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- 经济背景
桥梁是建设交通网络的基本要素，也对其运营性、效率、成本效益和寿命起着决定性的作用。其在铁路网络方面更为重要。电力网络是运输货物和乘客的最佳自然选择，因为它对不可再生能源的依赖性较低，这是发达国家必须考虑的问题。另外，最近制定的与人类消费和废物生产有关的环境保护准则，是以三个概念为基础的：减少、再利用和再循环。从这个角度看，桥梁可以也应该被视为现代社会使用的产品，因此，对现有结构的维护、修复、加固和升级应优先于其退役和更换。
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- 在意铁路桥梁老化的关键问题
目前，旧铁路桥梁所承受的活荷载与原设计中所确定的活荷载大不相同。不仅交通流量增加了，而且交叉口车辆的特性也不同，其运行速度和轴荷载也更高。因此，需要与当前交通模式相关的可靠和更新的数据，这对于进行任何评估至关重要，尤其是疲劳相关的评估。
众所周知，钢结构的疲劳依赖于瞬态载荷作用下各构件间的应力分布，主要是由过往车辆引起的应力分布，以及其在时间上的位移。这些力在材料中引起应变和应力循环，可导致疲劳裂纹及其在振幅达到较高值的点处的扩展，通常在连接细节中。此外，这些区域通常更容易发生材料倾斜，并随之产生横截面损失，从而降低承载能力。
准确评估构件或连接件的结构状况，特别是其抗疲劳性能，对桥梁评估具有重要意义。作为老化结构综合疲劳评估的一部分，有一部分相关的规范，其中最相关的是AREMA、AASHTO和ECCS。请注意在评估有关结构性能要使用现场测量收集的可靠数据。其中一个区分这些结构的最重要的方面是它们的材料，因为它们中的许多都有一百多年的历史。大多数技术人员，尤其是最年轻的技术人员，有时对其特性的了解不够。
1.3. 评估和管理监测
直到最近，桥梁管理一直主要依靠定期的目视检查、理想化的建模和简单的分析。基于现场观测提供的结构识别的评估仅是一种可选措施，即使怀疑桥梁结构不完善。这种传统的程序常常导致不正确的决定，无论是在安全性还是成本上。因此，在上一次开发中，健康监测已经成为几个管理系统中的一个集成工具。设计良好且实施良好的观测系统所提供的监测数据可用于可靠性评估和更新预测模型，以及检测结构及其使用者的任何风险症状。此外，还可以测量作用在结构上的荷载，以便准确地表征荷载环境。
安装在铁路钢桥上的电气化监测系统，由于材料性质和铁路线路的磁化，容易在电磁干扰引起的信号中产生不必要的噪声。因此，基于光纤的铁路钢桥仪器是首选，因为这种传感器对这种现象的抗扰度是众所周知的。现场应用成功的一个例子是基于法布里-珀罗光学传感器的应变监测子系统，该系统部署在中国芜湖长江铁路大桥上。Costa等人还将一个广泛和全面的监测系统应用于百年钢拱桥，包括光纤布拉格光栅（FBG）传感器，以协助评估对结构进行的修复操作，并评估其在新开发下的性能。在世界上最长的公路和铁路悬索桥青马大桥上安装了光纤监测系统，以评估使用Chan等人开发的FBG传感器的可能性。并用于结构健康监测，以及Tsamasphyros等人进行的一项研究，调查FBG传感器在19世纪末希腊雅典附近Nea Peramos的一座钢制铁路桥上的适用性。
1.4. 目标和范围
如前所述，在役铁路钢桥存在的问题亟待解决。欧洲可持续桥梁项目是最近的一个例子，目的是在这个问题上带来更多的知识。其最终目标是：一）提高现有桥梁的运输能力；二）延长结构的剩余使用寿命；三）加强管理、加固和维修系统。在国家一级，政府官员现在开始意识到，有必要制定更广泛的计划，以应对铁路基础设施老化的特殊问题。尽管葡萄牙为实现网络现代化做出了一些努力，但几十年来，葡萄牙的一些结构并没有从重大干预中获益，因此可能无法满足当前铁路运输的要求。在这方面，开展了一个研究项目，旨在制定和应用评估国家铁路网内铁路钢桥结构完整性的程序，同时考虑到过去、现在和预期荷载环境下的疲劳抗力和剩余疲劳寿命。本研究选择一座桥梁作为试验台。该建筑于上个世纪中叶对外开放，位于国际贝拉阿尔塔铁路线上，现在是该国通往欧洲的主要铁路连接线。在第一阶段，使用列车诱发振动的记录和环境振动试验收集的数据来验证和更新。从而使桥梁的动力学仿真和疲劳分析成为可能。本文将介绍第二阶段和各自的初步结果。在这一阶段，设计并实施了一个监测计划，以便继续收集铁路交通引起的钢应变记录。所确立的目标如下：i）描述结构的局部和全局行为，从而改进先前开发的数值模型；ii）检查关键元件和连接件中的应变/应力路径和模式；iii）获得适用于疲劳分析的试验应变/应力直方图；iv）收集有关交叉车辆的速度、移动方向、轴数和轴间距的数据。为了实现上述目标，部署了两个并行监测系统，第一个是基于电应变计（主）的，第二个是由光纤应变传感器（次）构成的。传感器被应用于承受较高拉应力范围的钢筋横截面，靠近接头，在四分之一和一半长度处。此外，在两个桥台附近，但在桥外的钢轨段，都安装了应变计。文中给出了安装系统（基于电气和光纤的系统）的结果，通过它们的对抗，得出了与每个系统的优缺点相关的一些结论，主要是关于使用主监控系统来实现在研究项目。本文对监测方案和步骤进行了分析和讨论，包括与安装技术、传感器、信号采样频率和观测断面有关的方案。讨论了利用应变/应力范围的计数算法，通过损伤累积的概念来支持疲劳分析的应变读数的质量。最后，指出了观测到的结构特性的最重要特征，以及交通数据的可靠性从所采用的仪器中提取并进行评估。
2. 试验桥
这座桥位于葡萄牙中部特列佐伊村附近，自1956年8月20日起连续运营。它的建造是用马歇尔计划的资金完成的，是在埃菲尔豪斯建造的同一路线上所有桥梁的退役和替换期间完成的。新的更大的结构，包括特雷兹奥尼桥，是由德军的弗里德·克虏伯设计、制造和组装的。
两个高度为5.68 m、轴线间距为4.40 m的倒置沃伦桁架梁构成了该桥的钢桥面。全长126米，包括两个39米长的极端跨度和一个48米长的中心跨度。主梁面板在中心跨宽6.50 m，在端跨宽6.00 m。两个梯形桁架作为桥墩和两个花岗岩砌体桥台将结构承载的荷载传递到地基（见图1）。元件之间的所有连接都是铆接的。
上部结构的支座由钢制成，允许在结构平面内自由旋转（见图2（a））。在东桥台，纵向位移受到限制，而在西桥台，允许纵向位移包含热荷载引起的变形。甲板和桥墩顶部之间的连接是铰链式的，它们与花岗岩基座之间的连接也是铰链式的，因此表现为下垂。
桁架梁的弦杆和对角线由双“C”形截面构成，而连接梁顶部和梁上纵梁的平面梁为“I”形截面。垂直部分为“H型”截面，弦杆的水平支撑由角钢完成。图2（b）显示了下弦杆桁架梁的典型接头。承载活载的两个纵梁与单轨钢轨对齐。
图1
图2
3. 监控系统
3.1. 框架
在研究项目的初始阶段，利用环境振动试验获得的结果对桥梁的动力特性进行了分析。收集的数据允许校准有限元模型，将固有频率和相应的振型作为参考。完成的数值分析考虑了过往车辆与结构之间的动态相互作用，并将结果用于评估最关键连接件的剩余疲劳寿命。
项目第一阶段考虑的铁路行动基于REFER（葡萄牙铁路管理局）提供的信息以及欧洲设计规范建立的交通场景和荷载模型。为了进行更适合桥梁实际运行条件的疲劳评估，必须对实际通过的交通进行表征。为此，设计的监控系统允许收集车辆特性的数据，包括轴的数量及其间距，速度谱、运动方向和交通密度。
传统上，用于收集铁路交通数据的应变监测系统包括通过通常被称为应变计剪力桥的实验装置对钢轨进行测量配置。Tobias等人使用了这种技术。测量北美铁路桥梁的荷载谱。虽然能够提取车轮负载，但它也需要大量传感器，因此需要读取通道，这强烈地决定了开发一个综合监测系统，该系统不仅设计用于动态称重。此外，测得的力会自动保持一个动态分量，可能的车轮缺陷会增强该动态分量，因此很难获得车辆重量荷载，这是本项目的目标值。在这种情况下，所采用的策略包括评估轨枕之间间隔足够距离的半跨部分的轨底弯曲应变。该系统已被Tam等人成功地应用。提供香港九广铁路客运专线的载重和列车状态信息。尽管该系统也能够测量轴载，但前提是进行了适当的定期校准，由于轨枕支架可能会经历非线性行为，因此结果的可靠性值得怀疑。因此，在本项目中，车辆荷载的估算应通过对结构实测响应的反分析来完成，并在有限元模型上进行适当验证，输入每列列车通过时收集的数据。
在评估疲劳损伤的数值分析中计算的应力可能与结构材料的试验值有很大不同。这个事实更为相关当模型仅用表征整体行为的参数进行验证时，如在项目的第一阶段进行的，不考虑结构元素中的力分布（荷载路径）。为了克服这一缺点，设计了安装在桥梁上的监测系统，其目的是收集结构局部和整体行为的现场结果，以准确描述静态和动态响应，以评估损伤出现概率较高的连接件的疲劳。
本项目监测系统的初步设计仅限于前置式电传感器。然而，考虑到上述方面，对于一些待评估的点，一个冗余的基于光纤的观测系统成为一个合理的选择，作为披露任何相关问题的参考。这个子系统被设想为提供结构性能的补充读数。
虽然采用了传感器的保护解决方案，但两个观测系统完成的安装计划并不支持长期监测。预计在1年内连续观察2周的时间，可以对桥梁上通过的交通以及结构对交通的反应进行完整的描述。
3.2. 监测断面
为了评估桥梁的性能和表征在其上行驶的车辆，18个横截面上安装了应变传感器。在钢轨中，在8个区段（第S1至S4节和第S14至S17节）使用量规，4个区段靠近西桥台，4个区段靠近东桥台（见图3），每根钢轨2个，间距1.20 m。在该桥中，测量了10个北桁梁的钢筋截面，其中5个在支撑区上弦杆（截面S10至S13）和中跨（S6′）处，其余的在中下弦杆处
中心跨度区域（第S5至S9节）。在所有观察到的情况下，所使用的测量仪均为电阻传感器，除了第S6节中的电和光纤传感器。上弦部分的S6′对应于S6，仅配备光纤传感器。图3示出了桥梁仪表的布局。
监测计划还包括温度测量。在S5和S13节的钢表面上安装了两个传感器，标记为TS5和TS13，另外两个传感器用于评估这些节附近的空气温度（见图3）。
3.3. 应变和温度传感器
如图4（a）所示，所安装的电应变传感器（此处称为ES）由传统的12.7 mm长的箔式应变计组成，该应变计预粘在作为传感器支架的矩形环氧基上，并放置在其粘合面上。这些表面贴装式传感器已经嵌入了连接到传感网络以获取信号的电线，不需要在现场进行任何焊接操作。这些特性允许更快、更灵活地安装测量仪，确保更稳健、更安全的应用，并使其能够在恶劣的环境条件下附着。选择了用于传感器制造的箔式应变计，以保证在项目实施期间动态测量所需的精度和稳定性。
为本项目选择的光纤应变传感器具有光纤光栅保护，并在聚酰亚胺基片上支持。带有10 mm长光栅的裸光纤未固定在聚酰亚胺基上，因此可以直接自由地粘合在表面上进行评估。这些光纤应变传感器具有与普通箔式应变计相似的特性[23]。此后，光纤传感器将被称为OS。在图4（b）中，示出了应用于桥段的光纤传感器四个采用的温度传感器（TS）是铂电阻温度探测器Pt-100。
图3 18个仪表部分的位置和传感器相应分布
图4 结构中使用的传感器：a.电应变传感器b.光纤应变传感器
3.4. 安装程序
电气和光纤应变传感器的安装均按照以下程序进行：i）待测表面的制备，去除钢涂层和腐蚀痕迹，然后用水基溶液清洗，以消除灰尘和油脂；ii）传感器的连接通过施加机械压力，以确保适当的粘合接触；iii）保护传感器，防止水分进入和阳光直射，用柔软的丁基橡胶密封剂覆盖一薄层环氧树脂，并涂上铝带；iv）通过环氧漆保护传感器周围区域的钢材。所执行的应用在图5（a）和（b）中描绘。
3.5. 数据采集
用于从所有电子传感器获取信号的国家仪器的SCXIreg;测量装置trade; 被利用了。该记录器能够以适合动态观测的采样率连续记录读数。采集系统的控制应用由图形编程语言LabVIEWreg;完成，非常适合用户开发。
光纤传感器选用的询问系统是Micron Optics，Inc.开发的sm130-500型号。该设备集成了宽带光源、光谱分析仪和CPU单元，用于记录反射光谱。包含6个传感器的光纤，每个传感器具有不同的布拉格光栅波长，通过机械连接器串联到一根接插线上，从而形成一根待扫描的光分支。传感器的同时询问是通过波分复用实现的，在1520到1570纳米之间。
在目前的现场应用中，除温度传感器每隔5分钟测量一次信号外，所有传感器（包括电传感器和光纤传感器）的时间序列都是以100赫兹的扫描速率采集的。
4. 结果分析
4.1. 介绍
在两次不同的观测活动中，对铁路交通引起的桥梁结构响应进行了监测。第一次是在传感器安装完成后进行的。在此期间，出于安全原因，车速被限制在30公里/小时[24]。在第二个阶段中，在没有任何交通速度限制的情况下，采集数据，以便能够描述正常运行条件下的桥梁行为[25]。监测目的是观察不同铁路设置所造成的影响
图5 传感器安装a.在粘合过程中，第s6节的应变传感器ES6-1和OS6-1；b.第S9节中传感器ES9-1的最后安装程序
仪表点和区段的车辆，代表在两个方向上使用路线的客货列车。
分析的对象是实际交通的两个不同的列车通道，上述两个观察阶段各有一个。第一个对应于货物列车交叉口，以接近29 km/h的平均速度向西-东方向移动，被重新定位为通道a。一个机车、6辆敞篷货车和5辆油罐车组成38个移动轴。第二个是旅客列车交叉口，由一个机车和四节车厢组成，每节车厢预装四根车轴，以90公里/小时的速度向东西方向移动，称为B通道。
本节仅涉及上述监测活动期间收集的现场数据。实验结果与有限元估计的比较可以在其他地方找到[
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