基于傾角儀的鐵路橋梁撓度檢測系統的開發與應用

王巍 陳曉靜 石夢笛 王鵬 姚京川 楊宜謙 董振升 孟鑫

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.河北交通職業技術學院，石家莊 050035；3.北京電子科技職業學院機電工程學院，北京 100176；4.中國鐵路北京局集團有限公司工務部，北京 100070）

橋梁撓度直接反映了橋梁結構整體剛度，撓度檢測在橋梁檢測和監測中占有重要的地位，尤其是橋梁長度比例占線路總長度比例較高的高速鐵路［1-3］。傳統撓度測試方法以接觸式測量為主，通過在橋下搭設支架固定位移計、百分表等進行橋梁撓度測試，成本較低。對于跨越江河、峽谷的橋梁，多采用非接觸測量的方式，主要有攝像法、激光法、雷達干涉法等，成本相對較高。傾角儀法具有精度高、價格低廉、測量范圍廣、性能穩定等優點，為橋梁撓度測量提供了一種新手段。

文獻［4］通過有限元模型和現場試驗驗證了簡化振型函數方法［5］的有效性。本文基于文獻［4］提出的簡化振型函數方法，采用LabVIEW 編程軟件，配以傾角儀、數據采集設備等設計了橋梁撓度檢測系統，并對其進行了現場試驗驗證。

1 系統硬件設計

橋梁撓度檢測系統硬件由傾角儀、數據采集設備及計算機組成，其作用是將傾角儀測試得到的橋梁不同截面轉角轉變為模擬量，以便系統軟件進行數據分析處理。

1.1 傾角儀

傾角儀主要根據量程、精度、頻率范圍、分辨率、零位漂移、使用環境等方面進行選擇。

量程是指傳感器能測量的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍。傾角儀的量程并非越大越好，實測傾角最大值在傾角儀2/3 量程范圍附近為最優［3］。TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》［6］規定在雙線設計活載作用下的梁端轉角限值最大值為3‰rad，換算成角度為0.17°。因此，傾角儀的量程宜不小于0.26°。

精度是指傳感器指示值和被測值的符合程度。測試系統中，精度是指傳感器和采集系統匹配后的精度［3，7］。目前，國內外還沒有統一的精度表示方法，常以最大量程時的相對誤差來代表精度，從而判定精度等級。傾角儀的精度越高越好，但經濟成本會隨之增加。因此，要綜合考慮傳感器的經濟性來選擇傾角傳感器。

傳感器的工作頻率范圍是指傳感器靈敏度變化未超出相對額定靈敏度限定的百分比的頻率范圍。該范圍取決于傳感器的電氣特性、機械特性或與之配套使用的輔助儀器。頻率范圍包括頻率下限和頻率上限。超出傳感器頻率范圍的機械信號會導致信號失真。因此，需要根據測試對象的頻率范圍來確定傾角儀的頻率范圍。橋梁動撓度包含動車組的靜荷載效應和列車的動力加載效應，其中靜荷載效應占主要成分。為正確采集靜荷載效應，傾角儀的下限頻率應起于0，采用伺服式傾角儀能夠滿足下限要求，但伺服式傾角儀的上限頻率較低。列車動力加載效應引起的豎向加載頻率與車型和行駛速度有關，動車組列車以350 km/h速度通過時豎向加載頻率約為3.9 Hz［8］。

傳感器的分辨率是指輸入機械量的最小變化量，大于該值才能察覺輸出電信號的變化。對于整個測試系統來說，分辨率由與傾角儀配套使用的采集儀決定。為實現橋梁撓度0.001 mm 的分辨率，傾角儀與采集板卡匹配后的分辨率應達到0.000 01°。

零點漂移是指在劇烈沖擊后傾角儀零基準線發生偏移的現象。傾角儀零基準線的變化會引起橋梁撓度計算結果的誤差，因此，傾角儀的零點漂移越小越好。

我國幅員遼闊，南北跨越寒帶、溫帶、熱帶，不同地區溫差變化較大。根據氣象統計資料，我國1 月份最低平均氣溫為-30 ℃，7 月份最高平均氣溫為32 ℃，局部地區最高氣溫曾達到49.6 ℃；最高相對濕度86%。溫度和濕度的變化會影響傳感器的性能指標，應充分考慮傾角儀的溫度和濕度使用范圍。

綜上，系統選用QY-Ⅱ型傾角儀，其性能指標見表1?？芍?，QY-Ⅱ型傾角儀的頻率范圍無法覆蓋鐵路列車豎向加載頻率?，F場試驗驗證了QY-Ⅱ型傾角儀不適用于鐵路橋梁動撓度測試［3］，但可用于橋梁靜態和準靜態撓度的測試。因此，本系統僅適用于橋梁靜態或準靜態撓度測試。

表1 QY-Ⅱ型傾角儀性能指標

1.2 數據采集設備

數據采集是將連續的模擬信號按相同的時間間隔進行抽取，按采集器的轉換位數對所取值進行整型化，再轉換成離散的數字信號存儲于計算機內的過程。QY-Ⅱ型傾角儀輸出的是被測對象隨時間連續變化的物理量，稱為模擬信號。數據采集設備是通過采集傳感器輸出的模擬信號，并將其轉換成數字形式進行保存，便于根據不同的需要由計算機進行相應的加工、處理、顯示或保存。數據采集系統的好壞主要取決于它的精度和速度。在保證精度的前提下應盡可能提高采樣速度，以滿足實時采集、實時處理和實時控制的速度要求。

鐵路數據采集的范圍基本集中在線路附近，而線路縱向范圍可達幾百甚至幾千公里，因此數據采集設備必須采用分布式布置，且應具有較好的靈活性和組網傳輸數據的功能。

鐵路橋梁撓度檢測系統采用自主研制的數據采集儀。該數據采集儀采用以太網接口，支持遠距離無線傳輸，能夠滿足鐵路橋梁現場使用要求，可對QY-Ⅱ型傾角儀進行供電。數據采集儀主要性能指標見表2。

表2 數據采集儀主要性能指標

2 系統軟件設計

橋梁撓度檢測系統軟件的主要功能是實現數據的采集、分析等。基于LabVIEW 程序設計的模塊化思想［9］，編寫了橋梁撓度檢測系統的軟件模塊，通過設計主界面實現各模塊的調用。橋梁撓度檢測系統設計方案見圖1，系統軟件主界面見圖2。

圖1 橋梁撓度檢測系統設計方案

2.1 參數設置模塊

圖2 橋梁撓度檢測系統主界面

參數模塊包括通道設置、觸發設置和文件設置。在通道設置里可以對采集的參數進行設置，包括采樣頻率、時間、通道個數、傾角儀標定值等。觸發設置中提供觸發采樣功能，可以在數據連續采集的過程中按照一定要求自動觸發開始或者停止采集數據。文件設置中，用戶可以選取需要保存配置參數的位置以及采集數據文件的位置。

2.2 數據采集模塊

數據采集模塊包括實時原始波形、實時撓度、三維撓度瀑布圖。在實時原始波形中，用戶可以觀測采集過程中傾角儀傳輸到計算機的原始波形圖。通過觀測橋梁控制截面的實時撓度和三維撓度瀑布圖，方便用戶查看試驗過程中橋梁以及局部關鍵位置的狀態。

2.3 數據回放模塊

數據回放模塊包括原始波形、撓度波形、三維撓度瀑布圖。數據采集結束后，通過數據回放模塊可以對采集的數據文件進行查看，以便用戶對采集的數據進一步確認。

2.4 數據存儲模塊

數據存儲定義了整個采集系統的數據存儲格式：①參數設置文件和處理后的橋梁特殊位置撓度數據以txt 格式存儲；②實時采集的波形文件數據以LabVIEW 特有的文件存儲格式存儲。

2.5 撓度計算模塊

撓度計算模塊提供了基于傾角儀原始數據計算橋梁撓度的后處理功能，以方便用戶處理利用其他數據采集系統采集的傾角儀原始數據，或剔除個別通道數據異常的傾角儀原始數據后再進行撓度計算，解決了現場試驗中由于單個傾角儀不能正常工作導致試驗數據無效的問題。

3 試驗驗證

以一座鐵路（119.05+119.05）m 矮塔斜拉橋、一座公鐵兩用（140+462+1 092+462+140）m 鋼桁梁斜拉橋、一座公鐵兩用（84+84+1 092+84+84）m 鋼桁梁懸索橋為對象進行靜動載試驗，對撓度檢測系統使用效果予以驗證。

3.1 矮塔斜拉橋靜載試驗

一座鐵路（119.05+119.05）m 矮塔斜拉橋為雙線橋，結構形式為獨塔雙索面加勁預應力混凝土矮塔斜拉橋（圖3）。在箱梁底板順橋向等間距布置5個QY-Ⅱ型傾角儀測試編組列車靜態加載時大里程側119.05 m邊跨梁體跨中豎向撓度。

2 列編組為機車（DF4）+8 輛KZ70重車的試驗列車在梁體最大正彎矩工況輪位雙線加載時，采用撓度檢測系統測試得到的全橋撓度曲線與靜力水準儀測試結果見圖4?？芍?，不同位置撓度檢測系統與靜力水準儀測試的梁體豎向撓度基本一致，最大相對誤差為2.30%，表明采用撓度檢測系統得到的測試結果較為理想。另外，撓度檢測系統能夠給出測試孔跨的撓度分布，方便用戶對橋梁撓度結果進行深入分析。

圖4 大里程側119.05 m邊跨撓度分布

3.2 鋼桁梁斜拉橋靜動載試驗

一座公鐵兩用（140+462+1 092+462+140）m 鋼桁梁斜拉橋（4 線鐵路、6 車道公路），結構形式為雙塔三索面鋼桁梁斜拉橋（圖5）。

圖5 鋼桁梁斜拉橋

靜載試驗在2 線鐵路和6 車道公路加載。2 線鐵路加載列車上行線采用機車（DF4）+35 輛C70重車+機車（DF4）編組，下行線采用機車（DF4）+30 輛KZ70 重車+機車（DF4）編組；6 車道公路每車道采用10 輛30 t軸重滿載汽車加載。靜載試驗采用全站儀測試1 092 m跨中撓度，并推算為設計荷載下的撓跨比。靜載試驗中，中跨跨中撓度實測最大值為1 078.4 mm，換算設計荷載作用下（2線鐵路+6車道公路）撓度為1 801.8 mm，換算撓跨比為1/606。

動載試驗在下行線采用編組貨物列車進行5 km/h準靜態加載，貨物列車編組為：電力機車（HXD2B-172）+17 輛C70貨車（空車）+1 輛C70貨車（空車，動力學測試車，換裝測力輪對）+1輛C64K貨車（空車）+試驗車+1輛C64K貨車（重車）+1 輛C70貨車（重車，動力學測試車，換裝測力輪對）+33 輛C70 貨車（重車）+電力機車（HXD2B-074）。貨物列車準靜態通過時，在1 092 m 中跨下游側邊桁下弦桿順橋向等間距布置5 個QY-Ⅱ型傾角儀測試跨中撓度并推算為設計荷載下的撓跨比。動載試驗中，中跨下游側邊桁跨中撓度實測最大值為430.16 mm（圖6），換算設計荷載作用下（2 線鐵路+6車道公路）撓度為1 772.53 mm，換算撓跨比為1/616。靜載試驗與動載試驗測得的撓度最大相對誤差為1.62%，表明采用撓度檢測系統測試得到的橋梁撓度較為理想。

圖6 鋼桁梁斜拉橋1 092 m中跨下游側邊桁下弦桿撓度分布

3.3 鋼桁梁懸索橋靜載試驗

一座公鐵兩用（84+84+1 092+84+84）m 鋼桁梁懸索橋（4 線鐵路、8 車道公路），結構形式為雙塔五跨連續鋼桁梁懸索橋（圖7）。靜載試驗在2 線鐵路和6 車道公路加載，2 線鐵路加載列車上下行線均采用機車（DF4）+36 輛C70重車+機車（DF4）編組；6 車道公路每車道采用12 輛30 t 軸重滿載汽車加載。在1 092 m 中跨下游側邊桁下弦桿順橋向等間距布置5 個QY-Ⅱ型傾角儀測試靜態加載時的豎向撓度，采用全站儀進行對比測試。

圖7 鋼桁梁懸索橋

靜載試驗列車在1 092 m 中跨跨中最大正彎矩工況加載時，采用撓度檢測系統測試得到的全橋撓度曲線與全站儀測試結果見圖8?？芍?，采用2種方法測試得到的不同位置處梁體豎向撓度基本一致，最大相對誤差為1.73%，表明采用撓度檢測系統測試得到的橋梁撓度較為理想。

圖8 鋼桁梁懸索橋1 092 m中跨下游側邊桁下弦桿撓度分布

4 結論

1）通過比選傾角儀、數據采集設備的參數，基于LabVIEW 編程軟件設計了橋梁撓度檢測系統，該測試系統適應性強且可靠方便。

2）斜拉橋、懸索橋的現場試驗結果表明：采用橋梁撓度檢測系統測試得到的橋梁靜態或準靜態撓度較為理想，且撓度檢測系統能夠給出測試孔跨的撓度分布圖，方便用戶對橋梁撓度結果進行深入分析。