铁路桥梁静载试验自动控制装置的研制

第60卷第12期2016年12月铁道标准设计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.60 No.12Dec.2016文章编号：1004 2954 (2016 )12 0054 07铁路桥梁静载试验自动控制装置的研制孙金更(中国铁道科学研究院标准计量研究所，国家铁路产品质量监督检验中心，北京100081)摘要:静栽试验是铁路预制梁在产品认证、批量生产中的重要检验手段，试验需多台千斤顶同时加栽运行，需要 的工作人员多、千斤顶同步加栽精度控制困难。

介绍一种集加栽、检测、记录等功能为一体的自动控制系统，并具 备远程实时监控、试验数据及现场图像实时上传等功能；大量节省试验人员数量的同时，提高试验的精度，具有一 键启动完成计算、加栽试验、出具试验报告等功能，实现铁路桥梁静栽试验的全过程自动化、数据化和信息化，满足 桥梁质量控制和铁路建设信息化管理需求。

关键词：铁路桥梁；预应力混凝土梁；静栽试验；自控装置中图分类号:U446. 1文献标识码:A D O I：10.13238/j.issn.1004-2954. 2016. 12. 013The Development of Automatic Control Device for Railway Bridge Static TestSUN Jin-geng(Quality Super^^ision and Inspection Center for Railway Products，Standard and MetrologyResearch Institute，China Academy of Railw-ay Science，Beijing 100081，China)Abstract：The static test is an essential test method for railway prestressed concrete beam in product certification and mass production. The test requires multiple jacks to load simultaneously and more staff，and it is difficult to maintain accurate synchronized jack loading. This paper introduces an automatic control system with integrated loading，detecting and recording，and fulfills real-time remote monitoring，test data and site images uploading and other functions. It requires less test personnel，improves test accuracy，and completes calculation，load test and test reporting simply by one-button start. As a result，whole process automation，digitization and informatization in railway bridge static test are realized and the requirements for bridge quality control and railway construction informatization management are satisfied.Key words：Railway bridge; Prestressed concrete beam；Static test; Automatic control device1概述截至2015年底，中国铁路营业里程达12. 1万 km,高铁运营里程达1.9万km。

高速铁路桥梁所占线路全长比例在55%以上,随着“十三五”高速铁路建 设规模扩大,桥梁用量将大幅增加。

以京沪高铁为例,桥梁占线路全长的80%以上，正线桥梁244座，总长 1 061 km。

其中最常用的跨度32 m双线整孔简支梁 共计27 973孔,全线简支梁桥总长达956 km，占桥梁总 里程的90%以上[| 3]。

高铁采用“以桥代路”是为了保 证线路的高平顺性、高稳定性、高精度、小残变及少维收稿日期：2016 10 10;修回日期：2016 10 19基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划（2015D001-A)作者简介：孙金更（1956—），男，高级工程师，工程硕士，硕士生导师, E-m ail：sunjingeng@163. com。

修等特性，不仅避免了路基沉降周期、大大缩短建设工 期,而且减少耕地的占用，节约了土地资源。

高架立交 保证了高速通行，以满足高速铁路运营密度大、运行速度高、舒适度要求高的需要。

目前我国正加紧“八纵八横”高速铁路网建设，高 速铁路桥梁设计使用年限为100年，桥梁质量直接关 系到铁路运营安全。

因此，桥梁技术是铁路建设的核 心，桥梁质量是线路质量安全的基本保障，其安全性及不易更换性至关重要，故我国铁路桥梁生产实行国家生产许可证制度管理，而静载试验是评定桥梁使用性 能的唯一技术手段[46]。

目前国内传统静载试验还停 留在加载、读数、检测、判定均为人工操控的落后状态,存在因装备技术落后导致的人为因素大、加载及判定 偏差大、占用人数多等问题[78]。

第12期孙金更一铁路桥梁静载试验自动控制装置的研制55加音块供电、加载指令-荷载值I荷载值，电$电 g电巧电 《电-荷载值-图3加载模块结构原理示意2. 3荷载检测模块荷载检测模块由数字式测力传感器、数字仪表、RS485串口集线器组成。

压力传感器位于加载模块机 械部分底部。

因轮辐式剪力传感器的外加荷载作用在 轮毂的顶部和轮缘的底部，在轮缘和轮毂的轮福上受体化装置，按照主控模块发送的加载指令进行自动加 载，为测量各加载等级下的挠度、裂缝、校核数据提供 条件。

确保加载的同步、平衡和准确、稳定，是静载试 验检验的先决条件。

本装置以电动机械千斤顶代替了传统的液压千斤 顶。

由电动机、减速器、机械千斤顶、底垫板、万向压帽 组合为一体构成加载机械部分;变频器、加载程序构成 加载控制部分;加载控制部分安装在主控机柜。

机械 部分、控制部分与荷载测量设备构成一个完整的自动 加载闭环结构。

课题组最新研制的电动机械千斤顶不但避免了液 压系统的高压泄漏，而且解决了各试验等级静停结束 时，在静止状态下的高荷载启动;课题组最新研制的荷 载传感器采用轮辐式压力传感器，具有荷载检测与校 核/监控双功能；电动机械千斤与双功能荷载传感器组 合为一体机，减小了其安装高度，增大了抗倾覆性，并满足既有试验台反力架的设计安装高度。

加载开始由加载程序发送控制指令给变频器，变 频器输出一定频率的工作电压给电动机械千斤顶，电 动机械千斤顶开始加载;加载程序同时读取所有测力 传感器的荷载值，并计算各传感器荷载值与理论加载 值之间的差值;根据差值发送不同参数的控制指令给 变频器，变频器根据指令的不同调整输出电压频率，进 而调整电动机械千斤顶的加载速度，保证加载过程的 同步、平衡。

加载模块工作原理见图3。

-荷载值-荷载值^荷载值供电供电 供电供电供电RS 485串口集线器RS 485串口集线器因此，研制铁路桥梁静载试验自动控制装置，实现 试验全过程自动化、数据化和信息化，推进试验的标准 化和规范化，对高铁桥梁质量监控意义重大[911]。

故 纳入中国铁路总公司2015年重点科研课题。

2总体方案设计静载试验自动控制装置采用模块化设计，分为主控、加载、校核、挠度测量、荷载测量、裂缝检测、铁路工 程管理平台数据传输、安全应急及报警8个模块。

组 成结构示意见图1。

BIM 数据传输模块精轧螺纹钢竖拉杆安全应急及报警模块图1总体组成结构示意2. 1主控模块主控模块是依据《预应力混凝土铁路桥简支梁静载弯曲试验方法及评定标准》（TB /T 2092—2003)(以 下简称:《静载试验标准》）进行设计。

主控模块是自 控装置的核心，通过通讯接口与各模块进行数据交互， 按照自动生成的计算单及预设程序自动实现试验流程 控制、数据检测及计算处理、结果合格判定、试验数据 实时上传及下载、安全应急报警等功能。

主控模块自动远程下载或读取系统预存的试验梁 参数，并根据试验梁参数自动计算生成《静载试验计 算单》;一键“开始”后，自动完成静载试验全过程。

加 载过程中，荷载、挠度、裂缝检测及校核模块将采集的 检测数据实时传送到主控模块；主控模块按照预定算 法进行计算、分析、判断和输出显示，将数据存储至本 地数据库、上传到远程铁路工程管理平台，试验完毕时 自动打印完整的试验报告。

主控模块结构示意见 图 2。

主控系统总体架构1挠度系统11裂缝系统11 1^ 485集线器H 加载系统11__1____f数据上传卜因特网一1载荷系统H 485集线器H 主控系统^-------i------i1 加裁报螯|校核系统|-------1 |供电系统h |打印机|预报系统图2主控模块结构示意2.2加载模块加载模块是为整个静载试验提供加载力的机电一6号 变频器7号变频器8号变频器9号 变频器10号变频器1号2号3号4号5号变频器变频器变频器变频器变频器6号7号8号9号10号组合体组合体组合体组合体组合体电机电机—电机电机电机千斤顶千斤顶千斤顶千斤顶千斤顶传感器传感器传感器传感器传感器1号2号3号4号5号组合体组合体组合体组合体组合体电机电机—电机电机电机千斤顶千斤顶千斤顶千斤顶千斤顶传感器传感器传感器传感器传感器指令一文件丄主控一模块丁56铁道标准设计第60卷到纯剪切力，故具有线性好、对力作用点不敏感、抗侧 向和过载能力强等优点。

压力传感器的精度应不低于C 级，显示仪表最小分度值不大于加载最大量值的1%，示值误差应为±0.5% F .S 。

电动机械千斤顶与轮 辐式双功能传感器组合体如图4所示。

图4电动机械千斤顶及轮辐式传感器在加载过程中，荷载检测模块负责米集、处理、显 示压力传感器的实时荷载检测值并发送给加载模块和 主控模块。

加载模块以接收到的实时荷载值作为调整 加载速度、加载量的计算参考数据;判断加载模块提供 的实际加载值与《静载试验计算单》所计算的理论加 载值之间的误差是否在规定的范围内，保证各加载点 对跨中产生的总弯矩值与理论计算弯矩值之差小于等 于1%;主控模块将实时加载值及对应误差值输出到 显示屏显示。