半封閉連通管式差壓傳感器在橋梁撓度測量中的應(yīng)用*

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(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

橋梁作為交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)生活中具有十分重要的地位，因此，確保橋梁的安全、可靠至關(guān)重要。橋梁撓度作為結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀況和工作性能的一個(gè)重要參數(shù)，已在其健康監(jiān)測與安全評(píng)估[1,2]、溫度效應(yīng)[3,4]、應(yīng)力損失[5,6]、交工驗(yàn)收[7]上得到了廣泛應(yīng)用。

目前常用的撓度測量方法：百(千)分表等位移計(jì)法[8,9]、水準(zhǔn)儀、全站儀等光學(xué)儀器測量法[7～9]，連通管法[10,11]等已廣泛應(yīng)用于檢測和驗(yàn)收鑒定等試驗(yàn)中。此類方法經(jīng)濟(jì)、便捷，但均屬于短期、人工測量，存在耗費(fèi)時(shí)間和人力、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。傾角儀法、激光圖像法、GPS、慣性測量法、光電液位連通管法、壓力變送器法、張力線法等均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量，但均存在局部缺陷：傾角儀法要求安裝時(shí)的軸線與橋軸線平行[9,12,13]；圖像法受大氣能見度影響較嚴(yán)重，在雨霧天氣難以正常工作[9,14]；GPS在橋梁撓度方向精度較低，目前僅適用于特大跨徑的斜拉橋和懸索橋[2,9]；慣性測量法對(duì)低頻位移存在失真現(xiàn)象且不能測量靜撓度[15]；光電液位連通管法屬于開放式連通管[10,16,17]，液面震蕩、液體蒸發(fā)、管道摩阻力等降低了其測試精度和長期穩(wěn)定性，且設(shè)備成本較高、對(duì)施工安裝垂直度要求很高即環(huán)境適應(yīng)性較弱；張力線法的精度較低，測試過程需進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，且構(gòu)造復(fù)雜、成本較高[18,19]。

針對(duì)上述撓度測量方法和系統(tǒng)的不足，本文闡述了一種基于連通管原理，將其一端密閉，并結(jié)合差壓傳感器、RS—485總線技術(shù)/RF技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的橋梁撓度自動(dòng)化測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)蛄簱隙冗M(jìn)行短期和長期、在線、遠(yuǎn)程、自動(dòng)化測試，且技術(shù)實(shí)現(xiàn)容易、布置簡單、操作便捷，易于推廣應(yīng)用。系統(tǒng)于2010年11月應(yīng)用于隨(州)岳(陽)高速公路荊岳長江公路大橋通車鑒定試驗(yàn)的靜載撓度測量中，使用情況表明：該傳感技術(shù)及其系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，測試效果良好，能有效用于橋梁撓度的自動(dòng)測量。

1 半封閉連通管式差壓傳感器

1.1 基本原理

根據(jù)連通管的基本原理，將連通器的其中一端置于相對(duì)參考點(diǎn)位置(相對(duì)不動(dòng)點(diǎn))，另外一端置于測點(diǎn)位置(撓度測點(diǎn))，連通管布置于橋面上，當(dāng)橋梁發(fā)生撓度變形時(shí)，根據(jù)連通管液位相等的特性即可得到該撓度值，但屬于人工測讀，耗時(shí)費(fèi)力且只能讀取某些時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化測量，需采用與之相配套的差壓傳感裝置，如圖1所示。當(dāng)測點(diǎn)處有撓度變形時(shí)，則密閉氣體體積改變，壓力隨之改變，而作為參考的大氣壓強(qiáng)不變，故差壓隨之改變，因此,只需進(jìn)一步對(duì)差壓傳感器的輸出變化進(jìn)行一定處理便可得到測點(diǎn)處撓度值。

該方法變傳統(tǒng)的液面讀數(shù)為壓力測量，避免了人為讀數(shù)誤差，提高了數(shù)據(jù)的可復(fù)現(xiàn)性和讀數(shù)穩(wěn)定性。該系統(tǒng)既可通過數(shù)字顯示設(shè)備實(shí)現(xiàn)人工讀數(shù)，也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量。其采用的半封閉式連通管結(jié)構(gòu)，使得測試過程中由于液位震蕩造成的讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)長大大縮短，同時(shí)管路中流體僅有很小距離的流動(dòng)，因而大幅降低了管道摩阻力對(duì)測試精度的影響。

圖1 半封閉連通管式差壓傳感原理

1.2 傳感器測量系統(tǒng)

要將半封閉連通管式差壓傳感器應(yīng)用于實(shí)際工程，完成大橋主梁多測點(diǎn)撓度的同步、實(shí)時(shí)、自動(dòng)測量，必須構(gòu)建出操作便捷的半封閉差壓連通管式撓度測量系統(tǒng)，其主要包括：半封閉式連通管、與連通管配套的差壓傳感器、外圍的數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)設(shè)備等，如圖2所示。其基本原理是當(dāng)連通管沿主梁軸線布置時(shí)，主梁的撓度通過各測點(diǎn)處的半封閉式連通管的密閉端差壓變化反應(yīng)出來，差壓傳感器感知量經(jīng)外圍電路轉(zhuǎn)換后根據(jù)工程實(shí)際可選用通過RF信號(hào)或者RS—485總線傳輸至數(shù)據(jù)采集終端，從而實(shí)時(shí)得到測點(diǎn)處的撓度值。

圖2 半封閉差壓連通管式撓度測量系統(tǒng)

2 應(yīng)用實(shí)例

荊岳長江公路大橋主橋?yàn)橹骺?16 m混合梁高低塔斜拉橋，跨度布置為(100+298)m+816 m+(80+2×75)m，橋塔為H型，南塔高224.5 m，北塔高267 m。數(shù)據(jù)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)RS—485總線，連通管內(nèi)介質(zhì)為純凈水。數(shù)據(jù)采集和分析采用適用于PC XP系統(tǒng)的撓度自動(dòng)采集與分析系統(tǒng)/軟件，采集時(shí)間間隔30 s。

2.1 傳感器的布置

根據(jù)相關(guān)分析計(jì)算，對(duì)大橋在通車鑒定試驗(yàn)期間的靜載試驗(yàn)時(shí)主梁撓度進(jìn)行測量，共采用25只差壓連通管式撓度傳感器，采集站位于荊州側(cè)橋塔位置的下游側(cè)橋面。橋型布置和傳感器布置位置如圖3所示(以中跨跨中主梁最大豎向位移中載加載工況為例)。

2.2 橋梁撓度測量數(shù)據(jù)

2.2.1 主梁撓度測試

加載采用38臺(tái)重30 t的標(biāo)準(zhǔn)車，對(duì)稱加載。加載后，跨中最大正彎矩加載時(shí)主梁部分撓度測量結(jié)果見表1和圖4。

表1 部分主梁測點(diǎn)撓度值

圖3 橋型與傳感器順橋向布置圖

圖4 主梁中跨撓度曲線

由表1、圖4可知，主梁撓度實(shí)測值與理論值之比一般在0.8～1.0之間，絕大部分在0.88～0.95之間，且撓度實(shí)測值變化規(guī)律與主梁上下緣最大實(shí)測應(yīng)變相吻合。同時(shí)，說明該撓度測量系統(tǒng)對(duì)于大變形響應(yīng)準(zhǔn)確，且在試驗(yàn)期間數(shù)據(jù)采集效率明顯高于采用人工讀數(shù)、記錄并處理的水準(zhǔn)儀測量方法，并能夠得到分級(jí)加/卸載的時(shí)程曲線，如圖5所示(以15#傳感器為例)。

圖5 分級(jí)加/卸載撓度時(shí)程曲線

2.2.2 鋼—混結(jié)合段剛度平順性撓度測試

鋼—混凝土結(jié)合面設(shè)在索塔附近偏向中跨側(cè)、距南索塔中心26.0 m處；鋼—混結(jié)合段長1.5 m。為了確保主梁鋼混結(jié)合段構(gòu)造的安全性和可靠性，國內(nèi)外一般都采用模型試驗(yàn)和有限元計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，以實(shí)測局部撓度曲線評(píng)價(jià)其剛度過渡的平順性并無前例，故該類局部撓度變形的測量至關(guān)重要。結(jié)合工程實(shí)際，既要保證撓度測量準(zhǔn)確，又要設(shè)備操作簡便、可靠。該橋選用半封閉連通管式差壓傳感器，其鋼—混結(jié)合段構(gòu)造和測點(diǎn)布置如圖6所示，測量結(jié)果如表2。

圖6 鋼—混結(jié)合段構(gòu)造與試驗(yàn)時(shí)撓度測點(diǎn)布置圖

由表2可知，鋼—混結(jié)合面附近順橋向相對(duì)豎向變形值很小，與主梁上下緣最大實(shí)測應(yīng)變絕對(duì)值較小相吻合。說明結(jié)構(gòu)是有較大的安全儲(chǔ)備，鋼—混結(jié)合面兩側(cè)梁段的局部變形平順，沒有變形折角，說明鋼混—結(jié)合段剛度過渡比較平順。通過該試驗(yàn)驗(yàn)證了對(duì)于跨越大江、大河與深溝、峽谷的橋梁撓度測量尤其是類似于鋼—混結(jié)合段剛度過渡平順性的主梁局部撓度測量具有很好的適應(yīng)性。該測量系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀法、張力線法、懸吊剛性梁支撐百(千)分表法具有成本低、操作方便、精度高及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

表2 鋼—混結(jié)合段各測點(diǎn)相對(duì)撓度

3 結(jié) 論

半封閉連通管式差壓傳感器及其組成的半封閉差壓連通管式撓度測量系統(tǒng)在橋梁通車鑒定試驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，并和理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：1)傳感器能夠準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化地獲取橋梁撓度測點(diǎn)的有效撓度數(shù)據(jù)，其撓度測量值能夠有效地反映橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際變化。2)驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)于跨越大江、大河與深溝、峽谷的橋梁撓度測量尤其是類似于鋼—混結(jié)合段剛度過渡平順性的主梁局部撓度測量具有很好的實(shí)用性。

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