高速铁路钢桁拱桥车-桥共振性能曲线测定方法
技术领域
本发明是一种应用于高速铁路钢桁拱桥车-桥共振性能曲线测定方法，涉及桥梁
健康监测领域。
背景技术
当高速列车通过铁路桥梁时，由于动车组的蛇形运动、轨道不平顺、加载速率和动
车组轴重荷载的规律性排列产生周期性的动力作用等原因，可能在一定车速下的动车组强
振频率与桥梁某阶自振频率或某阶自振频率的1/i（i=1,2,3…）接近，从而产生共振或超谐
共振。刘鹏辉和杨宜谦等分别对时速200~250km和时速300~350km的常用跨度简支梁桥开展
了动力性能试验。研究表明，现有高速铁路设计规范通过控制简支梁的竖向自振频率，有效
控制了梁体竖向共振发生，但在特定车速下仍然会产生超谐共振。因此，针对钢桁拱桥这类
特殊桥型的高速铁路桥梁，对其车-桥共振性能曲线测定方法的研究，具有十分重要的意
义。
目前，各土木、交通领域对于铁路桥梁车-桥共振性能曲线测定方法的研究，共有
以下几种方法：（1）现场试验法：此法采用车-线-桥系统试验的方法开展桥梁的动力特性现
场测试，由于现场测试的列车运行次数较少，难以把握桥梁的车-桥共振特性，不具有确定
性；（2）单一工况分析法：国内外大部分研究均是针对单一列车荷载工况展开的车-桥共振
性能方法的研究，并没有对所有工况进行完整系统的研究，不具有可行性；（3）理论计算和
假设法：此方法仅仅将桥梁简化为简支梁桥，通过理论计算和推导，得到桥梁车-桥共振机
理，从而设定限制进行预警。而实际桥梁与简支梁桥存在较大差异，且实际情况下车-桥共
振存在较大的随机性，因此，此法适用性较差。因此，对于钢桁拱桥车-桥共振性能曲线测定
方法，有必要研究一种准确性高、可行性好、适用性强的新方法。
发明内容
技术问题：本发明提供一种高速铁路钢桁拱桥车-桥共振性能曲线测定方法，该方
法可以准确对高速铁路钢桁拱桥车-桥共振性能曲线进行测定。
技术方案：本发明的高速铁路钢桁拱桥车-桥共振性能曲线测定方法，包括如下步骤：
步骤10）采集加速度数据、动应变数据和车速数据样本；
步骤20）对列车荷载进行分工况；
步骤30）绘制每一工况下加速度峰值与列车车速相关性散点图；
步骤40）采用多段线拟合的方法，形成加速度峰值与列车车速共振性能曲线。
进一步的，本发明方法中，步骤10）中采集的桥梁加速度数据包含不同时刻列车作
用下对应的加速度值，所述动应变数据包含不同时刻列车作用下对应的动应变值，所述车
速数据不同列车通过时对应的车速值。
进一步的，本发明方法中，步骤20）中分工况的具体内容为：
a.利用列车通过所述步骤10）采集的加速度数据，得到两端加速度数据产生峰值的先
后顺序，从而确定行车方向；
b.利用所述步骤10）采集的动应变数据，确定列车行驶于上游侧还是下游侧；
c.利用主梁动应变数据极值点个数确定动车组车厢数，即确定动车组的车厢编组类
型。
进一步的，本发明方法中，步骤30）的具体流程为：基于所述步骤20）中确定的工况
下的加速度和车速的历史数据，获得单次列车通过时测点加速度绝对值的最大值和列车速
度值，以列车速度值为横坐标、加速度绝对值的最大值为纵坐标，绘制该工况下的加速度峰
值与列车车速相关性散点图。
进一步的，本发明方法中，步骤40）的具体内容为：首先根据步骤30）中所绘制的加
速度峰值与列车车速相关性散点图，确定散点图波峰处极大值和波谷处极小值所对应的车
速值，将相邻两个车速值的区间作为一个车速段，从而将整个相关性散点图的车速变化范
围划分为多个车速段；
然后线性拟合每个车速度段内的散点数据，形成多段线，即为车-桥共振性能曲线。
进一步的，本发明方法中，步骤10）的加速度数据由设置在桥梁两端边跨跨中的加
速度传感器采集到。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）准确对高速铁路钢桁拱桥车-桥共振性能曲线进行测定。本发明基于加速度峰值样
本与列车车速样本的相关性散点图，提供了高速铁路钢桁拱桥车-桥共振性能曲线测定方
法。国内外研究桥梁振动响应与车速相关关系的成果较多，但还没有准确研究出相关关系，
仅仅基于少量试验研究其相关关系。而本发明基于健康监测海量数据研究出的相关关系可
以避免少量试验带来的随机性和较大误差，而少量试验得出的结论不能形成明显的车-桥
共振相关散点图，对曲线测定的准确性影响较大。同时，本发明研究出的相关关系具有实时
性，可以为桥梁预警提供依据，而少量试验仅仅只能在桥检过程中进行，不具有实时性。因
此，本发明可以使后期曲线测定更加有效。
（2）由于绝大多数桥梁没有专门识别列车荷载工况的仪器，所以目前国内外大部
分研究仅仅是在单一工况下或者在不分工况情况下进行车-桥共振性能的研究。而实际列
车荷载存在多个工况，只有把握各个工况下的车-桥共振性能，才能测定出完整的、有效的
车-桥共振性能曲线。同时，在单一工况下和在不分工况情况下研究出的车-桥共振性能曲
线不准确，没有剔除行驶方向、行驶车道以及列车车厢数对曲线测定的影响。而本发明通过
利用光栅应变计和加速度传感器之间的时空相关性准确识别列车荷载工况，从而得到各个
工况下的相关性散点图，最终形成完整的、精确的车-桥共振性能曲线。
（3）该方法简单实用，具有很好的可行性。本发明的方法简单实用，具有很好的可
行性，而且弥补了现有技术中采用现场试验法、理论计算和假设法以及单一工况分析法的
缺陷。同时，本发明的方法可以适用于各种高速铁路钢桁拱桥车-桥共振性能曲线的测定，
使得本方法在用于高速铁路钢桁拱桥车-桥共振性能曲线测定时更加具有可行性、准确性
和适用性，可得到广泛推广和应用。
附图说明
图1为本发明实施例采集的加速度峰值样本P1长期变化曲线。
图2为本发明实施例单次列车在下游侧行驶时的应变时程曲线。
图2（a）为单次列车在下游侧行驶时DWY-11-25应变计所采集的应变时程曲线。
图2（b）为单次列车在下游侧行驶时DWY-11-26应变计所采集的应变时程曲线。
图3为本发明实施例单次列车在上游侧行驶时的应变时程曲线。
图3（a）为单次列车在下游侧行驶时DWY-11-25应变计所采集的应变时程曲线。
图3（b）为单次列车在下游侧行驶时DWY-11-26应变计所采集的应变时程曲线。
图4为本发明实施例不同车厢数的列车过桥时产生的极值点。
图4（a）为8节车厢的列车过桥时产生的极值点。
图4（b）为16节车厢的列车过桥时产生的极值点。
图5为本发明实施例不同行驶方向的列车过桥时加速度时程曲线。
图5（a）为列车由南向北行驶时的加速度时程曲线。
图5（b）为列车由北向南行驶时的加速度时程曲线。
图6为本发明实施例工况1下测点加速度峰值与列车车速的相关性散点图。
图7为本发明实施例车-桥共振性能曲线。
具体实施方式
下面将参照附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明的高速铁路钢桁拱桥车-桥共振性能曲线测定方法，包括如下步骤：
步骤10）采集加速度数据、动应变数据和车速数据样本：
步骤10a）将加速度传感器配接到加速度采集系统中，然后利用加速度传感器对测点的
加速度进行采集，加速度传感器将获取的加速度信息传递到加速度采集系统中，形成加速
度样本。加速度样本包含不同时刻列车作用下对应的加速度值。
步骤10b）利用主跨跨中上下游侧对称位置上各一个光纤应变计，将光纤应变计配
接到应变采集系统中，然后利用光纤应变计对测点的动应变进行采集，将获取的测点动应
变信息传递到动应变采集系统中，形成动应变样本。动应变样本包含不同时刻列车作用下
对应的动应变值。
步骤10c）将测速仪配接到车速采集系统中，然后利用测速仪对列车车速进行采
集，测速仪将获取的车速信息传递到车速采集系统中，形成车速样本。车速样本包含不同列
车通过时对应的车速值。
步骤20）对列车荷载进行分工况：
步骤20a）确定行车方向：利用桥梁两端边跨跨中的加速度传感器（两个传感器分别用
A1和A2表示），当列车通过时，A1和A2分别采集到相应的加速度信号，若A1所采集到的加速
度信号比A2所采集到的先出现极值点，则可以确定列车行驶方向为由A1到A2。反之，则为由
A2到A1。
步骤20b）确定列车行驶于上游侧还是下游侧：利用主跨跨中上下游侧对称位置上
各一个光纤应变计（上游侧和下游侧光纤应变计分别用S1和S2表示），当列车通过时，S1所
采集到的动应变数据变化幅度大于S2所采集到的，则列车行驶于上游侧。反之，则列车行驶
于下游侧。
步骤20c）确定动车组类型：我国动车组一般分别为8节和16节车厢两种类型，利用
步骤20b）中S1和S2 所采集到动应变数据进行分析。当8节车厢的列车通过S1和S2时由于轨
道不平顺，9对滚轮会使动应变数据产生9个极值点；相应的16节车厢17对滚轮会动应变数
据产生17个极值点。因此可以判断出列车的车厢数。
经过步骤20a）、20b）、和20c）分析，可以准确识别出列车工况。
步骤30）绘制不同工况下加速度峰值与列车车速相关性散点图：
计算步骤10a）中，从所需分析的时间段内所有的加速度数据中，选取列车荷载工况对
应的数据进行分析，获得单次列车通过时测点加速度样本的峰值（即加速度样本绝对值的
最大值）和测速仪所识别的列车速度值。以横坐标为列车速度值、纵坐标为加速度峰值绘制
不同工况下加速度峰值与列车车速相关性散点图。
步骤40）采用多段线拟合的方法，形成加速度峰值与列车车速共振性能曲线：
根据步骤30）中所绘制的散点图大致成“M”波形分布，确定“M”波形散点图波峰处极大
值和波谷处极小值所对应的车速值，从而整个车速变化范围被划分为多个车速段，车速段
分别为[最小车速，第一波峰处极大值所对应的车速值]、[第一波峰处极大值所对应的车速
值，紧后波谷处极小值所对应的车速值]、…依次类推，每一个车速段内的散点图呈线性分
布，因此，采用线性拟合散点数据，形成多段线。此多段线即为车-桥共振性能曲线。
实施例：
下面以大胜关大桥主梁钢桥面板上的加速度样本为例，说明本发明的具体实施过程。
（1）利用加速度传感器得到主梁钢桥面板某一测点在2014年到2015年两年的加速
度峰值样本P1，其长期变化曲线如图1所示。在图1中，纵坐标表示峰值，单位mm/s2；横坐标表
示数据个数（即列车通过次数）。每次列车通过时获得一个加速度峰值。以此同时，每次列车
通过时利用车速仪可以获取一个车速值，形成与加速度峰值样本P1一一对应的列车车速样
本C1。
（2）将列车荷载进行分工况：在主梁主跨跨中的上下游横梁上各安装了1个光栅应
变计，下游侧横梁上应变计编号为DWY-11-25；上游侧横梁上动应变传感器编号为DWY-11-
26。在2号墩（北）处和20号墩（南）处桥上安装了两个加速度传感器，传感器编号分别为JSD-
02-01和JSD-20-10。分工况的具体方法为：a.图2和图3分别给出了列车在下游侧和上游侧
行驶时，DWY-11-25和DWY-11-26所采集到的应变时程曲线。当列车在下游侧车道行驶时
DWY-11-25将产生较大的变化，相比之下DWY-11-26变化相对小很多；当列车在上游侧车道
行驶时DWY-11-26将产生较大的变化，而DWY-11-25变化相对很小。于是可以判断出列车在
哪一侧行驶；b.当8节车厢的列车通过应变传感器时由于轨道不平顺，9对滚轮会产生9个极
值点；相应的16节车厢17对滚轮会产生17个极值点，如图4所示。进一步可以判断出列车的
车厢数；c.当列车由北向南行驶，则加速度传感器JSD-02-01比JSD-20-10先出现极值点，反
之亦然，如图5所示。从而确定出了行车方向。最终可以将列车荷载工况进行准确识别。
（3）从（1）中得到的加速度峰值样本P1和列车车速C1中，选取列车荷载工况1~工况8
进行分析。图6给出了工况1下该测点加速度峰值与列车车速的相关性散点图。在图6中，纵
坐标表示峰值，单位mm/s2；横坐标表示车速，单位km/h。确定散点图极值点所对应的车速
值，将整个车速变化范围划分为多个车速段，采用多段线拟合的方法，形成车-桥共振性能
曲线，如图7所示。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利
要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。