基于ZigBee的貝雷橋變形監(jiān)測(cè)研究

鐘勝華，何 鳳 ，鄧樹密

(1. 成都交投智慧停車產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，四川成都 610042； 2.中國(guó)水利水電第十工局有限公司, 四川成都 610072)

為保證橋梁運(yùn)營(yíng)安全，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中橋梁撓度和橋墩水平位移監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。傳統(tǒng)意義上的工程變形監(jiān)測(cè)通常采用水準(zhǔn)儀、全站儀、激光撓度儀等方法人工操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且數(shù)據(jù)處理結(jié)果在時(shí)間上具有一定的滯后性。相關(guān)研究表明，基于智能型測(cè)量的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、實(shí)用性強(qiáng)、高效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)等特點(diǎn)。并且，測(cè)量人員可以在計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)特定需求的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程變形體的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)[1-3]。本文結(jié)合錦城廣場(chǎng)P+R地下停車場(chǎng)項(xiàng)目2×21 m貝雷梁的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)工程實(shí)例，對(duì)基于ZigBee技術(shù)傳輸技術(shù)、系統(tǒng)組成和實(shí)現(xiàn)方法等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究和探討。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

P+R地下停車場(chǎng)項(xiàng)目位于繞城高速以北、錦悅東路以南、天府大道以東、繞城高速天府收費(fèi)站以西，為地鐵29號(hào)線、16號(hào)線、18號(hào)線換乘綜合樞紐，并以地下通道與地鐵1號(hào)線錦城廣場(chǎng)站相連。該橋全長(zhǎng)為2×21m=42m，橋面寬為9 m(2.5 m寬人行道+4.0 m寬車行道+2.5 m寬人行道)，由13片加強(qiáng)型貝雷梁組成。橋面分配梁采用I28a工字鋼，間距75 cm。橋面分配梁上方通過(guò)縱向10號(hào)槽鋼對(duì)扣焊接，橫橋向間距25 cm，最上層為1 cm厚花紋鋼板。貝雷梁支撐在下橫梁(雙拼45號(hào)工字鋼)上，其中0#、1#采用φ630×10鋼管樁，2#支撐在條形基礎(chǔ)上。橋梁立面見(jiàn)圖1，平面見(jiàn)圖2。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

貝雷梁無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要利用ZigBee技術(shù)，通過(guò)使用位移傳感器采集貝雷梁撓度和橋墩的水平位移數(shù)據(jù)，對(duì)貝雷梁進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。貝雷梁無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括無(wú)線傳感器、路由器、協(xié)調(diào)器、設(shè)備、短信報(bào)警設(shè)備和監(jiān)測(cè)軟件。無(wú)線傳感器主要包括LTDV位移傳感器采集撓度和水平位移。無(wú)線傳感器設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻模塊發(fā)送至路由

圖1 貝雷梁立面

圖2 貝雷梁平面

器，路由器將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232 串口傳輸至GRPS設(shè)備，GRPS設(shè)備通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送至監(jiān)測(cè)軟件中，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，存儲(chǔ)和報(bào)警。智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)安裝快捷便利，該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線接收數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)做到歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可查，操作簡(jiǎn)便，功能直觀，提高了工作效率。其功能構(gòu)成示意圖見(jiàn)圖3。傳感器系統(tǒng)包括：LTDV位移變形測(cè)量測(cè)量范圍：0～5 cm，分辨力可達(dá)0.01 mm，精度為0.01 mm。通信設(shè)備包括：通信基站和通信中繼站；軟件系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)庫(kù)軟件和監(jiān)測(cè)軟件。見(jiàn)圖4～圖7。

圖3 貝雷梁變形在線檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

3 監(jiān)測(cè)方案

圖4 無(wú)線通訊基站設(shè)備

圖5 通訊天線、攝像頭 和告警喇叭

圖6 現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)安裝

圖7 無(wú)線通訊基站設(shè)備

3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及安裝

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選取遵循傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的原則，監(jiān)測(cè)內(nèi)容能覆蓋結(jié)構(gòu)評(píng)估的要求。根據(jù)以上原則，考慮到支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合支架實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表1。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖8。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

圖8 測(cè)點(diǎn)布置

3.2 監(jiān)測(cè)頻率

高支模監(jiān)測(cè)時(shí)間為錨桿支護(hù)施工開(kāi)始至錨桿支護(hù)完畢。監(jiān)測(cè)頻率為每10 min/次 。

3.3 監(jiān)測(cè)閥值確定

采用Midas Civil建立空間有限元模型，模型中均為梁?jiǎn)卧?jì)算跨徑為21 m，采用加強(qiáng)型貝雷梁(上下弦桿加強(qiáng))，橋跨為9 m，共13片加強(qiáng)型貝雷梁。橋面通過(guò)I28a工字型分配梁與貝雷梁連接。貝雷片通過(guò)下層雙拼的I45工字鋼，傳力到鋼管樁上。人群活載通過(guò)虛擬梁均布加載于全跨，汽車活載通過(guò)分配梁分配到貝雷梁片上。0#、1#支撐在鋼管樁上，并考慮樁土效應(yīng)，2#支撐在條形基礎(chǔ)上。全橋共6 834個(gè)節(jié)點(diǎn)，10 527個(gè)單元。模型計(jì)算中考慮0#、1#及2#處支撐豎桿采用C10槽鋼進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，除端部采用標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行各片貝雷梁的拼接外，在車行道下側(cè)的貝雷梁底部采用C10槽鋼進(jìn)行橫向聯(lián)系的加強(qiáng)。計(jì)算中認(rèn)為橋面分配梁與貝雷片可共同傳力(采用U形螺栓連接)。根據(jù)計(jì)算要求，貝雷梁橋需通行100 t汽車荷載。Midas整體計(jì)算模型見(jiàn)圖9所示，在活載作用下的桿件變形圖見(jiàn)圖10。

圖9 Midas Civil 整體計(jì)算模型

(a)變形圖1

(b)變形圖2圖10 活載作用下貝雷梁變形

本文將貝雷梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行位移分級(jí)、分目標(biāo)預(yù)警，對(duì)每一監(jiān)測(cè)方向，采用分級(jí)預(yù)警方式。一級(jí)預(yù)警值設(shè)立原則為貝雷梁所承受荷載超設(shè)計(jì)荷載100 %，二級(jí)預(yù)警值設(shè)立原則為鋼管腳手架所承受荷載達(dá)到支架極限荷載80 %。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，以上臨界荷載值所對(duì)應(yīng)貝雷梁撓度和橋墩的縱向水平位移。應(yīng)變閥值確定按照構(gòu)件在活載最不利荷載組合下，撓度為30 mm，水平位移閥值取為2 mm。當(dāng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目超過(guò)其警戒值時(shí)，必須迅速停止車輛運(yùn)行，查明原因后方可繼續(xù)運(yùn)行。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

為了分析貝雷梁撓度和墩頂水平位移，對(duì)貝雷梁和橋墩安裝了4個(gè)LTDV位移傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試軟件顯示如圖11所示。通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)1個(gè)月見(jiàn)表2。

圖11 貝雷梁撓度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)貝雷梁撓度，貝雷梁測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)谝惶?4 h內(nèi)(2019-8-19)，在運(yùn)行條件下的最大撓度25.6 mm，橋墩水平位移為2.92 mm，均小于安全預(yù)警值，表明橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下結(jié)構(gòu)處于正常工作狀態(tài)。同時(shí)，結(jié)合圖9可知，在3個(gè)月的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，撓度和水平位移峰值(最大撓度峰值為39 mm，最大水平位移3.21 mm)超過(guò)安全預(yù)警值，通過(guò)視頻發(fā)現(xiàn)，有超載車輛通行橋梁并通過(guò)警報(bào)器報(bào)警后，超載車輛退出橋梁卸載后方能通過(guò)橋梁。

表2 位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)日峰值列表 mm

5 結(jié)論

綜上所述，在貝雷橋的安全風(fēng)險(xiǎn)控制過(guò)程中，基于ZigBee技術(shù)研發(fā)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)能有效監(jiān)測(cè)位移狀態(tài)，該系統(tǒng)成功運(yùn)用于實(shí)際項(xiàng)目中，具有高精度、高效率，且操作簡(jiǎn)單，成本可控等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣運(yùn)用。