摘要：鐵路橋梁具有平順、整體（tǐ）性好、剛度大的優點，滿足（zú）高速鐵路軌道平順性高要求（qiú），從而橋（qiáo）梁（liáng）在高速鐵路軌（guǐ）道應用比重大，使其成為研究熱點。本（běn）文著重闡述了我國高速鐵路橋梁現狀，分析（xī）了普（pǔ）通（tōng）橋梁和鐵路橋梁健康監測係統的發展現狀，明確基於無線（xiàn）傳感器網絡的（de）高速（sù）鐵路橋梁運營環境（jìng）監測係統的內容及範圍，展望（wàng）了基於無（wú）線傳感（gǎn）器網絡（luò）的（de）高速鐵路橋梁運營環境監測係統的研究及發展前景（jǐng）。

關鍵詞：高鐵橋梁；無線傳感器（qì）網絡；橋梁健康監測；運營環境
    【分類（lèi）號】：U446.2
　　0 引言
　　高速鐵路是指本線（xiàn）路最高運營速率每（měi）小（xiǎo）時不低（dī）於200公裏，其中包含（hán）既有線路改造（zào）（軌距標準化、直線（xiàn）化（huà）、曲線（xiàn）半徑加大等措施）、高（gāo）速新線（運營速率最低在250km/h以上）的鐵路運營係統。軌距標準化是采（cǎi）用國際標準軌距，標準（zhǔn）軌距是由國際鐵路協（xié）會於1937年製定的，是以兩條鋼軌軌頂內側垂直（zhí）平麵間的距離為1435mm的軌距為標準的軌距，大於1435mm的為寬軌距，小於1435mm的為窄軌距[1]。
　　2004年《中國鐵路中長期發展規劃》規劃（huá）了“四（sì）縱四橫”鐵路快速客運（yùn）通道以及四個城際快速客運係統（tǒng）；規劃建設客運專線1.2萬公裏以上，客（kè）車速度目標值達（dá）到每小時200公裏及以上[2]。2008年京津城際鐵路的開通拉開了我國高鐵正（zhèng）式運營通車的序（xù）幕，2012年世界運（yùn）營裏程最（zuì）長（zhǎng）的（de）全程2298公（gōng）裏的京廣鐵路全線通車，將我國高（gāo）速鐵路發（fā）展推向新的篇章。
　　高速鐵路具有（yǒu）速度高、運載能量大、運營環（huán）境（jìng）安全性要求高（gāo）、高（gāo）密度運營等（děng）顯著特點，因此對鐵路土建工程及後期維護要求不斷增（zēng）高。鐵路橋梁具有（yǒu）平順性好，直線化、曲線半徑大的特點，使其在高速鐵路中應用比重不斷增大[1]。高速（sù）鐵路橋梁的（de）健康監測成為目前研究的一個熱點方向[2]。無線傳感器（qì）網（wǎng）絡具有冗餘性、無需布線、自（zì）組織（zhī）性、成本和能耗低等特性，適於高速鐵（tiě）路沿線關鍵區域（yù）的大（dà）範圍部署和長期在線監測。因此，利用無線傳感器網絡建立橋梁運營安全監測係統，實時在線監測、掌控、護（hù）養橋（qiáo）梁，將促進高速列車橋梁運營環境監測技術變革（gé）。
　　1 我國高鐵橋梁發展現狀
　　高速鐵路橋梁結構主要由包含軌道的（de）橋麵、包含橋跨結構的上（shàng）部構造（zào）、以及包含墩台及基礎下部構造構成。基本結構多采用雙線整孔，剛度大、整體性好，多以中小跨度（dù）為主[3]。
　　我（wǒ）國高速鐵路（lù）橋（qiáo）梁（liáng）結構體係由小跨度（dù）剛架橋、簡（jiǎn）支梁、連續梁、版梁、組合梁橋及鋼桁架橋等組成。其中小跨度剛架橋截麵形（xíng）式為現澆板梁，簡支梁（liáng）與連（lián）續梁的截（jié）麵（miàn）形式為單箱單室箱梁，板梁采用日本高架橋的截（jié）麵形狀、組合梁橋截麵為箱形，鋼桁架橋（qiáo）截麵采用正交異（yì）性板（bǎn）[2]。我國既有（yǒu）鐵路橋梁中混凝土簡支梁（liáng）應用率的占90%以上。京廣（guǎng）高鐵武漢―廣州段采用單跨簡支梁橋。
　　我國高速鐵路橋梁的上部結構主要（yào）由梁部結（jié）構和截麵形（xíng）式兩部分組成（chéng），其中梁部結構分離（lí）式和整體式，截麵形式分為箱形截麵和T形截麵[1]。下部結構多采用輕型墩台（尤其針對多跨聯孔的高架（jià）橋），基礎形式的選擇因地製宜。橋（qiáo）梁支座嚴格控製橫向位移限製，一般應安裝（zhuāng）具有橫向限位（wèi）裝置的橡膠支座（zuò）。
　　橋梁荷載（zǎi）是橋梁設計的主要考慮因素。高速鐵路橋梁的荷載主要由主要荷載、附加荷載及特殊荷載三種。活荷載即為活載，主要指列車引起的使用或占用荷載和自然產生的自然荷載的總稱，是橋梁結構損傷累積（jī）和抗力衰減的主要影響（xiǎng）因素；具有強度大、均布荷載大的特（tè）點；我國主要采用UIC活載模式[3]規定活載圖。附加（jiā）荷載為風力、製動牽引力、溫度變化、水流壓力等環境對橋梁的作（zuò）用力。特殊荷載指非正常狀態下（列車脫（tuō）軌荷載、鋼軌斷裂、地震）對橋梁的影響力[3]。
　　2橋梁結構健康監（jiān）測係統的發展現狀
　　早在上個世紀末，橋梁健康監測安全（quán）評價係統被（bèi）廣泛應用。2003年7月國際橋梁及結構工程協會（huì）（International Association for Bridge and Structural Engineering，IABSE）製訂相應國（guó）際規程，規範應用。橋梁健康監測主要針（zhēn）對橋梁運營期間的監測，是集成橋梁結構監測、結（jié）構評估和係統智能識別於一體的監測係統。一般係統由數據采集、數據處理、健康評定等（děng）部分組成[4]。
　　1995年Lauzon學者在文獻[5]提出橋梁監測係統的設計建議，美國Aktan教授製定了詳細的橋梁健（jiàn）康監測係統的設計指南。
　　Ren-Guey Lee， Kuei-Chien Chen在（zài）文獻[6]中給出了一個（gè）基（jī）於無線（xiàn）傳感器網絡（luò）的高效、可靠的橋梁監測的係統備份方案，其中通過multiple-hopping中繼網（wǎng）關進行傳遞相關的環境參數和數值。
　　Xiaoya Hu，Bingwen Wang在文獻[7]中給出（chū）了基於無線傳感（gǎn）器網絡的橋梁健康監測係統的Energy-Balanced時間同步協議（EBS），該時間同步協（xié）議利用動態（tài）選擇最大（dà）的儲備能源（yuán）傳感器廣播節點達到能量平衡在網絡節點，同時利用帶有MAC-layer時間戳（chuō）的現有FTSP協議達到（dào）精度高性（xìng）能的目的。
　　文獻[8]中Haitao Xiao和Yixuan Gong利用無線網絡集成（chéng）傳感器網（wǎng）絡和無線局域網和數據采集係統開發橋診斷，解決（jué）了在監（jiān）測大（dà）型橋梁健康狀態時，沒有足夠的無線傳感器節（jiē）點覆蓋整個橋的問題，同時係統給出（chū）了在日本北（běi）九州市的現場試驗結果。
　　在文獻[9]和[10]中Haitao Xiao和Harutoshi Oga提出（chū）一個分布式數據聚合活性監測方法和分布式局部決策監控方法，解決了無線傳感器網絡確（què）保鏈接質量可靠的問題，建立了基於無線傳感器網絡的（de）橋梁健康監測的DLDMS（分布式局部的決定監（jiān）控係統）。
　　德國的S. A. Bachmaier在文獻[11]中簡述了內（nèi）卡河跨河大橋的健康監（jiān）測係統，並給出無線的評估（gū）監（jiān）控係統，給（gěi）信息丟包率、頻（pín）率和廣域網絡連接等重要參數的在線評估。 　　在文獻[12]中M.J.Chae給出了普遍（biàn）適用（yòng）性的無線傳感（gǎn）器網絡監測橋梁健康狀況，已應用於超過四十處的懸索橋。
　　在文獻[13]中介紹了（le）我國國內目前已在包括（kuò）江陰長（zhǎng）江大（dà）橋、南京長江二橋、潤揚長江大橋（qiáo）、鄭州黃河大橋、錢江四橋、蕪湖長江大橋（qiáo）、蘇通大（dà）橋、陽邏長江大橋、貴州壩陵河大橋、杭州灣跨海大橋、深（shēn）圳西部通道等眾多橋梁在內的大跨（kuà）徑橋梁（liáng）上建立了不同（tóng）規（guī）模的健康監測（cè）係統。
　　中國香（xiāng）港的青馬大橋、汲水門大橋和（hé）汀九大橋上已安裝了目（mù）前世界上規模最大的實時安全監測係統，3座（zuò）橋梁共安裝了800多（duō）個各類傳感器，對橋梁在各種荷載作用下的結構狀況、環境狀況進行全麵的監測，並對（duì）監測數據進行分析處理[14]。
　　3高速鐵路橋梁健康監測（cè）係（xì）統現狀
　　文獻[15]通過行車動力和自（zì）振頻率現場試（shì）驗，給出了鐵路群樁基礎橋（qiáo）橋墩（dūn）病害診斷的動力測試和評價方法，提出了群樁基礎橋墩狀態評價的（de）有關（guān）指標。
　　在（zài）文獻[16]中，針對高速鐵路橋梁（liáng）健（jiàn）康（kāng）監測建立了一種適用於我（wǒ）國高速鐵路橋梁（liáng）的檢測車設計方案，並給出了檢測車（chē）行走裝置、檢測平台結構型式、驅動方（fāng）式的詳細設（shè）計。
　　在文獻[17]中，針對高速鐵路橋梁健康監測建立了基於有線的傳感器（qì）監測係統，分析（xī）了各個監測項目中的傳感器，提出了軟、硬件的設計方案。
　　文獻[18]中魏召蘭博士以京滬（hù）高速鐵路橋梁―南京大勝關長江大橋為（wéi）示例分析了大（dà）跨度橋梁的結構影響因素，建立其車橋耦合動力分析模型，創建了（le）評判標準，明確了行車速度、阻尼比、行車方向、車輛數、吊杆布置方式等參數對動（dòng）力性能的影響。同時，在文獻[19]中，建立了基於有（yǒu）線高速鐵路大型特（tè）殊結構橋（qiáo）梁健康監測係統，由傳感器子（zǐ）係統、數據采集與傳輸子係統、數據處理與分析子係統、結構評估子係統、數據管理（lǐ）子係統、用戶界麵子係統六部分組成。
　　4基於無線傳感器網絡的高速鐵路橋梁運營環境監測係統的內容及範圍
　　高速（sù）鐵路橋梁運（yùn）營（yíng）環境監測係統不僅包含常（cháng）規橋梁健康監測係統，同時涵蓋橋梁（liáng）健康監（jiān）測（cè）實時數據上傳至所屬鐵路局（jú）及經過該橋梁的高速列車，針對橋梁實時（shí）健康狀態監測，預測、預警列車運（yùn）營環境（jìng）的安全度（dù），從而為高速列車安全（quán）運營提供（gòng）可靠保障。
　　橋梁健康監測的物理變量主（zhǔ）要分為：環境荷（hé）載、運營荷載、特殊荷載、橋梁自身參（cān）數及橋梁（liáng）響應參數（shù）等四部分組成。其中環境荷載針對強風、溫度、濕度、凍（dòng）脹力、腐蝕力、衝刷力等；運載荷載即為高速鐵路橋梁日常的交通運營（yíng）荷載（列車（chē）豎向靜活載、列車豎向動力作用、長鋼軌伸縮力和撓曲力、離心力（lì）、橫向搖擺力、氣動（dòng）力等）；特殊荷載（zǎi）指列車脫軌荷載、長鋼軌斷軌力、地震等；橋梁自身參數是指橋梁靜態參（cān）數（靜力影響係數及（jí）影響線、結構構件及設（shè）備（bèi）自重、混凝土收縮和徐變、）和動態參數（模態頻率、振動模態、模態阻尼比、模（mó）態質量參數）；橋梁響應參（cān）數主要包含幾何（hé）變形、應力狀況、位移狀況、索力、疲勞狀態（tài）、連接件受力以及（jí）振動響應等（děng）。
　　5結論及研究展望
　　我國目前高（gāo）速鐵路橋（qiáo）梁在線路中所占比例較大，故其健康監測（cè）為高速鐵路運營環（huán）境監（jiān）測係（xì）統（tǒng）的重要組成（chéng）部分。普通橋梁健（jiàn）康監測係統的發展已處於較成熟穩定發展階（jiē）段（duàn），但適合我國高速鐵路橋梁健康監測係統發（fā）展較少。然而（ér），我（wǒ）國高（gāo）鐵橋梁類別較多，建立統一的中小橋梁健康（kāng）狀態QoS指標體（tǐ）係迫在眉睫；同時，亟待需要開發研製通（tōng）用基於無線傳感器網（wǎng）絡的高速鐵路橋梁結構健康在線監測係統，為高速列車安全（quán）運營提供有力的（de）保障。
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