基于健康监测的列车-轨道-桥梁耦合系统动态建模与安全评估

Under the repeated action of the train and the environment load, such as the temperature and the wind, etc., the damage will be occur and accumulate on the structure, leading to the dynamic changes for the performance parameters of bridge, and the safety of bridge structure and the moving train can be effected. With the great construction and development of high-speed railway, the evaluation and prediction of service security of railway bridges has been the common concern and the research frontier of all countries in the word. The responses of bridge under lots of loads and the environmental information can be obtained timely and efficiently by the bridge real-time health monitoring system, and the data processing methods, such as the wavelet analysis, etc., can be used for data processing and mining to obtain the bridge structural state information and to investigation the performance degradation rule of bridge. The parametric model updating method, which has clear physical meaning, can be used to establish the bridge dynamic model based on health monitoring, and then combining with the theories and methods of coupling system dynamics, the dynamic model of the train-rail-bridge coupling system can be established. Based on the dynamic analysis of coupling system, the performance degradation rule of the coupling system can be investigated, and the theories and methods of dynamic safety evaluation can be constructed for the rain-rail-bridge coupling system. The deficiency of traditional methods, which is only for bridge system or train system, can be avoided. This research project has distinct theoretical innovation and has great engineering application value.

铁路桥梁在列车及环境（温度、风等）荷载反复作用下，结构会发生损伤和积累，导致桥梁结构性能参数不断动态变化，影响桥梁结构自身及桥上列车走行安全性。随着（高速）铁路大力建设和发展，评估和预测铁路桥梁服役安全性已经成为世界各国共同关注的问题和研究前沿。桥梁实时健康监测系统能及时高效获得各种荷载作用下桥梁的响应及环境信息，采用小波分析等方法对实时监测数据进行处理和挖掘，获得桥梁结构状态信息，研究桥梁性能退化规律；利用参数型模型修正方法物理意义明确的特点，建立基于健康监测的桥梁结构动态分析模型，再结合大系统动力学理论和方法，建立列车-轨道-桥梁耦合系统动态分析模型。基于耦合大系统动态分析，研究大系统性能退化规律，构建基于健康监测的列车-轨道-桥梁耦合大系统动态安全评估理论和适用方法，解决传统方法仅针对桥梁或列车等单一子系统而进行研究的不足，具有鲜明的理论创新性和很好的工程应用价值。

桥梁在车辆及环境（温度、风等）荷载反复作用下，结构会发生损伤和积累，导致桥梁结构性能参数不断动态变化，影响桥梁结构自身及桥上车辆走行安全性。本项目针对桥梁建设及运营安全性，对大跨铁路桥梁进行了施工监测与控制、通车前荷载试验以及安装了桥梁健康监测系统，采集了桥梁各阶段的状态信息，并进行了监测数据分析与挖掘；基于健康监测结果，对桥梁结构进行了模型修正，建立了桥梁结构动态分析模型，进而结合大系统动力学理论和方法，建立了列车-轨道-桥梁耦合系统动态分析模型，对桥梁结构运营振动进行了分析与评估。此外，对桥梁结构车致振动冲击系数也进行了研究，本项目主要结论如下：.（1）针对大准增二线某铁路桥梁运营设计的实时健康监测系统已运营多年，系统运行良好，监测数据可为桥梁结构状态分析提供依据；编制的Hampel滤波、移动平均法及小波变换等MATLAB程序能很好的对监测数据进行预处理。建立了应力与温度定量化的关系模式，可以有效地剔除温度效应引起的应力变化，从而提高桥梁应力数据的直观性以及以应力指标判断桥梁安全技术状况的准确性；.（2）利用响应面方法对桥梁结构初始模型进行修正后，计算结果与实时监测系统所得结果符合一致，建立的基于健康监测的桥梁动态模型是可靠的，在此基础上构建的列车-轨道-桥梁耦合系统动态分析模型可用于大系统分析和评估。.（3）采用通用软件ANSYS平台构建的基于方程耦合法的车-桥耦合振动分析方法具有较高的精度和效率。一定范围内，车速提高，车体竖向振动加速度均方值变化为先增大后减小再增大再减小再增大；最小接触力大体上和加速度均方值反向变化。.（4）针对大跨铁路钢桁梁桥步履式施工与控制，可通过增加支撑框架结合节点自适应顶推设备以增大顶推行程，形成改进顶推设备的小循环步履式顶推法，方便了施工动态监测与控制，确保桥梁施工安全。