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摘要： 以京张高速铁路官厅水库特大桥主桥为研究对象，进行大跨简支拱型钢桁梁桥健康监测系统的设计研究。首先介绍了该桥健康监测系统的设计与建设过程，根据官厅水库特大桥的结构特性、力学特性，同时考虑大桥所处的环境状况，确定监测内容，然后对该健康监测系统的实测数据进行展示和分析，最后对桥梁结构的运营状态做出了评价，并展望了健康监测系统未来的发展方向。官厅水库特大桥主桥健康监测系统具有体量小、针对性强、技术先进等优点，研究成果具有工程实用价值，可为类似工程提供参考。
关键词：高速铁路;健康监测系统;桥梁监测;拱型钢桁梁桥;系统设计;系统运行
中图分类号：U445.4 文献标识码：A
1 引 言
截至2019年底，我国铁路通车里程达到13.9万公里，其中高速铁路3.5万公里，居世界第一。新型的斜拉桥、拱桥、钢桁梁桥等大跨、复杂桥梁形式在高速铁路建设中不断被采用，其安全运营对于促进交通及经济发展具有十分重要的作用。这些桥梁通常都处于恶劣的工作环境，在长期环境侵蚀、材料徐变、荷载效应、疲劳效应等因素的作用下，不可避免地导致结构的损伤累计及抗力衰减，影响结构的正常使用，直接威胁铁路运营安全[1-2]，因此对它们进行相关的结构监测与安全评估是很有必要的，目前常用的手段之一就是在结构上建设健康监测系统[3-5]。
结构健康监测能够在突发损伤发生时及时做出判断和预警，以便采取紧急处理措施，防止结构发生进一步破坏和引发其它事故;而对于累积损伤则能够定期对损伤的状态做出描述，工程师可根据具体情况采取相应的应对措施。
基于上述问题，本文以正在运行的京张高铁官厅水库特大桥主桥为研究对象，进行大跨简支拱型钢桁梁桥健康监测系统的设计及运行研究。该桥的健康监测系统目前正在正常运行中。官厅水库特大桥主桥健康监测系统具有体量小、针对性强、技术先进等优点，研究成果具有工程实用价值，可为类似工程提供参考。
2 工程概况
京张高铁是2022年北京冬奥会重要交通保障设施，是世界上首条最高设计时速350公里的智能、抗高寒、大风沙高速铁路。官厅水库特大桥是京张高铁全线控制性工程之一[7]，桥梁全长9077米，双线设计，线间距5.0m。桥梁平面位于直线上，纵断位于2.0‰的上坡段和-2.0‰的下坡段，竖曲线半径25000m，主引桥过渡墩采用分离式墩身，在两侧引桥混凝土箱梁与主桥钢梁之间设置阻尼器。其主桥采用8×110m简支钢桁梁结构，是我国修建的第一座大跨简支拱型钢桁梁桥，设计活载为“ZK活载”。
主桥钢梁相邻两跨处轨道采用过渡板结构。过渡板采用C40混凝土，现场预制方式制作，主桥上过渡板长度为2420mm，主桥和引桥连接处过渡板长度为2020mm，宽度均为2800mm。过渡板采用变截面设计，安装支座处过渡板两侧560mm范围厚度为370mm，其余位置厚度为420mm，底面四周设置半径为15mm的滴水槽。过渡板通过预埋钢板及套筒与球形钢支座连接并固定在桥面上。过渡板两侧铺设长度为1730mm，宽度280mm，厚度595.5mm的限位板。限位板采用C40混凝土，并设置限位凸台。过渡板及限位板凸台或凹槽处采用八字抗裂钢筋。
3 健康监测系统设计
官厅水库特大桥健康监测系统将数值仿真技术、传感传输技术、信息通讯技术、数据库管理技术和统计分析技术综合为一体，共同构成监测系统的总体构架[8]。大桥监测系统主要由传感传输系统、信号采集与处理系统、数据库管理系统和健康评估与报警系统四部分组成。
3.1 传感传输系统
根据官厅水库特大桥的结构特性、力学特性，同时考虑大桥所处的环境状况，确定监测内容。官厅水库特大桥主桥的监测内容包括：主桥挠度变形、主桥应力（温度）、主桥竖、横向振动加速度、小纵梁梁端转角、过渡板-梁体的顺桥向相对位移差、过渡板-梁体的竖桥向相对位移差六项。
传感传输系统分布在该主桥的第2、5、8跨，包括：12个静力水准仪、22个弦式应变（温度）传感器、6个加速度传感器、6个倾角计、18个测缝计、18个点位移计、数据现场传输系统。
3.2 信号采集与处理系统
信号采集与处理系统的作用是把传感器输出的模拟信号通过信号采集仪采集并转化为数字信号，并对数据进行处理分析。
信号采集与处理系统包括：6个高速综合采集模块、6个动态信号采集仪、数据远程传输系统、后台主控计算机。后台主控计算机配置配套的数据采集及处理软件。
3.3 数据库管理系统
数据库管理系统包括：服务器、用户计算机和数据库管理与查询模块。数据库管理与查询模块具备两大功能：首先是实现对桥梁工作状态监测过程中所获取数据的存储和管理，通过该系统可进行数据的修改、删除、查询和打印输出等操作;其次是实现用户的查看功能，主要结合各系统的功能，提供统一的操作界面和采用易懂的图表形式展示各种分析数据信息给用户，实现分布式、远程访问的方式与功能。
3.4 健康评估与报警系统
健康评估与报警系统是基于健康监测系统的结构响应监测数据，实时对监测信息进行数据分析，判断其是否超过安全阈值，掌握结构实时的安全状态;在局部结构响应异常时自动发出报警信息，及时向桥梁管养人员和研究人员进行报警，以便有关部门能够第一时间全面深入地确认灾害发生的可能性及危害性，为结构的运营维护提供决策信息，采取及时有效措施来防止灾害的发生或减轻灾害带来的损失。结构安全预警的关键是建立科学合理的预警指标体系，重点是結构的预警指标和相应阈值的建立[9-10]。预警阈值的设置要结合设计容许值、理论计算值、数值分析值、监测数据值和成熟经验进行，同时要结合桥梁的型式特点、服役状况和管养要求，定期对其进行检验、补充、修正和优化，使其更加合理。本桥已经初步建立了预警指标体系，设定了蓝色、黄色、红色三级预警，目前正结合监测数据和该桥自身特点对相应阈值进行优化研究，使其更加合理。
4 健康监测系统的运行
京张高铁官厅水库特大桥主桥健康监测系统历经几次调试，目前已在正式运行，监测数据较为完整。本节主要展示健康监测系统的数据成果，并对其进行分析、研究，最终对大桥主桥的运营状态做出评价。
5 总结
本文以正在运行的京张高铁官厅水库特大桥主桥为研究对象，进行大跨简支拱型钢桁梁桥健康监测系统的设计及运行研究，总结如下：
（1）对官厅水库特大桥主桥健康监测系统进行设计，该系统由传感传输系统、信号采集与处理系统、数据库管理系统和健康评估与报警系统四部分组成，系统具有体量小、针对性强、技术先进等优点，可为类似工程提供参考。
（2）结合设计容许值、理论计算值、数值分析值、成熟经验初步建立了该桥的预警指标体系，目前正结合监测数据和该桥自身特点对相应阈值进行优化研究，使其更加合理。
大数据、云计算、物联网、人工智能、北斗导航等新技术将与健康监测深度融合，智能装备、智能检测、智能诊断、智能预警方面的研究将会全面开展，打造智能化桥梁健康监测及诊断系统。
参考文献
[1] 李惠，欧进萍.斜拉桥结构健康监测系统的设计与实现（Ⅰ）：系统设计[J].土木工程学报， 2006（4）：39-44.
[2] 顾津申.石济客专济南黄河桥健康监测系统总体设计[J].铁道工程学报， 2016，（4）： 54-59.
[3] 叶锦辉，邵申申，董嘉贤等.大跨度钢拱桥健康监测系统建设与运行研究[J].广东土木与建筑， 2018，25（12）：72-75.
[4] 闫志刚，岳青，施洲等.沪通长江大桥健康监测系统设计[J].桥梁建设，2017，47（4）：7-12.
[5] 刘辉.大型铁路客站健康监测技术研究[J]. 铁道建筑技术， 2020（10）：50-53.
关键词：高速铁路;健康监测系统;桥梁监测;拱型钢桁梁桥;系统设计;系统运行
中图分类号：U445.4 文献标识码：A
1 引 言
截至2019年底，我国铁路通车里程达到13.9万公里，其中高速铁路3.5万公里，居世界第一。新型的斜拉桥、拱桥、钢桁梁桥等大跨、复杂桥梁形式在高速铁路建设中不断被采用，其安全运营对于促进交通及经济发展具有十分重要的作用。这些桥梁通常都处于恶劣的工作环境，在长期环境侵蚀、材料徐变、荷载效应、疲劳效应等因素的作用下，不可避免地导致结构的损伤累计及抗力衰减，影响结构的正常使用，直接威胁铁路运营安全[1-2]，因此对它们进行相关的结构监测与安全评估是很有必要的，目前常用的手段之一就是在结构上建设健康监测系统[3-5]。
结构健康监测能够在突发损伤发生时及时做出判断和预警，以便采取紧急处理措施，防止结构发生进一步破坏和引发其它事故;而对于累积损伤则能够定期对损伤的状态做出描述，工程师可根据具体情况采取相应的应对措施。
基于上述问题，本文以正在运行的京张高铁官厅水库特大桥主桥为研究对象，进行大跨简支拱型钢桁梁桥健康监测系统的设计及运行研究。该桥的健康监测系统目前正在正常运行中。官厅水库特大桥主桥健康监测系统具有体量小、针对性强、技术先进等优点，研究成果具有工程实用价值，可为类似工程提供参考。
2 工程概况
京张高铁是2022年北京冬奥会重要交通保障设施，是世界上首条最高设计时速350公里的智能、抗高寒、大风沙高速铁路。官厅水库特大桥是京张高铁全线控制性工程之一[7]，桥梁全长9077米，双线设计，线间距5.0m。桥梁平面位于直线上，纵断位于2.0‰的上坡段和-2.0‰的下坡段，竖曲线半径25000m，主引桥过渡墩采用分离式墩身，在两侧引桥混凝土箱梁与主桥钢梁之间设置阻尼器。其主桥采用8×110m简支钢桁梁结构，是我国修建的第一座大跨简支拱型钢桁梁桥，设计活载为“ZK活载”。
主桥钢梁相邻两跨处轨道采用过渡板结构。过渡板采用C40混凝土，现场预制方式制作，主桥上过渡板长度为2420mm，主桥和引桥连接处过渡板长度为2020mm，宽度均为2800mm。过渡板采用变截面设计，安装支座处过渡板两侧560mm范围厚度为370mm，其余位置厚度为420mm，底面四周设置半径为15mm的滴水槽。过渡板通过预埋钢板及套筒与球形钢支座连接并固定在桥面上。过渡板两侧铺设长度为1730mm，宽度280mm，厚度595.5mm的限位板。限位板采用C40混凝土，并设置限位凸台。过渡板及限位板凸台或凹槽处采用八字抗裂钢筋。
3 健康监测系统设计
官厅水库特大桥健康监测系统将数值仿真技术、传感传输技术、信息通讯技术、数据库管理技术和统计分析技术综合为一体，共同构成监测系统的总体构架[8]。大桥监测系统主要由传感传输系统、信号采集与处理系统、数据库管理系统和健康评估与报警系统四部分组成。
3.1 传感传输系统
根据官厅水库特大桥的结构特性、力学特性，同时考虑大桥所处的环境状况，确定监测内容。官厅水库特大桥主桥的监测内容包括：主桥挠度变形、主桥应力（温度）、主桥竖、横向振动加速度、小纵梁梁端转角、过渡板-梁体的顺桥向相对位移差、过渡板-梁体的竖桥向相对位移差六项。
传感传输系统分布在该主桥的第2、5、8跨，包括：12个静力水准仪、22个弦式应变（温度）传感器、6个加速度传感器、6个倾角计、18个测缝计、18个点位移计、数据现场传输系统。
3.2 信号采集与处理系统
信号采集与处理系统的作用是把传感器输出的模拟信号通过信号采集仪采集并转化为数字信号，并对数据进行处理分析。
信号采集与处理系统包括：6个高速综合采集模块、6个动态信号采集仪、数据远程传输系统、后台主控计算机。后台主控计算机配置配套的数据采集及处理软件。
3.3 数据库管理系统
数据库管理系统包括：服务器、用户计算机和数据库管理与查询模块。数据库管理与查询模块具备两大功能：首先是实现对桥梁工作状态监测过程中所获取数据的存储和管理，通过该系统可进行数据的修改、删除、查询和打印输出等操作;其次是实现用户的查看功能，主要结合各系统的功能，提供统一的操作界面和采用易懂的图表形式展示各种分析数据信息给用户，实现分布式、远程访问的方式与功能。
3.4 健康评估与报警系统
健康评估与报警系统是基于健康监测系统的结构响应监测数据，实时对监测信息进行数据分析，判断其是否超过安全阈值，掌握结构实时的安全状态;在局部结构响应异常时自动发出报警信息，及时向桥梁管养人员和研究人员进行报警，以便有关部门能够第一时间全面深入地确认灾害发生的可能性及危害性，为结构的运营维护提供决策信息，采取及时有效措施来防止灾害的发生或减轻灾害带来的损失。结构安全预警的关键是建立科学合理的预警指标体系，重点是結构的预警指标和相应阈值的建立[9-10]。预警阈值的设置要结合设计容许值、理论计算值、数值分析值、监测数据值和成熟经验进行，同时要结合桥梁的型式特点、服役状况和管养要求，定期对其进行检验、补充、修正和优化，使其更加合理。本桥已经初步建立了预警指标体系，设定了蓝色、黄色、红色三级预警，目前正结合监测数据和该桥自身特点对相应阈值进行优化研究，使其更加合理。
4 健康监测系统的运行
京张高铁官厅水库特大桥主桥健康监测系统历经几次调试，目前已在正式运行，监测数据较为完整。本节主要展示健康监测系统的数据成果，并对其进行分析、研究，最终对大桥主桥的运营状态做出评价。
5 总结
本文以正在运行的京张高铁官厅水库特大桥主桥为研究对象，进行大跨简支拱型钢桁梁桥健康监测系统的设计及运行研究，总结如下：
（1）对官厅水库特大桥主桥健康监测系统进行设计，该系统由传感传输系统、信号采集与处理系统、数据库管理系统和健康评估与报警系统四部分组成，系统具有体量小、针对性强、技术先进等优点，可为类似工程提供参考。
（2）结合设计容许值、理论计算值、数值分析值、成熟经验初步建立了该桥的预警指标体系，目前正结合监测数据和该桥自身特点对相应阈值进行优化研究，使其更加合理。
大数据、云计算、物联网、人工智能、北斗导航等新技术将与健康监测深度融合，智能装备、智能检测、智能诊断、智能预警方面的研究将会全面开展，打造智能化桥梁健康监测及诊断系统。
参考文献
[1] 李惠，欧进萍.斜拉桥结构健康监测系统的设计与实现（Ⅰ）：系统设计[J].土木工程学报， 2006（4）：39-44.
[2] 顾津申.石济客专济南黄河桥健康监测系统总体设计[J].铁道工程学报， 2016，（4）： 54-59.
[3] 叶锦辉，邵申申，董嘉贤等.大跨度钢拱桥健康监测系统建设与运行研究[J].广东土木与建筑， 2018，25（12）：72-75.
[4] 闫志刚，岳青，施洲等.沪通长江大桥健康监测系统设计[J].桥梁建设，2017，47（4）：7-12.
[5] 刘辉.大型铁路客站健康监测技术研究[J]. 铁道建筑技术， 2020（10）：50-53.