基于分段懸鏈線原理的橋梁撓度在線監測系統設備研發

朱琛，王學敏，劉建軍

（1.貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550025）

在橋梁領域，我國已經成為名副其實的建設大國，我國橋梁的建設水平已經取得了令世界都為之驚嘆的巨大進步[1]。據統計，我國建設完成的橋梁中超過40%已經進入了老齡化橋梁，隨之而來的是橋梁事故的頻發。因此對橋梁進行健康監測是必不可少的一個環節[2,3]。

目前，橋梁健康監測方法繁多，但各類方法各有優缺點[4]。而基于分段懸鏈線原理的橋梁撓度在線監測系統主要適用于箱梁橋或渡槽，該方法的研發旨在達到橋梁健康監測要求的前提下降低監測成本，為我國大跨度橋梁及渡槽的健康監測及安全評價提供新技術及設備支撐。

1 系統介紹

基于分段懸鏈線原理的橋梁撓度在線監測系統包括分段懸鏈線基準系統、撓度測量系統、數據采集與傳輸模塊、供電系統幾個部分。其原理見圖1，將撓度測距儀安裝在箱梁底板，測距儀上方懸掛一條線，線上懸掛測距反射裝置，通過測距儀前后測量數據的變化值反算出橋梁撓度。

圖1 監測系統原理圖

2 分段懸鏈線基準系統研發

橋梁監測系統需要長期服役于橋梁，分段懸鏈線基準系統作為橋梁監測系統的組成之一，保證其在長時間工作下的適用性及穩定性是關鍵。

2.1 懸鏈線材料選擇

在分段懸鏈線基準系統的研發過程中，懸鏈線材料的選擇是核心，是保證其測量精度的重要因素之一。綜合對比最終選擇T700 碳纖維長繩，該繩索單絲直徑7-8微米，可按需求自行選擇長絲數量。通過邁達斯Civil建立分段懸鏈線模型，最終選擇12K 長絲碳纖維繩作為懸鏈線材料，如圖2。

圖2 T700 碳纖維12K 長繩

2.2 懸鏈線固定裝置

懸鏈線固定裝置的作用是將懸鏈線安裝于箱梁內部，使懸鏈線在長期工作過程中兩端不晃動的裝置。本文根據需求設計出一款適用于監測系統的固定裝置，保證了懸鏈線的穩定性及長期使用性，固定裝置設計圖見圖3。

圖3 懸鏈線固定裝置設計圖

3 撓度測量系統研發

在橋梁健康監測系統的研發過程中，精確的測量是監測系統能夠達到使用要求的前提，因此撓度測量系統作為橋梁健康監測系統的核心部分，其重要性不言而喻。撓度測量系統可分為激光測距儀和激光反射板，針對系統特點選擇合適的激光測距儀并設計相應激光反射板。

3.1 激光測距儀

傳感器模塊通過對分段懸鏈線的位移情況進行監測，從而為評估橋梁結構的狀態提供依據。監測數據的連續性、實時性、準確性會對系統或工作人員的判斷產生影響，因此對傳感器的選型需要從以上幾個方面綜合考慮。

傳感器是影響測量精度的關鍵性因素，本文綜合考慮監測系統的精度要求、安全性、工作環境以及傳感器選型的條件，最終采用FS—LRF 高精度激光測距儀作為測距設備，如圖4。目前，該類型傳感器技術較為成熟，其精度高、體積小、使用方便且價格較低的特點能夠滿足監測系統需求。

圖4 FS—LRF 高精度激光測距儀

FS—LRF 高精度激光測距儀作為一種利用激光相位法的新型傳感器，其測量原理是利用無線電波段的頻率對激光束進行幅度調制，通過測定出調制光往返一次所產生的相位差，再根據調制光的波長換算出實際距離下的相位延遲，進而測定出光往返測線所需要的時間[5,6]。

3.2 懸掛式激光反射板

由FS—LRF 高精度激光測距儀的基本原理可知，激光在發射后需經過反射才能得出測量數據，而在分段懸鏈線基準系統中，懸鏈線本身不能反射激光，所以需要在懸鏈線上懸掛激光反射板，激光反射板的懸掛使懸鏈線的線形變為了分段懸鏈線。

懸掛式激光反射板并不是一直處于固定狀態，而是通過鋼絲繩與T700 碳纖維長繩連接。根據激光測距儀的工作原理，發射的激光和反射板之間的夾角需大于40°，懸掛式激光反射板在監測系統工作的過程中會不定時產生晃動，晃動使激光反射板位置改變的同時產生轉角，轉角大于某一臨界值時就會導致激光束到不了激光反射板的反射面上，即激光測距儀測不出數據或數據出現大幅度跳躍。轉角臨界值的大小與激光反射板直徑、激光測距儀和激光反射板之間的距離相關。

4 結論

橋梁撓度監測是橋梁健康監測的重要組成之一，基于分段懸鏈線原理的橋梁撓度在線監測方法是一種簡單而有效的方法。本文采用激光測距和GPRS DTU 技術，能夠保證監測數據的精確性并實現遠距離傳輸滿足橋梁健康監測的需求。根據規范要求，分別對分段懸鏈線基準的撓度在線監測系統幾個方面的設計進行了介紹，新監測方法的研究對橋梁健康監測有重要意義。