高铁拱桥刚性吊杆异常状态快速预警系统及其方法与流程

本发明属于桥梁工程结构健康监测技术领域，具体来说是发明了一种高铁拱桥刚性吊杆异常状态快速预警系统及其方法。

背景技术：

中国的高速铁路近几年来得到了大力发展，建设速度和规模均为世界之最。截至2016年底，中国高速铁路运营里程已超过2.2万公里。高铁列车具有运能大、运速快、运行轨道固定等特点，具有重要的经济和战略意义；因此，有必要关注高铁及其附属设施的服役安全。作为高速铁路跨越河流、山谷的重要基础设施，我国建设了大量的大跨高铁桥梁。为保障高铁列车高速、安全运行并避免事故发生，有必要研究一套高铁拱桥及其关键构件异常服役状态的快速预警系统。

刚性吊杆拱桥由于其良好的侧向刚度而越来越多用于大跨高铁桥梁中，刚性吊杆是其关键受力构件之一，受列车荷载、温度、风及高铁列车行驶带来的局部风等共同作用，在服役时可能会出现影响高铁列车行车安全的异常服役状态。在刚性吊杆出现异常状态的初期及时地发现吊杆异常，对保证高铁拱桥刚性吊杆及高铁列车行车安全均具有重要意义。

目前，关于高铁拱桥刚性吊杆异常状态快速预警的方法和系统相关研究还不多见。本发明基于高铁拱桥结构健康监测数据，提出了一种刚性吊杆异常状态的快速预警方法，可及时发现刚性吊杆的异常服役状态并进行报警，有利于保障刚性吊杆正常服役与列车安全运行。

技术实现要素：

本发明提出了一种高铁拱桥刚性吊杆异常状态快速预警方法，基于此方法建立了高铁拱桥刚性吊杆异常状态快速预警系统，用于保障高铁拱桥刚性吊杆正常服役和高铁列车行车安全。

本发明的技术方案：

一种高铁拱桥刚性吊杆异常状态快速预警系统及其方法，该系统包括振动数据采集与传输子系统、数据计算与分析子系统和快速预警子系统；其中，振动数据采集与传输子系统由安装在高铁拱桥结构上的传感器和数据传输线路组成；数据计算与分析子系统基于吊杆正常服役状态下的实测数据建立的标准服役状态库进行计算和分析，快速评定吊杆的服役状态；发现吊杆异常状态后，快速预警子系统调用预警模块采用警报灯开启、向管理人员拨打报警电话或发送报警短信的方式向大桥管理人员进行报警。

高铁拱桥刚性吊杆异常状态快速预警方法包含两个阶段：吊杆标准服役状态库的建立和吊杆异常状态的快速预警，步骤如下：

选取桥梁建成后前一年或前两年的实测数据作为吊杆正常服役状态的实测数据建立吊杆标准服役状态库；

建立吊杆标准服役状态库的步骤如下：

步骤一、采集高铁拱桥待监测的刚性吊杆的横向位移、刚性吊杆截面横向的两侧应变及该刚性吊杆所处的同一榀拱的温度，并将采集到的数据传输到计算机中的数据计算与分析子系统；

步骤二、将无车时吊杆横向动弯矩变化幅值和无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值作为吊杆服役状态评估指标，无车时吊杆横向动弯矩或横向外侧动应变变化幅值分别定义为无车时横向动弯矩或横向外侧动应变数据相对其平均值的变化值的绝对值中前x个最大值的平均值，x按如下规则确定：变化幅值应大于99％的无车时吊杆横向动弯矩或横向外侧动应变数据点变化值的绝对值并小于99.9％的数据点变化值的绝对值，符合该规则的值中任取一个作为x；无车时吊杆横向动弯矩变化幅值根据式(1)计算，式中δε、e、i、h分别为吊杆截面横向两侧应变差、弹性模量、截面惯性矩和截面高度：

m＝δεei/h(1)

然后，考虑环境风、温度因素对吊杆服役状态评估指标的影响，提取正常服役状态下吊杆服役状态评估指标和各类影响因素的具体值；其中，分析温度对无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值的影响时提取吊杆截面同一侧的温度数据，分析温度对无车时吊杆横向动弯矩变化幅值的影响时提取吊杆横向两侧温度数据并取其平均值；

步骤三、为清晰地描述温度、环境风中某个因素对某构件服役状态评估指标的影响，首先要排除掉其他因素的干扰：当温度在某一温度上下1℃变化时认为温度因素的影响忽略不计，这里的数值定义为“差异区间值”；计算有无车时吊杆横向动位移变化幅值之比，简称变化幅值之比；其中，有车时吊杆横向动位移变化幅值是一次过车时吊杆横向动位移的最大绝对变化值；无车时吊杆横向动位移变化幅值是无车时横向动位移数据相对其平均值的变化值的绝对值中前y个最大值的平均值，y的选取准则是：变化幅值应大于99％的无车时横向动位移数据点变化值的绝对值并小于99.9％的数据点变化值的绝对值；认为变化幅值之比大于10时环境风对吊杆横向振动幅度的影响很小且相似，此时环境风因素影响被排除；

步骤四、利用吊杆处于正常服役状态时结构健康监测系统测得的长期监测数据，基于不同的服役状态评估指标建立不同的高铁拱桥刚性吊杆标准服役状态子库，从不同角度评估高铁拱桥刚性吊杆的服役状态；考虑温度和环境风对吊杆某个服役状态评估指标的影响，提出建立刚性吊杆标准服役状态子库的两种方法：依照第一种方法建立吊杆标准服役状态子库时保留温度对吊杆服役状态评估指标的影响，而依照第二种方法建立吊杆标准服役状态子库时温度和环境风对吊杆服役状态评估指标的影响都被排除；两种建立方法步骤如下：

吊杆标准服役状态子库的第一种建立方法的步骤为：

(1)基于长期监测数据提取吊杆服役状态评估指标和对应的温度数据；

(2)通过变化幅值之比的设定排除掉环境风因素的影响；

(3)得到仅受温度影响的吊杆服役状态评估指标的具体值，将其存入吊杆标准服役状态子库；

吊杆标准服役状态子库的第二种建立方法的步骤为：

(1)基于长期监测数据提取吊杆服役状态评估指标和对应的温度数据；

(2)通过变化幅值之比的设定排除掉环境风因素的影响；

(3)得到温度对吊杆服役状态评估指标影响的统计关系，并基于最小二乘法对其进行回归分析，得到温度对吊杆服役状态评估指标影响的拟合线；

(4)根据拟合线将温度对吊杆服役状态评估指标影响的趋势排除掉，将去趋势项后的吊杆服役状态评估指标存入吊杆标准服役状态子库。

基于已建立的吊杆标准服役状态子库提出吊杆异常服役状态的预警标准进行吊杆异常状态快速预警，步骤如下：

步骤一、基于建立的标准服役状态子库，考虑安全余量确定预警包络线或预警阈值线；其中，预警包络线是采用吊杆标准服役状态子库的第一种建立方法建立吊杆标准服役状态库时具有安全余量的包络线，由吊杆标准服役状态库中数据点的外包络线考虑安全余量得到；预警阈值线是采用吊杆标准服役状态子库的第二种建立方法建立吊杆标准服役状态库时具有安全余量的阈值线，其值为标准服役状态库数据点的最大绝对值与安全余量之和；

步骤二、基于待测高铁拱桥结构当前的实时监测数据采用与标准服役状态库中服役状态评估指标相同的方法计算相应刚性吊杆当前的服役状态评估指标值；

步骤三、比较当前的服役状态评估指标值和相应的预警包络线或阈值线，如果当前的服役状态评估指标值的数据点落在预警包络线外或当前的服役状态评估指标值比预警阈值大，则判断该刚性吊杆处于异常服役状态；

步骤四、一旦发现吊杆处于异常状态，自动启动快速预警子系统调用预警模块，采用开启警报灯、向管理人员手机拨打报警电话或发送报警短信的方法立即报警，确保管理人员及时发现异常吊杆并根据情况采取处理措施。

本发明的有益效果在于该系统可以在线自动评价吊杆真实服役状态，及时发现吊杆的异常状态，能够极大的节约人力，提高预警效率，有利于保证高铁拱桥刚性吊杆安全服役及高铁列车行车安全。

附图说明

图1是本发明系统的示意图。

图2是待监测吊杆及测点布置示意图。

图3是吊杆标准服役状态库建立流程图。

图4是基于吊杆标准服役状态子库的第一种建立方法建立的吊杆横向动弯矩标准服役状态子库及其预警包络线图。

图5是温度与无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值的关系及拟合线示意图。

图6是基于吊杆标准服役状态子库的第二种建立方法建立的吊杆横向外侧动应变标准服役状态子库及其预警阈值图。

图7是高铁拱桥刚性吊杆异常状态预警流程图。

具体实施方式

如图1为本发明系统的示意图，下面结合附图及具体实施例子进一步对本发明内容进行说明。

以某两榀拱高铁拱桥为例，该桥主跨有两个列车轨道和21根吊杆；现以其中一根吊杆为例，通过这根吊杆的异常状态快速预警介绍本发明系统的具体实施方式。将示例吊杆设为1#吊杆，其位置及测点布置如图2。

(1)安装振动数据采集与传输子系统

考虑长期采集吊杆服役状态评估数据的需要，如图2所示，在1#吊杆横向外侧设置横向位移测点，在1#吊杆截面横向两侧分别设置应变测点，在应变测点的同一侧分别设置温度测点；采集数据传输到数据计算与分析子系统。

(2)确定吊杆服役状态评估指标

根据高铁拱桥刚性吊杆的振动特性，选择无车时吊杆横向动弯矩变化幅值和无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值作为该根短吊杆的服役状态评估指标为例进行说明。两个吊杆服役指标提取方法如下：

1)无车时吊杆横向动弯矩变化幅值的提取

首先，对吊杆上应变测点采集到的吊杆横向两侧动应变进行数据预处理；然后，根据式(1)计算吊杆横向动弯矩；最后，从一次过车前算得的无车吊杆横向动弯矩中取前100个最大绝对变化值的平均值作为该次过车前的无车时吊杆横向动弯矩变化幅值，即x为100。

2)无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值的提取

首先，对吊杆应变测点采集到的横向外侧动应变进行数据预处理；然后，提取一次过车前吊杆横向外侧动应变值，并取其中前100个最大绝对变化值的平均值作为该次过车前的无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值，即x为100。

(3)建立吊杆标准服役状态库

基于大桥建立后前一年的实测数据，将无车时吊杆横向动弯矩变化幅值作为服役状态评估指标采用吊杆标准服役状态子库的第一种建立方法建立1#吊杆横向动弯矩标准服役状态子库；将无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值作为服役状态评估指标采用吊杆标准服役状态子库的第二种建立方法建立1#吊杆横向外侧动应变标准服役状态子库。吊杆标准服役状态库建立流程如图3所示，具体建立步骤如下：

1)建立1#吊杆横向动弯矩标准服役状态子库

基于长期实测数据提取无车时吊杆横向动弯矩变化幅值和对应的温度数据；通过变化幅值之比的设定排除掉环境风的影响；得到仅受温度影响的无车时吊杆横向动弯矩变化幅值并存入吊杆横向动弯矩标准服役状态子库，如图4。

2)建立1#吊杆横向外侧动应变标准服役状态子库

基于长期实测数据提取无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值和对应的温度数据；通过变化幅值之比的设定排除掉环境风因素的影响；得到温度对无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值影响的统计关系并得到其拟合线，如图5；根据拟合线去趋势项，将温度对无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值影响的趋势排除掉，将去趋势项后的无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值即无车时吊杆横向外侧动应变变化标准值存入吊杆横向外侧动应变标准服役状态子库，如图6。

(4)刚性吊杆异常状态的预警过程(图7)

1)假设由于极端环境作用或损伤，1#吊杆处于异常状态。基于实测数据，提取该吊杆服役状态评估指标值，在本例中为无车时吊杆横向动弯矩变化幅值或无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值。

2)基于实测数据快速确定此时的温度和环境风效应，根据这些因素调出相应的基于吊杆标准服役状态子库的两种建立方法建立的吊杆标准服役状态子库，本例中按照10％的安全余量确定预警包络线或预警阈值，详见图4和6。同时，基于当前实测数据计算当前的吊杆服役状态评估指标值。将当前的吊杆服役状态评估指标值与预警包络线或预警阈值进行比较，此时会发现当前计算的无车时吊杆横向动弯矩变化幅值的数据点落在预警包络线外、无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值超过预警阈值。

3)启动快速预警子系统，调用预警模块，采用开启警报灯、向管理人员的手机拨打电话或发送报警短信的方式，使大桥管理人员及时发现刚性吊杆异常服役状态并及时采取相应措施。

从以上例子可以看出，本发明提出的方法可监测高铁拱桥刚性吊杆服役状态，及时发现异常吊杆并报警，对高铁拱桥刚性吊杆及高铁列车行车安全具有较重要的意义。