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1、铁路桥梁的健康监测问题前言 印度铁路公司（IR）近日宣布的使命，是在 2005-06 年度实现原产货物 700M 吨的装 载量。除其它措施外，铁矿石航线上的货车，提高其装载承载力（CC+8+2）已被列为试 点项目通过。现正在考虑对印度这条铁矿石铁路路线采用更大的轴重（25 吨） 。 在这些铁矿石主要航线上，现有重要/（主要）桥梁类型有钢板梁，三角桁架桥或砖石 拱桥。这些桥梁大多有 80 到 100 年的历史，采用的桥梁设计荷载也是 1903 年颁布的 18 吨的标准。也有少量的桥梁采用后来 1926 年和 1975 年的设计标准。当务之急是评估这些 桥梁在持续高增长的货车轴重和由大功率机车施加更高的牵引力以用来牵引双/三线一起运 作的安全性能。桥梁状态与健康监测（BCHM） ，是结构健康监测（SHM）的一个子集系统，已被用 于监测高轴重对桥梁结构的影响以及长期持续增长的纵向力对桥梁上部结构和下部结构的 影响。BCHM 的结果，应有助于确认现有桥梁承载能力的大小，其负载的等级以及桥梁在 维持较高的 23 吨/25 吨轴重货车运行下的剩余疲劳寿命：印度铁道部门着眼于在不久的将 来，能在高密

2、度铁路线上实施 25 吨轴负荷运行，这样对现有桥梁承载能力的评估显得尤 其重要。背景 印度铁道部门在 63000km 的路线网上有 120000 多座桥梁。除此之外，有超过 10000 座被定义为重要的桥梁。这些桥大多为钢板梁，三角桁架，拱式桥梁，它们主要是按早期 设计标准-1903 年或稍后的 1926 年出版的标准设计的。在役桥梁轮廓特征可以很清楚的 反映： 44%的桥梁已超过 100 年的使用历史； 62%的桥梁已超过 80 年的使用历史： 75%的桥梁将近 60 年的使用历史。表 1：分布在东南方的铁路桥型垂直轴荷载和纵向载荷也先后于 1926 年，1933 年，1975 年和 1987 年而提高。在过 去的 25 年至 30 年，随着钢筋混凝土和 PSC（预应力钢筋混凝土）大跨度桥梁类型的出现， 桥梁荷载 RBG（1975 年）和 MBG（1987 年）也都采用更重的轴载标准，同时基于行车 条件的要求和交通强度负荷的要求，不少钢桥得到了加固和重建。在现在使用的钢桥中，大部分都符合先前 BGML 的荷载标准（22.9 吨轴重） ，同时近几 年也进行了加固，从而就提高了铁道部门对

3、其高轴负荷运行的关注。 由于经济增长，高货运需求也随之而来印度铁路公司（IR）近日要求在 2005-06 年实现 700MT 原产货物装载。所采取的主要措施中，提高货运（BOXN）装载 货车在被提名的铁矿路线中的承载能力已被列为试点项目通过。东南地区的铁路主要用于钢铁企业铁矿石的运输以及港口出口;作为铁矿石运输路线的 方案如下 东南铁路 总里程 2521km cc+8+2 路线 总里程 1368km(54%) 正考虑建设的线路 里程 456km(18%)表格一: 桥梁在铁矿石运输路线上的比例方向和挑战 随着试点项目-BOXN（cc +8+2），超过设计承载能力（CC）8 吨和 2 吨的安全余 地货车的运行，选择运输铁矿石路线上的轨道和桥梁除了承受较高（22.9 t 轴重）轴载荷 外，还将承受更高的 75 吨乃至更多的牵引/制动力量。多年来，这些桥梁都得通过年检来看其是否可以继续使用，合适的评估方法应该采取 目视检查和工程判断相结合。虽然钢箱梁桥被认为最大承受垂直轴重达到 23 吨是安全的， 但是在受到较高的尾随负载（超过七点六七吨/米）并且由于在多个重载机车牵引 运作可能会增加制动的情

4、况下，仍需要作进一步的检测。 多年来，拱桥已经受住持续交通流量产生的持续轴负荷的检验。尽管这些桥梁可以承 受更大的压力，但是在交通繁忙的路线上，由于桥梁老龄化和砖石组件承载力的降低，其 中一些拱桥已经表明有危险的迹象。拱桥具有高达 400以上理论强度的潜力。 牵引机车的牵引和火车行驶产生的沿长度方向的力，在一定程度上从轨道传播到桥梁 支座/基础上，因此需要正确其对下部结构的影响。要确定当前桥梁的健康状况和结构状态，利用健康监测（SHM）系统评估遭受较重轴 重的铁路桥梁的状况已经成为必然的选择。这将有助于桥梁的应力状态的判断，桥梁整体 承载能力的验证，剩余疲劳寿命的评估以及桥梁结构体系中任何已存缺陷的发现。 桥梁状态与健康监测（BCHM） ，特别对铁路桥梁来说，印度处于萌芽的发展阶段。在 世界范围内，包括美国，澳大利亚，独联体国家和中国在内，在重载铁路上从 28 吨到 35 吨轴负荷运行的范围内，已有可能根据仪器来验证和监测。 印度铁道部宽轨桥梁的荷载标准： 近 100 年桥梁荷载标准对印度的铁路桥梁来说，设计轴重和纵向载荷一直处于上升阶 段。不同的桥梁荷载标准，就垂直轴载荷，尾随负荷密

5、度（TLD）的总结如下：表格二：印度铁路桥梁的荷载标准垂直荷载 很早以前，1893（参考文献 1） ，印度大桥规范就规定大桥的设计荷载采用等效均匀分布负 载（EUDL） 。装载列车（用于弯矩及剪切）的荷载集度标准与跨度有关 桥梁设计与桥梁的荷载标准相适应。CC+8+2 BOXN 与其它桥梁荷载标准的等效均布荷载的比较即使最大的轴载在设计荷载标准之内，对于跨度长，带有高尾负荷密度（TLD）的火 车，由于车轴间距十分相近也可能引发更高的等效荷载集度。比较表明，对于跨径超过 25.6m 的铁路桥梁，BOXN CC+8+2 荷载标准下的等效均布荷载大小要超过了 1975 年颁 布的 RBG 荷载标准。因此，对于那些依据 RBG 荷载标准设计的更早的桥梁在 CC+8+2 荷 载标准下将会超负荷受力。纵向载荷 按照设计荷载标准，在 CC+8+2 情况下由双头 WAG7 机车拖运产生的纵向力比 MBG 的标准少，与 RBG 标准接近，但不管多大跨径的桥梁都比 BGML 标准的要高。 至于在桥跨上，由无缝线路/轻水反应堆的轨道而持续施加的纵向荷载，桥规则允许在 采取指定的轨道配置的桥头纵向力有 25离

6、散度（最低 16 吨） 。这 codal 规定，从其他铁 路的经验得出，在桥梁在増加负荷运作的情况下，需要全面而正确地做现场实验。车辆和轴载荷 对于各种车种及轴载在 CC 以上车种的最大轴载负荷，尾随负荷密度进行了比较，如 下：之前，东南铁路线上 BOY 和 BOBS 两种型号的的车，从 20 世纪 80 年代开始，装 载为 CC+4 的标准：高 23.9 吨的轴重，但是尾随负荷比较小，在 MBG 荷载标准的 8.25 吨/m 之内。然而，BOXN 的轴载为 CC+8+2(轴重为 22.3 吨)尾随荷载大小为 8.52 吨/m, 这个标准超过了 MBG 的标准，于是在就引起了印度铁道部门对于那个地区桥梁的密切关 注和检查。 表 3：不同尾随货车类型装载能力，最大轴负荷和负荷密度在印度铁道上运行更重的轴载 为配合 BOXNCC+ 8+2 试点项目的开展，一个专家机构提出了在大桥上通过仪表对铁 路桥梁的运行状况每季进行一次监测，以确定其极限承载能力的大小，高轴重产生的动态 效果，桥梁已经存在的缺陷，更高轴重作用下桥梁的内在承载力，并预测剩余疲劳寿命。 作为试点项目 BOXN CC+8+2

7、的路线选择： : 检查现有路线上基于 CC+8+2 设计的桥梁； 到现场认真查出危险信号；修或者加固任何需要的地方； 利用仪器或监测器监控一些桥梁（选择不同类型或不同跨径的）的健康装况 ； 对关键点的挠度和应力进行监测； 墩/台倾斜度进行监测； 衡量温度应力及其影响； 一些特定情况下进行无损检测试验/振动试验； 支座承受纵向载荷大小及传递到桥头百分比的监测。 随着 BOXNCC+ 8+2 的实施，桥梁轨道上除了承受较高的尾随负载外， 接近二十三吨轴载的限制将有助于危险桥梁满应力的逆转作用，需要对桥梁部件的剩余疲 劳寿命进行评估。结构健康监测的一般方法 结构健康监测（SHM）的定义是一种损伤部位的损检测技术并且使用结构响应数据对其 状态进行评估; 结构健康监测可评估基础设施的安全和结构/系统的完整性。 目的： 监测大型桥梁结构/高楼大厦，收集信息，建立对其进行维修/改装合适的数值模型； 监测结构体系的振动削减； 监测标准的桥梁维修过程；监控大跨度桥梁维修过程，并保证适用性条件。结构健康监测系统包括： -一个感觉系统 -数据采集系统 -一种数据处理和存档系统 - 损伤检测与建模系统现代化综

8、合性的 SHM 系统组成： 全面的诊断系统：无线传感器技术，整合激发和传感技术，创新性的分析和数据解释，生 成的信息用于破坏诊断能力。 最新的研究重点是开发一种材料与设备，它具有解决问题的嵌入式信号处理软件，也被称 为 为智能传感器。目前的损伤识别方法，括局部实验方法，如： -声波或超声波的方法；- 磁场的方法；-X 线摄影；- 涡流方法；- 热场方法。 所有这些实验方法都以结构的某一部分易于被检查为前提。基于振动的损伤识别/检测（VBDI/ VBDD） 该 VBDD 基本前提是损害将大大改变结构的刚度，质量或系统阻尼，从而会改变其动态响 应；VBDD，关键问题是： 依赖于事先的结构分析模型的一个测试数据； 依赖于线性模型，非必要的线性响应共享； 传感器的数量和位置是一个重要问题； 桥梁长期健康监测应基于环境振动研究； 结构完整性及采用综合健康监测系统评估剩余寿命。长期与长期活负荷监控 负载（静态）的测试和结构监测是常用来收集信息以便 查询现有结构健康的状况和性能。这些测试大概可以分为两大类，长期和长期活载监测。 越来越大轴负载的作用下，后者对于以后的桥梁结构健康监测更有针对性。传感器

9、 一种形式或另一种形式的应变传感器是这些建议计划的核心。 类型：结构监测使用的典型传感器： 振弦式应变计（VWSG） 箔应变计（用于季度，半年或全桥应变配置上） 倾角，倾斜传感器。 压电电阻/压电/电容式加速度计 伺服力平衡加速度计问题 对于长期使用，电气箔应变片是不适合的。长期很容易被剥离，发生疲劳和蠕变而导致测试失败，测量电子漂移时间也不准确。振弦（VWSG）设备免于电子漂移的影响，但它 更大更加昂贵。 至于短期测试构件的压应力，可以通过传统监测元件如电气应变计。它固有的问题是 时间只有几个月，不适合下部结构处于水面以下桥梁的测试。即使传感器本身很便宜，但是在例如大型桥梁或大坝这样的结构上所花费的劳动力成 本和安装布线也具有相当多的工作量。除必须要用于验证结构的状态外，一般情况下使用 是不合适的。外部测试数据传递到基站需要通过电话技术，甚至通过光纤网络通信。也可考虑使用铁 通并行光纤来跟踪传输大量子数据，问题是远程站点计算机的连接和采集数据的维护。光纤光学 至于短期测试构件的压应力，可以通过传统监测元件如电气应变计。它固有的问题是时 间只有几个月，不适合与下部结构处于水面以下桥梁的测试。对于桥梁长期监测，另一种方法是采用光纤，嵌入式组件或光纤直接贴在上面的组件。 多点应力/挠度数据是通过光学纤维技术或使用调制解调器的电话获取。光纤传感器这种新 材料， 没有这些缺点，非常适合用在结构的长期持续健康监测。虽然实用的光纤传感器是比较新兴的，人们正开始意识到它对于一些结构健康监测是至 关重要的。印度至今这项技术尚未在实地环境经过测试。全球范围内极少数机构可提供光 纤仪器仪表。只有瑞士最好的研究中心，马里兰大学， MD，美国最近才对光纤增强公路 桥面进行研究。在世界范围内，极少数通过光纤光学系统对桥梁进行监测。 对于一部分桥梁的持续状况监测分析技术正处于发展阶段。SHM 的好处： 能不断实时监测结构的安全完整性； 提高公共老化结构的安全性； 能够在早期阶段发现损害，降低成本，减少由于修复关键损坏部位而导致的停机时间； 观察或预测如桥梁结构潜在的缺陷； 监测在发生地震，飓风，龙卷风或火灾灾难性事件之后，对结构进行长期完整性的退化评 估具有重要的意义； 结构，构件内部，在

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