基于壓力參考法的撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用

柴 方 何 澤

(1.云南云嶺高速公路工程咨詢有限公司，云南 昆明 650200； 2.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

·橋梁·隧道·

基于壓力參考法的撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用

柴 方1,2何 澤1

(1.云南云嶺高速公路工程咨詢有限公司，云南 昆明 650200； 2.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

將基于壓力參考法的撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際中，論述了該系統(tǒng)的基本原理及系統(tǒng)的構(gòu)成，并將其應(yīng)用到了云南保龍線高黎貢山大橋，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與人工變形觀測(cè)及定期檢查報(bào)告進(jìn)行對(duì)比分析，指出該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)能真實(shí)的反映橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，具有很好的實(shí)用性。

壓力傳感器，連通管，撓度測(cè)量，人工變形觀測(cè)

0 引言

近年來(lái)，各地出現(xiàn)大量的橋梁安全事故，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。橋梁在建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期的安全問(wèn)題令人擔(dān)憂，這些災(zāi)難性的事件使我們意識(shí)到對(duì)橋梁建設(shè)、運(yùn)營(yíng)直至最終報(bào)廢的整個(gè)過(guò)程建立橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)與性能進(jìn)行安全性評(píng)估研究的重要性。通過(guò)對(duì)建設(shè)期、營(yíng)運(yùn)期橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，可以達(dá)到保證橋梁在整個(gè)全壽命過(guò)程中的安全運(yùn)營(yíng)，避免其安全事故發(fā)生的目的，同時(shí)可以為橋梁的維護(hù)、維修和管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 撓度測(cè)量方法

橋梁的撓度變形是評(píng)價(jià)橋梁健康狀況的重要指標(biāo)，以人為主的橋梁位移測(cè)量方法有：百分表(尺)、千分表(尺)、精密水準(zhǔn)儀、全站儀、線性差動(dòng)變壓器法(LVDT)等，這些方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，已被廣泛用于橋梁檢測(cè)及驗(yàn)收鑒定中，然而傳統(tǒng)的測(cè)量方法受氣候、橋梁地形等影響，測(cè)量精度受人為誤差的影響較大，整體性、實(shí)時(shí)性較差，還影響正常的交通[1，2]。隨著橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究了許多撓度測(cè)量的方法，比如激光多普勒測(cè)振儀、傾角儀法、GPS撓度測(cè)量法、張力線撓度測(cè)量法[3]、微波干涉儀(Microwave Interferometer)測(cè)量法等，這些監(jiān)測(cè)方法克服了人工測(cè)量的不足，實(shí)現(xiàn)了在線自動(dòng)測(cè)量。但上述方法都有一定的局限性，傾角儀法要求安裝時(shí)的軸線與橋軸線平行[4，5]；GPS在橋梁豎向位移的精度較低，僅適用于特大跨徑的懸索橋和斜拉橋等[4，6]；張力線法合理選取張力線材料一直是個(gè)難點(diǎn)，監(jiān)測(cè)距離有限[7]。

針對(duì)上述撓度測(cè)量系統(tǒng)的不足，開(kāi)發(fā)了一種半封閉式的、基于壓力參考法的橋梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本文對(duì)該系統(tǒng)的原理、系統(tǒng)的組成、工程應(yīng)用及數(shù)據(jù)的對(duì)比分析等方面進(jìn)行論述。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

橋梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由高精度壓力傳感器、DTU、半封閉連通管、485總線、大容量水箱、計(jì)算機(jī)(包括本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理軟件、帶無(wú)線通訊的GPRS或3G終端)、排氣裝置等組成(見(jiàn)圖1)。數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)由集中控制器完成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合DTU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 基本原理

將連通器的一端固定在相對(duì)穩(wěn)定位置，另一端安裝于監(jiān)測(cè)位置，連通管內(nèi)的液面保持不變，當(dāng)橋梁發(fā)生豎向位移時(shí)，監(jiān)測(cè)位置會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)處的壓力差發(fā)生變化，通過(guò)采集橋梁變形前后傳感器壓力差信號(hào)，便可得到橋梁的撓度變形(見(jiàn)圖2)。

根據(jù)圖2幾何關(guān)系可以得出以下式子：

L=h2-h1

(1)

Pi=ρghi(i=1,2，…，n)

(2)

(3)

(4)

(5)

Δhi2=Δhi1-L

(6)

如果以壓力傳感器2所在的水平位置作為參考水平線，由于測(cè)量數(shù)據(jù)是一個(gè)隨時(shí)間變化的時(shí)間序列，假設(shè)在整個(gè)撓度監(jiān)測(cè)過(guò)程中，基準(zhǔn)點(diǎn)的位置都保持固定，則每個(gè)測(cè)點(diǎn)在任意時(shí)間段的撓度就可以由該時(shí)間段的起止時(shí)刻的相對(duì)位移之差得到，如式(7)所示。

(7)

3 工程應(yīng)用

基于壓力參考法撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被應(yīng)用于云南保龍高速某連續(xù)剛構(gòu)橋梁上，該橋橋長(zhǎng)375 m，橋梁孔徑布置為(95+165+95)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)采用直腹板的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，箱梁結(jié)構(gòu)為單箱單室斷面。

3.1 傳感器布置

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置于該橋右幅箱梁內(nèi)，橋墩處設(shè)置兩個(gè)高精度壓力傳感器，主跨1/4截面、1/2截面、3/4截面分別設(shè)置一個(gè)高精度壓力傳感器(見(jiàn)圖3)。

3.2 人工變形觀測(cè)布置及測(cè)量結(jié)果

人工變形觀測(cè)主要采用拓普康ES-101系列全站儀對(duì)構(gòu)造物觀測(cè)點(diǎn)的平面位移觀測(cè)，中緯水準(zhǔn)儀觀測(cè)構(gòu)造物觀測(cè)點(diǎn)的沉降變形。該橋左右幅都布置了觀測(cè)點(diǎn)，具體布置見(jiàn)圖4。

圖5，圖6為2009年，2013年，2014年觀測(cè)到的數(shù)據(jù)。

3.3 撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

橋梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝到該橋上后，我們對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有效性進(jìn)行了考核，表明系統(tǒng)能夠自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程傳輸和自動(dòng)處理數(shù)據(jù)。本文選取2013年8月16日～2014年5月22日期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)情況來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性。

橋梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集頻率為30 min/次，以2013年8月16日數(shù)據(jù)的平均值為基準(zhǔn)點(diǎn)，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)點(diǎn)做差，分析橋梁各監(jiān)測(cè)截面撓度變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖7)。

根據(jù)圖7分析可知(2013.8.16～2014.5.22)：

1)從長(zhǎng)期運(yùn)行角度看：基于壓力參考法的撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、處理及傳輸功能，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

2)分析各截面撓度變化趨勢(shì)圖可知：三截面撓度變化趨勢(shì)基本一致。

a.1/4截面：2013.8.16～12.12期間下?lián)狭侩S時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，2013.12.13～2014.5.22期間撓度變化平穩(wěn)并趨于穩(wěn)定，相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)累計(jì)下?lián)霞s11 mm。

b.1/2截面：2013.8.16～12.12期間下?lián)狭侩S時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，變化速率比1/4截面變化速率大，2013.12.13～2014.5.22期間撓度變化平穩(wěn)并趨于穩(wěn)定，下?lián)狭勘?/4截面大，相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)累計(jì)下?lián)霞s20 mm。

c.3/4截面：撓度變化波動(dòng)比上面兩個(gè)截面小，下?lián)狭侩S時(shí)間的增長(zhǎng)緩慢增加，相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)累計(jì)下?lián)霞s5 mm。

對(duì)比分析人工變形觀測(cè)結(jié)果可知：基于壓力參考法的撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的撓度變化與人工變形觀測(cè)測(cè)量結(jié)果基本一致(見(jiàn)表1)。表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能真實(shí)的反映橋梁的運(yùn)營(yíng)狀況，能為橋梁的養(yǎng)護(hù)決策提供技術(shù)支撐。

表1 數(shù)據(jù)對(duì)比分析 mm

4 結(jié)語(yǔ)

將基于壓力參考法的撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際橋梁上，并和人工變形觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化、可靠的獲取橋梁各監(jiān)測(cè)截面撓度變化數(shù)據(jù)，能有效反映橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，具有很好的實(shí)用性且該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。隨著大量連續(xù)剛構(gòu)特大橋的建設(shè)，該系統(tǒng)可在已運(yùn)營(yíng)通車連續(xù)剛構(gòu)特大橋推廣使用，實(shí)時(shí)反映橋梁關(guān)鍵截面的撓度變化情況，若主跨跨中持續(xù)下?lián)现僚R界值，可及時(shí)預(yù)警，通知相關(guān)養(yǎng)護(hù)單位，對(duì)橋梁進(jìn)行養(yǎng)護(hù)加固處治，消除安全隱患，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，且連續(xù)的多元的主跨跨中實(shí)際撓度數(shù)據(jù)大量積累后，可有望摸索出主跨跨中下?lián)系囊?guī)律，有重要的研究?jī)r(jià)值，為根治連續(xù)剛構(gòu)主跨跨中下?lián)咸峁┯辛Φ幕A(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

[1] 藍(lán)章禮，張 洪，周建庭.基于激光和視頻的橋梁撓度測(cè)量新系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009,30(11)：2405-2410.

[2] 王 磊.大型橋梁健康監(jiān)測(cè)中撓度測(cè)量技術(shù)研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[3] 藍(lán)章禮，楊小帆.非接觸式張力線橋梁撓度測(cè)量系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008,29(5)：1058-1062.

[4] 楊建春，陳偉民.橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].傳感器技術(shù)，2004,23(3)：1-5.

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Application of pressure referenced method for deflection monitoring system in bridge

Chai Fang1,2He Ze1

(1.YunnanYunlingHighwayEngineeringConsultNGCo.,Ltd，Kunming650200,China; 2.CollegeofTraffic&Transportation,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

This thesis is prepared on basis of the practical effect of the pressure referenced method for deflection monitoring system, describing the basic principle and compositions of this system, which has been applied to Gaoligong mountains bridge at Baolong, Yunnan province, then the monitoring results are compared with manual deflection observation and periodical inspection reports, it shows the data produced and monitored in this system can truly reflect the bridge structure situation change and with well feasibility.

pressure sensor, connected pipe, deflection monitoring, manual deflection observation

1009-6825(2015)07-0159-03

2014-12-23

柴 方(1985- )，女，在讀工程碩士； 何 澤(1984- )，男，碩士，工程師

U446.2

A