基于壓力參考法的撓度監(jiān)測系統(tǒng)在工程中的應用

柴 方 何 澤

(1.云南云嶺高速公路工程咨詢有限公司，云南 昆明 650200； 2.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074)

·橋梁·隧道·

基于壓力參考法的撓度監(jiān)測系統(tǒng)在工程中的應用

柴 方1,2何 澤1

(1.云南云嶺高速公路工程咨詢有限公司，云南 昆明 650200； 2.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074)

將基于壓力參考法的撓度監(jiān)測系統(tǒng)應用到實際中，論述了該系統(tǒng)的基本原理及系統(tǒng)的構成，并將其應用到了云南保龍線高黎貢山大橋，將監(jiān)測結果與人工變形觀測及定期檢查報告進行對比分析，指出該監(jiān)測系統(tǒng)測量的數據能真實的反映橋梁結構狀態(tài)的變化，具有很好的實用性。

壓力傳感器，連通管，撓度測量，人工變形觀測

0 引言

近年來，各地出現大量的橋梁安全事故，給國民經濟和生命財產造成了巨大損失。橋梁在建設期和運營期的安全問題令人擔憂，這些災難性的事件使我們意識到對橋梁建設、運營直至最終報廢的整個過程建立橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)，并對結構狀態(tài)與性能進行安全性評估研究的重要性。通過對建設期、營運期橋梁結構狀態(tài)的監(jiān)測與評估，可以達到保證橋梁在整個全壽命過程中的安全運營，避免其安全事故發(fā)生的目的，同時可以為橋梁的維護、維修和管理決策提供依據和指導。

1 撓度測量方法

橋梁的撓度變形是評價橋梁健康狀況的重要指標，以人為主的橋梁位移測量方法有：百分表(尺)、千分表(尺)、精密水準儀、全站儀、線性差動變壓器法(LVDT)等，這些方法結構簡單、價格低廉，已被廣泛用于橋梁檢測及驗收鑒定中，然而傳統(tǒng)的測量方法受氣候、橋梁地形等影響，測量精度受人為誤差的影響較大，整體性、實時性較差，還影響正常的交通[1，2]。隨著橋梁監(jiān)測技術的發(fā)展，國內外研究了許多撓度測量的方法，比如激光多普勒測振儀、傾角儀法、GPS撓度測量法、張力線撓度測量法[3]、微波干涉儀(Microwave Interferometer)測量法等，這些監(jiān)測方法克服了人工測量的不足，實現了在線自動測量。但上述方法都有一定的局限性，傾角儀法要求安裝時的軸線與橋軸線平行[4，5]；GPS在橋梁豎向位移的精度較低，僅適用于特大跨徑的懸索橋和斜拉橋等[4，6]；張力線法合理選取張力線材料一直是個難點，監(jiān)測距離有限[7]。

針對上述撓度測量系統(tǒng)的不足，開發(fā)了一種半封閉式的、基于壓力參考法的橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)，本文對該系統(tǒng)的原理、系統(tǒng)的組成、工程應用及數據的對比分析等方面進行論述。

2 系統(tǒng)的構成及原理

2.1 系統(tǒng)構成

橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)主要由高精度壓力傳感器、DTU、半封閉連通管、485總線、大容量水箱、計算機(包括本系統(tǒng)數據采集及數據處理軟件、帶無線通訊的GPRS或3G終端)、排氣裝置等組成(見圖1)。數據的采集與存儲由集中控制器完成，通過通信網絡結合DTU實現數據的傳輸。

2.2 基本原理

將連通器的一端固定在相對穩(wěn)定位置，另一端安裝于監(jiān)測位置，連通管內的液面保持不變，當橋梁發(fā)生豎向位移時，監(jiān)測位置會發(fā)生變化，進而導致測點處的壓力差發(fā)生變化，通過采集橋梁變形前后傳感器壓力差信號，便可得到橋梁的撓度變形(見圖2)。

根據圖2幾何關系可以得出以下式子：

L=h2-h1

(1)

Pi=ρghi(i=1,2，…，n)

(2)

(3)

(4)

(5)

Δhi2=Δhi1-L

(6)

如果以壓力傳感器2所在的水平位置作為參考水平線，由于測量數據是一個隨時間變化的時間序列，假設在整個撓度監(jiān)測過程中，基準點的位置都保持固定，則每個測點在任意時間段的撓度就可以由該時間段的起止時刻的相對位移之差得到，如式(7)所示。

(7)

3 工程應用

基于壓力參考法撓度監(jiān)測系統(tǒng)被應用于云南保龍高速某連續(xù)剛構橋梁上，該橋橋長375 m，橋梁孔徑布置為(95+165+95)m的預應力混凝土連續(xù)剛構。上部結構采用直腹板的預應力混凝土箱梁，箱梁結構為單箱單室斷面。

3.1 傳感器布置

監(jiān)測系統(tǒng)布置于該橋右幅箱梁內，橋墩處設置兩個高精度壓力傳感器，主跨1/4截面、1/2截面、3/4截面分別設置一個高精度壓力傳感器(見圖3)。

3.2 人工變形觀測布置及測量結果

人工變形觀測主要采用拓普康ES-101系列全站儀對構造物觀測點的平面位移觀測，中緯水準儀觀測構造物觀測點的沉降變形。該橋左右幅都布置了觀測點，具體布置見圖4。

圖5，圖6為2009年，2013年，2014年觀測到的數據。

3.3 撓度監(jiān)測數據分析

橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)安裝到該橋上后，我們對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有效性進行了考核，表明系統(tǒng)能夠自動采集、遠程傳輸和自動處理數據。本文選取2013年8月16日～2014年5月22日期間的數據進行分析，從長期的監(jiān)測情況來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性。

橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)的采集頻率為30 min/次，以2013年8月16日數據的平均值為基準點，將實時采集的數據與基準點做差，分析橋梁各監(jiān)測截面撓度變化趨勢(見圖7)。

根據圖7分析可知(2013.8.16～2014.5.22)：

1)從長期運行角度看：基于壓力參考法的撓度監(jiān)測系統(tǒng)能實現數據自動采集、處理及傳輸功能，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

2)分析各截面撓度變化趨勢圖可知：三截面撓度變化趨勢基本一致。

a.1/4截面：2013.8.16～12.12期間下?lián)狭侩S時間的增長而增加，2013.12.13～2014.5.22期間撓度變化平穩(wěn)并趨于穩(wěn)定，相對于基準點累計下?lián)霞s11 mm。

b.1/2截面：2013.8.16～12.12期間下?lián)狭侩S時間的增長而增加，變化速率比1/4截面變化速率大，2013.12.13～2014.5.22期間撓度變化平穩(wěn)并趨于穩(wěn)定，下?lián)狭勘?/4截面大，相對于基準點累計下?lián)霞s20 mm。

c.3/4截面：撓度變化波動比上面兩個截面小，下?lián)狭侩S時間的增長緩慢增加，相對于基準點累計下?lián)霞s5 mm。

對比分析人工變形觀測結果可知：基于壓力參考法的撓度監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的撓度變化與人工變形觀測測量結果基本一致(見表1)。表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，監(jiān)測數據能真實的反映橋梁的運營狀況，能為橋梁的養(yǎng)護決策提供技術支撐。

表1 數據對比分析 mm

4 結語

將基于壓力參考法的撓度監(jiān)測系統(tǒng)應用于實際橋梁上，并和人工變形觀測值進行對比，結果表明：該系統(tǒng)能夠準確、實時、自動化、可靠的獲取橋梁各監(jiān)測截面撓度變化數據，能有效反映橋梁結構狀態(tài)變化，具有很好的實用性且該監(jiān)測系統(tǒng)組成結構簡單，易于維護。隨著大量連續(xù)剛構特大橋的建設，該系統(tǒng)可在已運營通車連續(xù)剛構特大橋推廣使用，實時反映橋梁關鍵截面的撓度變化情況，若主跨跨中持續(xù)下?lián)现僚R界值，可及時預警，通知相關養(yǎng)護單位，對橋梁進行養(yǎng)護加固處治，消除安全隱患，保護人民生命財產安全，且連續(xù)的多元的主跨跨中實際撓度數據大量積累后，可有望摸索出主跨跨中下?lián)系囊?guī)律，有重要的研究價值，為根治連續(xù)剛構主跨跨中下?lián)咸峁┯辛Φ幕A數據支撐。

[1] 藍章禮，張 洪，周建庭.基于激光和視頻的橋梁撓度測量新系統(tǒng)[J].儀器儀表學報，2009,30(11)：2405-2410.

[2] 王 磊.大型橋梁健康監(jiān)測中撓度測量技術研究[D].南京：東南大學，2006.

[3] 藍章禮，楊小帆.非接觸式張力線橋梁撓度測量系統(tǒng)[J].儀器儀表學報，2008,29(5)：1058-1062.

[4] 楊建春，陳偉民.橋梁結構狀態(tài)參數監(jiān)測技術研究現狀[J].傳感器技術，2004,23(3)：1-5.

[5] William F K，Timothy J B. Advances in highway slope stability

instrumentation[C]. Proceedings of the 50th Highway Geology Symposium, Roaholce V A,2000:328-337.

[6] Wong K Y, Man L L, Chan W Y. Real-time kinematic spans the gap[J].GPS world,2001,12(7):10-18.

[7] 張 洪.基于壓力參考法的橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)及性能分析[D].重慶：重慶交通大學,2012.

Application of pressure referenced method for deflection monitoring system in bridge

Chai Fang1,2He Ze1

(1.YunnanYunlingHighwayEngineeringConsultNGCo.,Ltd，Kunming650200,China; 2.CollegeofTraffic&Transportation,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

This thesis is prepared on basis of the practical effect of the pressure referenced method for deflection monitoring system, describing the basic principle and compositions of this system, which has been applied to Gaoligong mountains bridge at Baolong, Yunnan province, then the monitoring results are compared with manual deflection observation and periodical inspection reports, it shows the data produced and monitored in this system can truly reflect the bridge structure situation change and with well feasibility.

pressure sensor, connected pipe, deflection monitoring, manual deflection observation

1009-6825(2015)07-0159-03

2014-12-23

柴 方(1985- )，女，在讀工程碩士； 何 澤(1984- )，男，碩士，工程師

U446.2

A