面橫向兩側應變差、彈性模量、截面慣性矩和截面高度：

m＝δεei/h(1)

然后，考慮環境風、溫度因素對吊桿服役狀態評估指標的影響，提取正常服役狀態下吊桿服役狀態評估指標和各類影響因素的具體值；其中，分析溫度對無車時吊桿橫向外側動應變變化幅值的影響時提取吊桿截面同一側的溫度數據，分析溫度對無車時吊桿橫向動彎矩變化幅值的影響時提取吊桿橫向兩側溫度數據并取其平均值；

步驟三、為清晰地描述溫度、環境風中某個因素對某構件服役狀態評估指標的影響，首先要排除掉其他因素的干擾：當溫度在某一溫度上下1℃變化時認為溫度因素的影響忽略不計，這里的數值定義為“差異區間值”；計算有無車時吊桿橫向動位移變化幅值之比，簡稱變化幅值之比；其中，有車時吊桿橫向動位移變化幅值是一次過車時吊桿橫向動位移的最大絕對變化值；無車時吊桿橫向動位移變化幅值是無車時橫向動位移數據相對其平均值的變化值的絕對值中前y個最大值的平均值，y的選取準則是：變化幅值應大于99％的無車時橫向動位移數據點變化值的絕對值并小于99.9％的數據點變化值的絕對值；認為變化幅值之比大于10時環境風對吊桿橫向振動幅度的影響很小且相似，此時環境風因素影響被排除；

步驟四、利用吊桿處于正常服役狀態時結構健康監測系統測得的長期監測數據，基于不同的服役狀態評估指標建立不同的高鐵拱橋剛性吊桿標準服役狀態子庫，從不同角度評估高鐵拱橋剛性吊桿的服役狀態；考慮溫度和環境風對吊桿某個服役狀態評估指標的影響，提出建立剛性吊桿標準服役狀態子庫的兩種方法：依照第一種方法建立吊桿標準服役狀態子庫時保留溫度對吊桿服役狀態評估指標的影響，而依照第二種方法建立吊桿標準服役狀態子庫時溫度和環境風對吊桿服役狀態評估指標的影響都被排除；兩種建立方法步驟如下：

吊桿標準服役狀態子庫的第一種建立方法的步驟為：

(1)基于長期監測數據提取吊桿服役狀態評估指標和對應的溫度數據；

(2)通過變化幅值之比的設定排除掉環境風因素的影響；

(3)得到僅受溫度影響的吊桿服役狀態評估指標的具體值，將其存入吊桿標準服役狀態子庫；

吊桿標準服役狀態子庫的第二種建立方法的步驟為：

(1)基于長期監測數據提取吊桿服役狀態評估指標和對應的溫度數據；

(2)通過變化幅值之比的設定排除掉環境風因素的影響；

(3)得到溫度對吊桿服役狀態評估指標影響的統計關系，并基于最小二乘法對其進行回歸分析，得到溫度對吊桿服役狀態評估指標影響的擬合線；

(4)根據擬合線將溫度對吊桿服役狀態評估指標影響的趨勢排除掉，將去趨勢項后的吊桿服役狀態評估指標存入吊桿標準服役狀態子庫。

基于已建立的吊桿標準服役狀態子庫提出吊桿異常服役狀態的預警標準進行吊桿異常狀態快速預警，步驟如下：

步驟一、基于建立的標準服役狀態子庫，考慮安全余量確定預警包絡線或預警閾值線；其中，預警包絡線是采用吊桿標準服役狀態子庫的第一種建立方法建立吊桿標準服役狀態庫時具有安全余量的包絡線，由吊桿標準服役狀態庫中數據點的外包絡線考慮安全余量得到；預警閾值線是采用吊桿標準服役狀態子庫的第二種建立方法建立吊桿標準服役狀態庫時具有安全余量的閾值線，其值為標準服役狀態庫數據點的最大絕對值與安全余量之和；

步驟二、基于待測高鐵拱橋結構當前的實時監測數據采用與標準服役狀態庫中服役狀態評估指標相同的方法計算相應剛性吊桿當前的服役狀態評估指標值；

步驟三、比較當前的服役狀態評估指標值和相應的預警包絡線或閾值線，如果當前的服役狀態評估指標值的數據點落在預警包絡線外或當前的服役狀態評估指標值比預警閾值大，則判斷該剛性吊桿處于異常服役狀態；

步驟四、一旦發現吊桿處于異常狀態，自動啟動快速預警子系統調用預警模塊，采用開啟警報燈、向管理人員手機撥打報警電話或發送報警短信的方法立即報警，確保管理人員及時發現異常吊桿并根據情況采取處理措施。

本發明的有益效果在于該系統可以在線自動評價吊桿真實服役狀態，及時發現吊桿的異常狀態，能夠極大的節約人力，提高預警效率，有利于保證高鐵拱橋剛性吊桿安全服役及高鐵列車行車安全。

附圖說明

圖1是本發明系統的示意圖。

圖2是待監測吊桿及測點布置示意圖。

圖3是吊桿標準服役狀態庫建立流程圖。

圖4是基于吊桿標準服役狀態子庫的第一種建立方法建立的吊桿橫向動彎矩標準服役狀態子庫及其預警包絡線圖。

圖5是溫度與無車時吊桿橫向外側動應變變化幅值的關系及擬合線示意圖。

圖6是基于吊桿標準服役狀態子庫的第二種建立方法建立的吊桿橫向外側動應變標準服役狀態子庫及其預警閾值圖。

圖7是高鐵拱橋剛性吊桿異常狀態預警流程圖。

具體實施方式

如圖1為本發明系統的示意圖，下面結合附圖及具體實施例子進一步對本發明內容進行說明。

以某兩榀拱高鐵拱橋為例，該橋主跨有兩個列車軌道和21根吊桿；現以其中一根吊桿為例，通過這根吊桿的異常狀態快速預警介紹本發明系統的具體實施方式。將示例吊桿設為1#吊桿，其位置及測點布置如圖2。

(1)安裝振動數據采集與傳輸子系統

考慮長期采集吊桿服役狀態評估數據的需要，如圖2所示，在1#吊桿橫向外側設置橫向位移測點，在1#吊桿截面橫向兩側分別設置應變測點，在應變測點的同一側分別設置溫度測點；采集數據傳輸到數據計算與分析子系統。

(2)確定吊桿服役狀態評估指標

根據高鐵拱橋剛性吊桿的振動特性，選擇無車時吊桿橫向動彎矩變化幅值和無車時吊桿橫向外側動應變變化幅值作為該根短吊桿的服役狀態評估指標為例進行說明。兩個吊桿服役指標提取方法如下：

1)無車時吊桿橫向動彎矩變化幅值的提取

首先，對吊桿上應變測點采集到的吊桿橫向兩側動應變進行數據預處理；然后，根據式(1)計算吊桿橫向動彎矩；最后，從一次過車前算得的無車吊桿橫向動彎矩中取前100個最大絕對變化值的平均值作為該次過車前的無車時吊桿橫向動彎矩變化幅值，即x為100。

2)無車時吊桿橫向外側動應變變化幅值的提取

首先，對吊桿應變測點采集到的橫向外側動應變進行數據預處理；然后，提取一次過車前吊桿橫向外側動應變值，并取其中前100個最大絕對變化值的平均值作為該次過車前的無車時吊桿橫向外側動應變變化幅值，即x為100。

(3)建立吊桿標準服役狀態庫

基于大橋建立后前一年的實測數據，將無車時吊桿橫向動彎矩變化幅值作為服役狀態評估指標采用吊桿標準服役狀態子庫的第一種建立方法建立1#吊桿橫向動彎矩標準服役狀態子庫；將無車時吊桿橫向外側動應變變化幅值作為服役狀態評估指標采用吊桿標準服役狀態子庫的第二種建立方法建立1#吊桿橫向外側動應變標準服役狀態子庫。吊桿標準服役狀態庫建立流程如圖3所示，具體建立步驟如下：

1)建立1#吊桿橫向動彎矩標準服役狀態子庫

基于長期實測數據提取無車時吊桿橫向動彎矩變化幅值和對應的溫度數據；通過變化幅值之比的設定排除掉環境風的影響；得到僅受溫度影響的無車時吊桿橫向動彎矩變化幅值并存入吊桿橫向動彎矩標準服役狀態子庫，如圖4。

2)建立1#吊桿橫向外側動應變標準服役狀態子庫

基于長期實測數據提取無車時吊桿橫向外側動應變變化幅值和對應的溫度數據；通過變化幅值之比的設定排除掉環境風因素的影響；得到溫度對無車時吊桿橫向外側動應變變化幅值影響的統計關系并得到其擬合線，如圖5；根據擬合線去趨勢項，將溫度對無車時吊桿橫向外側動應變變化幅值影響的趨勢排除掉，將去趨勢項后的無車時吊桿橫向外側動應變變化幅值即無車時吊桿橫向外側動應變變化標準值存入吊桿橫向外側動應變標準服役狀態子庫，如圖6。

(4)剛性吊桿異常狀態的預警過程(圖7)

1)假設由于極端環境作用或損傷，1#吊桿處于異常狀態。基于實測數據，提取該吊桿服役狀態評估指標值，在本例中為無車時吊桿橫向動彎矩變化幅值或無車時吊桿橫向外側動應變變化幅值。

2)基于實測數據快速確定此時的溫度和環境風效應，根據這些因素調出相應的基于吊桿標準服役狀態子庫的兩種建立方法建立的吊桿標準服役狀態子庫，本例中按照10％的安全余量確定預警包絡線或預警閾值，詳見圖4和6。同時，基于當前實測數據計算當前的吊桿服役狀態評估指標值。將當前的吊桿服役狀態評估指標值與預警包絡線或預警閾值進行比較，此時會發現當前計算的無車時吊桿橫向動彎矩變化幅值的數據點落在預警包絡線外、無車時吊桿橫向外側動應變變化幅值超過預警閾值。

3)啟動快速預警子系統，調用預警模塊，采用開啟警報燈、向管理人員的手機撥打電話或發送報警短信的方式，使大橋管理人員及時發現剛性吊桿異常服役狀態并及時采取相應措施。

從以上例子可以看出，本發明提出的方法可監測高鐵拱橋剛性吊桿服役狀態，及時發現異常吊桿并報警，對高鐵拱橋剛性吊桿及高鐵列車行車安全具有較重要的意義。