基于伺服式傾角儀的橋梁撓度和轉角監測技術的研究

何先龍

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080）

（作者電子信箱：何先龍：hxl4128＠163．com）

由于塌橋事故的不斷出現，各國對橋梁健康監測逐步重視起來。橋梁撓度和轉角是橋梁常規檢測和健康監測的重要內容，是橋梁健康狀態評估的重要指標。雖然現在存在多種測試橋梁動撓度的設備，但是都無法用來長期在線監測一些橋梁的動撓度，特別是橫跨較寬江面或深峽谷的大跨度橋梁的動撓度。目前由于沒有成熟的、高精度的轉角儀器可測試梁端轉角，主要是基于測試出的撓度來換算出梁端轉角，存在較大誤差。在此背景下，本論文研究基于伺服式傾角儀來實現在線同時監測橋梁的動撓度和梁端轉角。為此本文主要做了以下幾個方面的工作：

（1）分析了基于傾角儀監測橋梁動撓度和梁端轉角的可行性。本文對各種橋梁撓度和梁端轉角測試技術從原理上進行了分析，指出了各種方法的不足與優勢。基于傾角儀測試撓度的方法從原理上看，相比其他方法，可以同時測試撓度和轉角，且不需要靜態的參考點和安裝方便等優點，可用于對橋梁的動撓度和梁端轉角進行長期在線監測。

（2）建立了由轉角計算梁式橋梁撓度的數學模型，分析了傾角儀的優化布置。基于傾角儀測試撓度的方法是一種間接測試撓度的方法，因此，需要基于所測試橋梁的結構特點，建立相應數學模型來逼近橋梁的撓度曲線函數，然后基于若干測點的轉角計算出所測跨的撓度。數學模型能否很好地逼近真實撓度曲線函數直接影響到此方法的測試精度。本文從下面3個準則出發來研究用傾角儀測試梁式橋梁的撓度時，傾角儀的優化布置和數學模型的建立：

（a）使用更少的傾角儀；

（b）重要位置的撓度計算結果誤差要小于5%；

（c）基于數學模型計算撓度的計算效率要高，能滿足在線計算的要求。

基于以上3條準則，本文通過對一座簡支箱梁的有限元分析，提出了采用5臺均勻布置的傾角儀和由簡單的離散正交多項式函數組構成的數學模型1來測試梁式橋梁的撓度和轉角的方法，即采用5臺傾角儀分別布置在所測跨的兩橋墩附近、L／4、L／2、3L／4處時，以后基于這5個測點的轉角由數學模型1計算出所測試跨的撓度曲線。為了檢驗此方法的可靠性，本文通過對一座預應力混泥土連續箱梁主跨在不同受力情況的撓度和轉角的分析，檢驗了用此方法測試連續箱梁的撓度也是可行的。

（3）建立了由轉角計算復雜結構橋梁撓度的數學模型和分析了傾角儀的優化布置。本文基于簡單的離散正交正弦和余弦函數建立用于逼近復雜結構橋梁撓度曲線函數的數學模型2，推導了此數學模型的求解方法，然后通過對一座中承式拱橋和一座獨塔式斜拉橋的有限元分析，檢驗了數學模型2的可靠性，分析了傾角儀的優化布置。

（4）綜述了小波分析和小波提升分解理論。本文概述了小波分析的基本理論和推導了小波提升分解步驟。由于傳統小波分析需要在時域和頻域進行大量的計算，無法滿足工程上對小波在線分析的需求，而小波提升分解只在時域進行，提高了小波分析的計算效率，可滿足對工程測試信號進行小波在線分析的要求。

（5）研究了如何基于小波提升分解從QY傾角儀輸出信號里提取出有用的轉角信號。QY傾角儀是一種高精度的伺服式傾角儀，但是當動態荷載經過橋梁時，QY傾角儀既能感應到橋梁豎向轉角，也能感應到橋梁的縱向振動加速度。因此，需要從QY傾角儀輸出信號里消除縱向振動加速度信號，才能得到橋梁的豎向轉角信號。本文提出采用小波提升分解技術來實現在線、快速地提取出豎向轉角信號。

（6）通過實際橋梁撓度測試的對比實驗來檢驗本文研究結果的可靠性。為了在實際測試中檢驗本文建立的兩個數學模型和轉角信號提取方法的可靠性，本文首先基于研究結果開發出實物G01NET橋梁撓度測試和監測系統，然后采用此系統分別做了以下幾個實驗：

（a）簡支梁的靜態撓度測試對比實驗；

（b）連續鐵路橋梁的靜態撓度測試對比實驗；

（c）預應力混泥土簡支箱梁的動態撓度測試對比實驗；

（d）預應力混泥土連續箱梁的動態撓度測試對比實驗；

（e）下承式拱橋的動態撓度測試實驗。

通過以上幾個實驗，很好地在實際測試中檢驗了本文研究結果的可靠性，表明了基于本文研究結果所開發的實物G01NET橋梁撓度測試和監測系統可用于實際撓度和轉角的測試或監測中。