基于靜力水準(zhǔn)儀的蝴蝶拱橋變形監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘? 要：為及時(shí)掌握某非對稱外傾蝴蝶拱橋變形狀態(tài)，提出利用靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行橋梁關(guān)鍵截面變形的自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警。文章介紹了靜力水準(zhǔn)儀的測量原理及系統(tǒng)組成，以某非對稱外傾蝴蝶拱橋主梁監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，介紹了主梁變形監(jiān)測測點(diǎn)布置方案與閾值設(shè)置方法，并將控制截面測點(diǎn)數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：基于靜力水準(zhǔn)儀的變形監(jiān)測系統(tǒng)具有測量精度高、實(shí)時(shí)性好、受環(huán)境影響較小等特點(diǎn)，可以有效用于蝴蝶拱橋主梁變形監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：蝴蝶拱橋;靜力水準(zhǔn)儀;變形監(jiān)測;自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）23-0048-04

Study on Deformation Monitoring System of Butterfly Arch Bridge Based on Static Level

XU Wangxing

（Fujian Longyan Urban Construction Investment Development Co.， Ltd.， Longyan? 364000， China）

Abstract： In order to grasp the deformation state of an asymmetric cambered butterfly arch bridge in time， the automatic monitoring and early warning of key section deformation of the bridge by using static level is proposed. This paper introduces the measurement principle and system composition of the static level. Taking the design of the main beam monitoring system of an asymmetric cambered butterfly arch bridge as an example， this paper introduces the layout scheme of the monitoring points of the main beam deformation and the threshold setting method， and compares the data of the monitoring points of the control section with the manual monitoring data. The results show that the deformation monitoring system based on static level has the characteristics of high measurement accuracy， good real-time performance and less affected by the environment. It can be effectively used for the deformation monitoring of the main beam of butterfly arch bridge.

Keywords： butterfly arch bridge; static level; deformation monitoring; automation

0? 引? 言

蝴蝶拱橋造型獨(dú)特，富有藝術(shù)美感，具有流暢的拱肋和曲線橋道，圓潤、優(yōu)雅的輪廓給人以視覺上的享受，為城市地標(biāo)性建筑[1]。為保證橋梁在長期使用過程中的結(jié)構(gòu)安全和使用狀態(tài)中的行車安全，運(yùn)營期間的健康監(jiān)測技術(shù)成為一種行之有效的方法[2]。由于主梁直接承受來自車輛的荷載作用，變形不僅受到自身截面幾何尺寸、構(gòu)造形式、材料特性的影響，還與吊桿力、布置間距以及主拱提供的約束有關(guān)，其撓度值不僅反映了梁體剛度的大小，同時(shí)更加直觀地表現(xiàn)出橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能，因此，橋梁變形監(jiān)測是結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的重要指標(biāo)，必須進(jìn)行監(jiān)測[3，4]。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，運(yùn)營期橋梁出現(xiàn)超載、超年限使用的情況日益增加，橋梁變形監(jiān)測的相關(guān)問題也越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[5，6]。目前國內(nèi)外工程師針對橋梁變形的傳統(tǒng)監(jiān)測方法仍是通過全站儀進(jìn)行人工測量，盡管該方法儀器操作簡單，可減小前期投入，但測量精度受人為因素影響較大，且無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警。隨著靜力水準(zhǔn)儀在大壩、高鐵、隧道的沉降監(jiān)測等工程領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其具有測量精度高、穩(wěn)定性好、高效監(jiān)測、實(shí)時(shí)預(yù)警等優(yōu)點(diǎn)[7-9]。因此，靜力水準(zhǔn)儀在橋梁變形實(shí)時(shí)監(jiān)測方面開始得到推廣使用[10]。本文介紹了靜力水準(zhǔn)儀的測量原理及系統(tǒng)組成，以某非對稱外傾蝴蝶拱橋主梁變形監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為實(shí)例，詳細(xì)介紹了蝴蝶拱橋主梁變形監(jiān)測測點(diǎn)布置方案與閾值設(shè)置方法，并將控制截面測點(diǎn)數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

1? 靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)

1.1? 基本原理

靜力水準(zhǔn)儀的組成部件主要包括浮筒、液缸、精密液位計(jì)、保護(hù)罩等。基于“連通管”的工作原理，通過連通管將n個(gè)靜力水準(zhǔn)儀連接在一起;注入液體后，液體在大氣壓力和重力的作用下，最終會(huì)保持在同一個(gè)水平面;靜置一段時(shí)間后，測量各液缸內(nèi)的水面高度，經(jīng)過計(jì)算即可得到測點(diǎn)的位置變化。

以一定范圍內(nèi)某結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測為例，假設(shè)共有n個(gè)測點(diǎn)，如圖1所示。

待各部件組裝完畢后進(jìn)行調(diào)平，靜置24 h后，采集各測點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀的安裝高程（Y01…Y0i…Y0j…Y0n），液缸內(nèi)液位的高度（h01…h(huán)0i…h(huán)0j…h(huán)0n），此時(shí)各測點(diǎn)高程與液位高度的關(guān)系應(yīng)滿足：

Y01+h01=…=Y0i+h0i=…=Y0j+h0j=…=Y0n+h0n? ? ? ? ? ? （1）

根據(jù)連通管的原理，當(dāng)場地發(fā)生k次不均勻沉降后，各測點(diǎn)液缸內(nèi)液位的高度仍是相同的，則此時(shí)有：

（Y01+Δhk1）+hk1=…=（Y0i+Δhki）+hki=…

=（Y0j+Δhkj）+hkj=…

=（Y0n+Δhkn）+hkn? ? ? ? ? ? （2）

式中：Δh1…Δhi…Δhj…Δhn表示沉降引起的各測點(diǎn)高程的變化量，hki…h(huán)ki…h(huán)kj…h(huán)kn表示沉降引起的各測點(diǎn)液面高度的變化量，第j個(gè)觀測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)i的相對沉降量為：

Hji=Δhkj-Δhki? ? ? ? ? （3）

將式（1）和式（2）代入式（3）可知：

Δhkj-Δhki=（Y0j+hkj）-（Y0i+hki）

=（Y0j-Y0i）+（hkj- hki）? ? ? （4）

安裝待液缸靜置穩(wěn)定后，需要對各測點(diǎn)傳感器調(diào)零，此時(shí)各個(gè)測點(diǎn)液缸內(nèi)液面的初始高度差值均為零，則式（4）可以簡化為：

Hji=hkj-hki? ? ? ? ? （5）

由式（4）可知：只需測得各測點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀在不同時(shí)刻液缸內(nèi)液面的高度，通過各點(diǎn)之間兩兩相減即可求出差異變形。

1.2? 系統(tǒng)組成

基于靜力水準(zhǔn)儀的蝴蝶拱橋變形監(jiān)測系統(tǒng)由信息采集、傳輸網(wǎng)絡(luò)、云平臺(tái)和終端服務(wù)四部分組成，如圖2所示。其中信息采集模塊在整個(gè)系統(tǒng)中主要用于準(zhǔn)確獲取各測點(diǎn)處靜力水準(zhǔn)儀的位置及液位變化;傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)接收與轉(zhuǎn)發(fā)、用戶反饋等功能，以保證數(shù)據(jù)不失真;云平臺(tái)通過計(jì)算機(jī)完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、前處理、后處理、歸檔和存儲(chǔ)等功能，有效控制橋梁現(xiàn)場的各數(shù)據(jù)調(diào)理器設(shè)備、采集子站和傳感測試設(shè)備的相關(guān)工作;服務(wù)終端根據(jù)用戶定義的閾值對橋梁危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，綜合各個(gè)傳感器的監(jiān)測結(jié)果對橋梁進(jìn)行合理評估。

2? 工程實(shí)例

2.1? 項(xiàng)目概況

研究以成都市紅星路南延線跨府河大橋?yàn)槔摌蛉L255.3 m，孔跨布置采用（44+150+55）m。該橋在平曲線內(nèi)主梁采用格子梁與雙縱箱相結(jié)合的三跨連續(xù)的鋼箱結(jié)構(gòu)，主拱部分包括拱肋鋼箱段與拱腳混凝土段兩部分組成，拱肋分別位于南北兩側(cè)傾斜的平面內(nèi)，由于向外傾斜的角度不同，且拱肋之間不存在任何橫向連接，南北兩側(cè)拱肋于主梁端部以下相交，故該橋?yàn)橐蛔菍ΨQ外傾蝴蝶拱橋。此外，南北兩側(cè)拱肋與主梁之間分別設(shè)有20個(gè)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)處設(shè)置兩根吊桿;系桿分別錨固在南北兩側(cè)拱肋段混凝土內(nèi)，共計(jì)12根，設(shè)置于梁底部。

2.2? 測點(diǎn)布置

為實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，保障橋梁安全運(yùn)營，及時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)和趨勢演變情況，該橋健康監(jiān)測系統(tǒng)共設(shè)測點(diǎn)195個(gè)，其中針對曲線梁非對稱肋外傾“蝴蝶形”拱橋主梁撓度共設(shè)置撓度測試截面共計(jì)16個(gè)（包括14個(gè)測點(diǎn)與2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)），本文選取主要控制截面包括3個(gè)測點(diǎn)，分別位于近北拱側(cè)主跨1/2L和兩邊跨1/2L處，基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置于橋臺(tái)上，詳細(xì)測點(diǎn)布置如圖3、圖4所示。

2.3? 橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)警閾值設(shè)置

依據(jù)《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（JTT 1037-2016）進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)警閾值設(shè)置，黃色預(yù)警出現(xiàn)在變形監(jiān)測值大于0.8倍設(shè)計(jì)值時(shí);紅色預(yù)警出現(xiàn)在變形監(jiān)測值大于設(shè)計(jì)值或一個(gè)月內(nèi)發(fā)現(xiàn)10次以上黃色預(yù)警。

其中，梁體變形監(jiān)測預(yù)警閾值設(shè)計(jì)值結(jié)合全橋有限元仿真進(jìn)行計(jì)算，取橋梁在承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)值作為紅色預(yù)警值，黃色預(yù)警閾值考慮在兩種極限狀態(tài)閾值的基礎(chǔ)上進(jìn)行組合或折減后獲得[11]。如果梁體變形已達(dá)到了影響正常使用的狀態(tài)[12]，應(yīng)采用最不利組合計(jì)算值（短期荷載效應(yīng)組合及長期荷載效應(yīng)組合）作為預(yù)警閾值，作為正常使用極限狀態(tài)的預(yù)警數(shù)值進(jìn)行預(yù)警。而承載能力極限狀態(tài)下實(shí)際結(jié)構(gòu)的變形預(yù)警，則通常以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)作為預(yù)警閾值，紅星路南延線府河橋撓度預(yù)警閾值如表3所示。

2.4? 數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證主梁控制截面測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將人工監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合對比分析。其中，基于靜力水準(zhǔn)儀的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)變形監(jiān)測頻率為1次/分，各測點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)量為1 440個(gè)/天;而人工監(jiān)測采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行復(fù)核，變形監(jiān)測頻率為4次/天，監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)與自動(dòng)化監(jiān)測選點(diǎn)一致，各測點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)量為4個(gè)/天。考慮到數(shù)據(jù)量相對較大，故選取最具代表性測點(diǎn)（近北拱側(cè)主跨1/2L處）2020年12月18日至24日的人工監(jiān)測數(shù)據(jù)與靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，如圖5所示。

由上圖可知，一周內(nèi)基于靜力水準(zhǔn)儀的主梁跨中變形實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差介于0.02～1.7 mm，最大誤差值小于2 mm。綜合分析其他控制截面測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，基于電子水準(zhǔn)儀的人工監(jiān)測數(shù)據(jù)與基于靜力水準(zhǔn)儀的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，其變化趨勢和變化量基本一致，可見采用靜力水準(zhǔn)儀能準(zhǔn)確有效的監(jiān)測該蝴蝶拱橋的主梁變形。

3? 結(jié)? 論

針對目前運(yùn)營期橋梁變形監(jiān)測技術(shù)存在監(jiān)測效率低、受外界環(huán)境影響較大、不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測等缺陷，本文通過將靜力水準(zhǔn)儀引入橋梁變形監(jiān)測領(lǐng)域，以某非對稱外傾蝴蝶拱橋變形監(jiān)測系統(tǒng)為研究對象，基于有限元模型分析結(jié)果，確定橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)警閾值與變形測點(diǎn)布置方案，通過橫向?qū)Ρ瓤刂平孛鏈y點(diǎn)7d的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

（1）靜力水準(zhǔn)儀用于主梁變形監(jiān)測具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、監(jiān)測效率高、實(shí)時(shí)預(yù)警等特點(diǎn);

（2）基于靜力水準(zhǔn)儀的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)與基于電子水準(zhǔn)儀的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，其變化趨勢和變化量基本一致，靜力水準(zhǔn)儀適用于蝴蝶拱橋的主梁變形監(jiān)測，且具有較高的準(zhǔn)確性和較好可靠性，可逐步予以推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊亮亮，付濤.某非對稱外傾蝴蝶拱橋結(jié)構(gòu)安全與健康狀況評估案例分析 [J].建筑技術(shù)開發(fā)，2020，47（10）：141-142.

[2] KONG X，CAI C S，HU J X，et al. Field Application of an Innovative Bridge Scour Monitoring System with Fiber Bragg Grating Sensors [J].Journal of Aerospace Engineering，2016，30（2）：1-10.

[3] 李靜佳，陶雄，李東平.橋梁健康監(jiān)測與評估中的靜力水準(zhǔn)技術(shù)研究 [J].測繪與空間地理信息，2021，44（4）：195-197+201.

[4] 杜中和，張三峰，唐英，等.基于健康監(jiān)測系統(tǒng)的非對稱外傾蝴蝶拱橋健康狀態(tài)評估方法研究 [J].鐵道建筑，2017，57（11）：29-32.

[5] 梅秀道，盧亦焱，史晶.基于壓力變送器的主梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能研究 [J].橋梁建設(shè)，2019，49（2）：36-40.

[6] 賈軍，張濤.高精度靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)在橋梁變形監(jiān)測中的應(yīng)用 [J].公路工程，2018，43（2）：172-176.

[7] 荊國強(qiáng)，王波，柴小鵬，等.高速鐵路橋梁動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法及其應(yīng)用 [J].橋梁建設(shè)，2018，48（2）：31-36.

[8] 王楊.沉降自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在運(yùn)營鐵路中的應(yīng)用與研究 [J].鐵道勘察，2019，45（5）：26-31.

[9] 劉向明.靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)在高鐵橋梁變形監(jiān)測中的應(yīng)用 [J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2020，22（6）：68-73.

[10] 蔣國文.遠(yuǎn)程無線靜力水準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)在城市立交橋健康監(jiān)測中的應(yīng)用 [J].廣州建筑，2020，48（4）：7-11.

[11] YU J P，孫全勝.基于關(guān)鍵截面響應(yīng)值的橋梁預(yù)警模型和分級(jí)設(shè)置研究 [J].低溫建筑技術(shù)，2018，40（12）：50-53.

[12] 干俊，曹新軍，吳景成.靜力水準(zhǔn)儀改進(jìn)及應(yīng)用 [J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2021，49（1）：22-25.

作者簡介：徐旺興（1974—），男，漢族，福建龍巖人，高級(jí)工程師，本科，主要研究方向：城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)管理和研究。