激光三角變形測量技術在橋梁荷載試驗中的應用初探

由國文， 郭春紅， 弓俊青

(1.南水北調工程建設監管中心， 北京　100053；

2.國家工業建構筑物質量安全監督檢驗中心， 北京　100088)

激光三角變形測量技術在橋梁荷載試驗中的應用初探

由國文1， 郭春紅2， 弓俊青2

(1.南水北調工程建設監管中心， 北京100053；

2.國家工業建構筑物質量安全監督檢驗中心， 北京100088)

【摘要】本文主要介紹激光三角測量傳感技術，和在其基礎上研究開發的靜動態結構變形測試系統、數據采集和分析軟件在南水北調中線工程的跨渠橋梁荷載試驗中的應用。通過實際工程應用，來驗證該項技術的實用性，以及與其他傳統測量方法相比的優越性，可在實際工程中推廣應用。

【關鍵詞】激光三角； 變形； 測量； 無線傳輸； 應用

1概述

在水利工程、橋梁以及有關大型工程結構的荷載試驗、監測等過程中對變形的測試，原來主要以傳統電測法和振弦法為主，在實際應用中都存在很多不足，難以滿足重要建筑物測量精度的要求，主要缺點為：

a.振弦變形方法只能測一個時間點的數值，不能實現動態監測。

b.電測法的傳感器耐久性和穩定性較差，不能滿足長期監測的需要，容易損害，且易受電磁干擾，讀數不準確。

c.兩種方法的傳感器必須以接觸方式安裝在被測量的建筑上，由于安裝固定技術要求較高，往往難以達到既穩固又不破壞建筑物的要求，實際應用中常常會發生支頂松動或接觸點滑移等問題，致使測量產生較大的誤差，測試結果不可信。

d.兩種方法的傳感器電源和信號傳輸均采用有線方式進行，導線連接和安裝工作量較大，特別是更不利于高空作業，有些建筑物不具備架設導線的條件，要專門重新布設一套腳手架來實施，難度更大；同時，在野外測試中，電源和導線長都會嚴重制約測量和監測工作的開展。

鑒于傳統測量方法的諸多弊端，創新和改進測量技術就十分必要，特別是我國工程建設進入一個新的階段，水利、交通、鐵路領域施工工藝和技術日新月異，大型和超大型的建筑層出不窮，施工過程和運行過程中的測量和監測就尤為重要。在這種背景下，激光三角測量傳感技術應運而生，其有針對性地克服了傳統技術的弊端，研究開發具有系統自備電源、無線傳輸、免受干擾、精度高、耐久性和穩定性好、非接觸式測量等優點的靜動態結構變形測試系統，效果良好，開辟了工程結構變形測試技術新的領域。

2系統的組成和原則

系統開發按照實際工程測試要求，遵循以下原則進行設計：

a.實現無線傳輸，傳感器相互獨立，傳感器之間、傳感器與數據采集器之間無需導線連接，傳輸方式見圖1。

圖1　無線傳輸方式

b.要保持較高的采樣頻率，傳感器采樣頻率不低于50Hz。

c.要盡量實現建筑物現場無限通信全鋪蓋，確保無線通訊距離不小于400m。

d.器件環境溫度適應能力要強，可在-10~60℃的環境下工作。

e.自備工作電源持久性要好，電池持續工作時間不低于8h。

f.應用軟件要便于操作，要有針對性地專門開發變形測試軟件。

3應用系統開發

3.1無線傳輸系統構成

激光測距無線傳感網絡硬件系統由數據采集、傳輸中繼和上位機監測三部分構成。如圖2所示。

圖2　硬件系統

按照上述設計原則，該系統設計采集頻率不低于50Hz，數據直接存入緩存器，每采集5個數據發送一次，發送流程如下頁圖3所示。

數據接收端模塊作為協調器組建網絡，各采集節點并入網絡，一個數據包傳送后被收到就中斷一次，并反饋一個已收到的符號，再發送給上位機，接收流程如下頁圖4所示。

圖3　發送流程

圖4　接收流程

3.2無線傳輸系統技術解決方案

采用先分散后集中的結構布置設備，每個測點安裝一臺數據采集器，激光測距儀通過信號線與數據采集器相連；各個數據采集器采用ZigBee無線通信技術把位移數據傳輸給電臺，電臺通過USB線與監測主機相連，接收位移數據并進行集合、統一、處理、分析。

數據采集器采用微縮內嵌式計算機技術，微處理器及輔助設施集成在電路版。ZigBee無線通信模塊串連后與微處理器相連。使用微型鋰電池經電壓調整后也為激光測距儀提供電源。數據采集模塊把激光測距儀的電流信號轉換為電壓信號并進行濾波。數據采集器組成見圖5。

圖5　數據采集器組成

3.3無線傳輸系統硬件組成

圖6和圖7所示為終端模塊及其內部結構，信號接收端連接傳感器。監測主機如圖8所示。

圖6　終端模塊

圖7　終端模塊內部結構

圖8　監測主機

3.4無線傳輸系統軟件開發

在上述硬件的基礎上，研發了集數據收集、存儲、分析軟件為一體的軟件系統，軟件可實現傅里葉變換、頻譜分析，峰值搜索與圖形顯示等功能，實現現實情況的實時可視化。軟件數據采集界面及分析處理界面見圖9和圖10。

圖10　數據分析處理界面

4橋梁荷載試驗中的應用

該試驗高架橋全長924.496m，其中橋長866m，兩側引道長58.496m，橋寬10m，行車道凈寬9m。橋梁分跨情況為:25+4×30+3×35+20+4×35+3×30+4×30+3×30+(23+30+30+23)+25+25，上部結構有預制T梁、現澆箱梁、現澆T梁，其中30m和35m跨為預應力連續T梁(先簡支后連續)，25m跨為預應力現澆簡支箱型梁，20m跨為預制鋼筋混凝土簡支T形梁，23+30+30+23為預應力現澆連續箱型梁。下部結構為樁柱式，兩側橋臺為一字墻式、樁柱式橋臺。原設計荷載為汽超-20級(55t+20t)，雙向行駛兩個車道。此次測試的范圍為：3×35m聯邊跨(第八孔)和20m跨(第九孔)的主梁。測試待測橋跨控制截面在試驗荷載作用下的撓度。

4.1豎向變形測點布置

分別在20m和35m跨梁的跨中布置豎向變形測點，測點位置和編號見圖11和圖12。

圖11　20m跨跨中豎向變形測點

4.2試驗荷載

此次試驗采用4×8重載車作為試驗加載車輛，

圖12　35m跨支座處豎向變形測點

加載車軸距如圖13所示。靜載試驗共使用6輛車，分三級進行加載，具體為：第一級：單車總重為55t級；第二級：單車總重為70t級；第三級：單車總重為80t級。經稱重計量后，各輛車的總重量見表1。

圖13　試驗加載車輛

表1　加載車輛重量匯總　單位：t

試驗時，按照不同的工況進行加載，每級荷載共分兩種工況，分別為：

a.工況1：35m跨跨中偏載最大彎矩，該工況加載車輛輪位如圖14所示。

b.工況2：20m跨跨中偏載最大彎矩，該工況加載車輛輪位如圖15所示。

圖14　工況1加載輪位示意圖

圖15　工況2加載輪位示意圖

4.3試驗結果

在各級荷載作用下，各測點豎向變形測試數據見表2。20m跨和35m跨跨中撓度隨加載比例變化曲線見圖16。20m跨1號主梁和2號主梁跨中撓度實測值與理論值對比曲線見圖17和圖18，35m跨1號主梁和2號主梁跨中撓度實測值與理論值對比曲線見圖19和圖20。

表2　豎向變形測試數據

35m跨和20m跨邊梁(1號主梁)和中梁(2號主梁)在第三級荷載作用下實測撓度值與計算撓度值、殘余變形值與實測撓度值比較見下頁表3。

圖16　20m跨和35m跨跨中撓度隨加載比例變化曲線

圖17　20m跨(1號主梁)跨中撓度實測值與理論值對比曲線

圖18　20m跨(2號主梁)跨中撓度實測值與理論值對比曲線

圖19　35m跨(1號主梁)跨中撓度實測值與理論值對比曲線

圖20　35m跨中梁(2號主梁)跨中撓度實測值與理論值對比曲線

表3　實測值與計算值比較

通過分析測試數據，得出以下結論：

a.從圖16可以看出，撓度隨加載比例的增加基本呈線性關系。從圖17和圖18可以看出：20m跨1號主梁的實測撓度基本接近理論計算撓度，2號主梁在第二、第三級荷載用作下，實測撓度已超過理論計算撓度。從圖19和圖20可知：35m跨1號和2號主梁的實測撓度均小于理論計算撓度。

b.從表3可以看出，20m跨主梁實測撓度與計算撓度比值均大于1，說明結構各部分連接性較差，剛度較低，不滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》規定的要求。35m跨主梁實測撓度與計算撓度比值均小于1，滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》規定的要求。

c.20m跨主梁和35m跨主梁相對殘余變形(殘余變形值/實測撓度值)均未超過20%；結構的最大變形(撓度)與跨長之比未超過規范規定的1/600。

5結論

a.本文所介紹的激光三角變形測量無線傳輸系統，該系統測量結果更精確，抗干擾能力強，性能更加可靠穩定，同時該系統結構簡約，易于安裝和操作，便于運輸，特別是環境適應性強，能夠滿足測試環境條件較差、安裝布置困難、數據傳輸難度大的測試環境。

b.無線傳輸系統軟件功能齊全、人機互動界面良好。分析軟件可實現傅里葉變換、頻譜分析等使用性強的功能，不僅能完全滿足工程變形測量的要求，更便于操作。

c.工程應用結果表明：該測試系統測試結果精度高，穩定可靠，性能上完全超越原來傳統的測試方法，可以在實際工程中推廣應用。

參考文獻

[1]朱尚明，葛運建.激光三角法測距傳感器的設計與實現[J].工業儀表與自動化裝置，1998(2)：56-58.

[2]謝強,薛松濤. 土木工程結構健康監測的研究現狀與進展[J]. 中國科學基金,2001(5) :285-288.

[3]惠云玲.工程結構安全診治技術與工程實例[M]. 北京:中國建筑工業出版社,2009:213-216.

[4]DBJ 01-1—1992 預制混凝土構件質量檢驗評定標準[S].

[5]GB 50204—2002 混凝土結構施工質量驗收規范[S].

中圖分類號：TV52

文獻標志碼：A

文章編號：1005-4774(2015)02-0039-06

Application of Laser Triangulation Deformation Measurement
Technique in Bridge Load Test

YOU Guo-wen1, GUO Chun-hong2, GONG Jun-qing2

(1.South-to-NorthWaterDiversionProjectConstructionSupervisionCenter,Beijing100053,China;

2.NationalIndustrialBuildingsandStructuresQualitySafetySupervisionandInspectionCenter,Beijing

100088,China)

Abstract：In the paper, laser triangulation measurement sensing technique, and application of static and dynamic structural deformation test system, data acquisition and analysis software developed on the basis in load test of bridge across the canal for South-to-North Water Diversion midline project are mainly introduced. Usefulness of the technique and its advantages compared with other traditional measurement methods are verified through practical engineering, and the technique can be promoted and applied in practical engineering.

Keywords：laser triangulation; deformation; measurement; wireless transmission; application