一种基于主梁转角变形监测的高速铁路桥梁运营安全评估方法

本发明属于桥梁结构健康监测领域，涉及一种基于主梁转角变形监测的高速铁路桥梁运营安全评估方法。

背景技术：

1、由于地形复杂，中国逾半数的高速铁路运营里程分布在桥梁上，因此，如何系统自动地评估大规模的高铁桥梁的运营安全成为重点议题。与公路桥梁运营安全由结构安全控制的特点不同，由于高速铁路桥梁的结构设计冗余度大，其运营安全主要由桥梁上的列车运行安全来控制。因为列车在通过桥梁支座或梁端等线形变化的关键位置时，往往会出现明显的安全性能异常，因此，这些位置的主梁转角已成为反映高铁桥梁运营安全的的关键变形指标。此外，过大的主梁转角还会造成桥梁伸缩装置病害，桥梁接缝部位有砟轨道道床的稳定性和无砟轨道扣件系统受力的异常，并间接影响运营安全。所以通过定期评估主梁转角以确保高铁桥梁的安全运营是实用且有前景的。

2、这涉及桥上列车运行安全分析和高铁桥梁在线评估两个领域。在运行安全分析领域，目前研究提出了许多模型驱动方法。研究者(gou et al.2019.“mapping relationshipbetween dynamic responses of high-speed trains and additional bridgedeformations.”)通过建立大规模列车-轨道-桥梁耦合模型，并施加不同幅度的附加桥梁变形(包括桥墩沉降、梁端转角和徐变上拱)，然后进行动力分析，研究这些变形对列车运行安全的影响，并确定其合理阈值。一些研究(zhan et al.2022.“modal analysis andcondition evaluation of substructures for simply supported high-speed railwaybridge based on a simplified model.”；zhang et al.2019.“dynamic analysis ofcoupled train-track-bridge system subjected to debris flow impact.)还通过分析极端事件历史数据建立相应的极端荷载模型，并施加到大规模的列车-轨道-桥梁耦合模型上来分析桥上列车运行安全。总之，这些模型驱动方法可计算多种荷载耦合作用下或极端事件下的桥梁动力响应和桥上列车的运行安全指标。然而，使用大规模的车-轨-桥模型将导致极高的计算复杂度，这限制了高铁桥梁实时运行安全分析的发展，使得现有方法更适合在高速铁路桥梁设计阶段使用。为提高高铁桥梁运营安全分析的计算效率，现有研究(sogabe et al.2005.“deflection limits of structures for train speed-up.”)常将简支梁桥或连续梁桥各跨的挠曲线简化为固定幅度的半正弦波，并以此激励列车子系统来计算桥上列车的动力响应。由于此简化未考虑桥梁振动，因此，其适用条件为运营车速远离桥梁的共振车速。而工程师一般会在桥梁设计阶段重点避免共振发生，因此，这种简化通常是合理的。但其存在如下的局限性：1)由于大跨度高铁桥梁的挠曲线不是简单的正弦曲线形状，因此，该简化难以备应用；2)该简化方法没有与桥梁监测相结合，无法实现高铁桥梁的主梁转角自动评估。

3、对于高铁桥梁在线评估，目前研究可主要分为基于桥梁响应评估、基于桥梁作用-响应相关模型评估和基于结构参数评估三大类。基于响应的评估方法(li et al.2022.“data-driven structural condition assessment for high-speed railway bridgesusing multi-band fir filtering and clustering.”)通常将长期监测数据拟合成不同的概率分布，并取具有一定保证率的分位值计算相应高铁桥梁响应的异常预警阈值，然后将测得的桥梁响应与阈值进行比较，实现异常预警。基于桥梁作用-响应相关模型(ding etal.2017.“early warning of abnormal train-induced vibrations for a steel-trussarch railway bridge:case study.”)评估则通过对不同指标进行长期监测以建立回归关系模型，在桥梁服役性能(桥梁刚度、支座性能等)发生变动时，关系模型随之也发生变动，故可用其表征桥梁服役状态。基于桥梁固有特性及其衍生指标的评估方法(yang etal.2022.“performance warning of bridges under train actions throughequivalent frequency response functions.”)首先将通过桥梁监测数据在线识别高铁桥梁的动静力特性(模态，动力放大系数，影响线)，并构建对性能波动敏感的衍生指标，进而评估结构变化或进行异常预警。总之，现有高铁桥梁在线评估方法大多为数据驱动，其无法提供直观反映高铁桥梁运行性能和足够力学意义的评估依据。这一缺陷使得工程师难以获得有关桥梁管理的切实可行的评估指导。

4、综上，克服上述缺陷而提出一种基于主梁转角变形监测并适用于任意跨度高铁桥梁的运营安全自动评估方法具有重要工程意义。

技术实现思路

1、本发明旨在提出一种基于主梁转角变形监测的高速铁路桥梁运营安全评估方法，其可基于监测数据自动计算任意跨度高铁桥梁的能直接反映运营安全的主梁转角阈值，并基于影响线虚拟加载方法预测最不利转角响应，以达成周期性的高铁桥梁运营安全自动评估。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于主梁转角变形监测的高速铁路桥梁运营安全评估方法，步骤如下：

4、步骤一：预先标定简化的车轨耦合模型，并通过处理监测数据获得高铁桥梁主梁挠度和转角的时空间分布；

5、(1.1)预调查目标高铁桥梁上检测列车的转向架质量mt、一系悬挂刚度系数kt、阻尼系数ct、轮对质量mw、轨道子系统等效刚度kr、轨道子系统等效阻尼cr、运营车速v，以标定简化车轨耦合模型的参数，并确定其运动微分方程，表示如下：

6、

7、其中，z(t)＝(zt(t)zw(t))t代表模型的位移时程向量，zt(t)和zw(t)分别代表转向架和轮对的位移时程、f(t)代表模型承受的外部激励；

8、(1.2)监测主梁竖向加速度，并通过对时间进行二次积分计算主梁挠度时程，并在空间上进行三次样条插值算得挠度时空分布；

9、(1.3)挠度时空分布对空间求一次偏导算得转角时空分布；

10、步骤二：基于简化的车轨耦合模型，挠度时空分布和转角时空分布计算能反映运营安全的支座处主梁转角阈值；

11、(2.1)确定各轮对过桥时段，并从挠度时空分布中截取各轮对对应的挠度矩阵，对于其中一轮对，其挠度方阵为w表示如下：

12、

13、其中，wij是第j个时刻第i个位置的挠度；n是该轮对过桥时段内测得数据点个数，且桥梁长度需等分成n份以使得数据点和位置点一一对应，其行和列分别表示某位置的桥梁挠度时程和某时刻的桥梁挠曲线；

14、(2.2)该轮对对应的真实激励为挠度方阵w的对角元组成的向量：

15、dr＝diag(w) (3)

16、其中，diag(·)是取矩阵对角元，dr是该轮对对应的真实激励；

17、(2.3)利用dr激励简化的车轨耦合模型，其对应的外部激励表示如下：

18、

19、并通过数值积分方法解式(1)，计算模型的动力响应，并计算轮重减载率时程ξ(t)，其表达式如下：

20、

21、其中，和分别代表转向架和轮对的加速度，p代表静轴重；

22、(2.4)支座处主梁转角阈值[θ]用式(6)计算：

23、

24、其中，[ξ]是规范中规定的轮重减载率限值，θu是整个列车轮重减载率最大时刻对应的支座处主梁转角；

25、步骤三：基于主梁转角时空分布在线识别支座处主梁转角影响线，影响线虚拟加载预测最不利车致转角，根据桥梁的结构形式叠加不同的非车致成分以预测最不利转角；

26、(3.1)影响线φ由式(7)计算

27、φ＝(wtw+λ2ttt)-1wtθs (7)

28、其中，θs是准静态转角响应向量，通过在主梁转角时空分布中提取检测列车过桥时段的动力转角响应，并从动力响应中滤除高频成分来提取；θs为一个p×1的向量，p是检测列车过桥时段监测到的数据点个数；w是预标定的检测列车荷载信息矩阵，如式(8)所示；w是一个p×q的矩阵，q是影响线向量φ的长度；λ是正则化系数，通过l曲线法则计算；t是正则化矩阵，如式(9)所示；

29、

30、

31、其中，wk是第k个列车车轴的轴重区间，k＝1,2,…,n，n是列车车轴数；

32、(3.2)通过影响线虚拟加载预测车致转角向量如式(10)所示：

33、

34、其中，是虚拟荷载矩阵，矩阵形式与w相同，但各元素取全车道同时行驶满载列车所对应的值；

35、(3.3)根据桥梁的结构形式叠加不同的非车致成分以预测最不利转角θmax，对于简支梁桥和连续梁桥使用式(11)进行计算；对于大跨刚构桥、大跨拱桥和大跨索承桥，使用式(12)进行计算；

36、

37、其中，是动力放大系数，θd是动力转角响应；θfs是基础沉降导致的支座处主梁转角；θgc是徐变上拱导致的支座处主梁转角；θte是温致支座处主梁转角；||·||∞是取无穷范数；

38、步骤四：通过比较全桥各支座处主梁转角阈值与最不利响应实现自动评估，当满足式(13)时，则评估通过，否则应展开运营安全维护；

39、θmax≤[θ] (13)。

40、本发明的有益效果：

41、1)本发明提出了一种反映高铁桥梁运营安全的梁体转动阈值在线计算流程，为评估提供了不受跨度限制的合理的评估依据。通过简化的列车-轨道耦合模型和监测到的桥梁挠曲线，揭示了运营安全与主梁转角变形之间的关系，从而消除了安全分析对大规模列车-轨道-桥梁耦合模型的依赖，大大提高了计算效率，为实时运营安全分析提供了前提条件。在此基础上，可以利用桥梁监测数据自动计算能够反映运营安全和轨道振动的合理的主梁转角阈值。

42、2)本发明提出了一种基于虚拟加载的高铁桥梁最不利主梁转角预测方法。首先将检测列车的预调查信息和相应的桥梁监测数据作为输入信息，结合b样条重构方法来输出主梁转角影响线。然后，通过影响线虚拟加载和动态放大来预测车致不利转角。此外，高铁桥梁主梁转角的主要因素(列车荷载、温度作用、徐变上拱、桥墩沉降)根据不同的结构形式进行确定并叠加，以实现最不利响应的预测。由于影响线的虚拟加载特性，避免了最不利响应计算对封闭交通的桥梁荷载试验的依赖，大大提高了评估的自动化和经济性。

43、3)本发明利用简化的车轨耦合模型和桥梁监测数据，提出了基于主梁转角变形监测的高铁桥梁运营安全自动评估方法。通过预先调查目标高铁桥梁的运营列车工况和轨道系统特性，确定简化模型的关键参数。然后，利用模型和监测数据，在线生成各桥梁支座处的反映运营安全的主梁转角阈值和的最不利的主梁转角响应，并进行比较，从而通过主梁转角评估实现整座高铁桥梁的运营安全评估。