橋梁預(yù)應(yīng)力施工中波紋管位置監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

郭 慶，石 鹍，許 金，滕全進(jìn)，張曉昶

(1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西桂林 541004；2.廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點實驗室，廣西桂林 541004；3.桂林電子科技大學(xué)教學(xué)實踐部,廣西桂林 541004)

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋因受力合理，施工工藝成熟而被廣泛采用[1]。但在實際施工過程中仍會受到周邊環(huán)境以及現(xiàn)場情況等因素的影響，使施工過程偏離設(shè)計要求，導(dǎo)致橋梁合攏困難[2]。施工監(jiān)控能夠有效的確保橋梁的施工質(zhì)量，最大程度上使施工方案與設(shè)計方案吻合[3]。

箱梁在預(yù)制過程中預(yù)應(yīng)力構(gòu)件以波紋管做為孔道，在澆筑混凝土之前，需將波紋管按預(yù)應(yīng)力筋束的設(shè)計位置綁扎于梁體鋼筋中[4-5]。波紋管布設(shè)完畢后，為了保證鋼絞線孔道位置定位準(zhǔn)確，必須嚴(yán)格檢查波紋管的坐標(biāo)位置[6]。而在鋼絞線下料施工前，還須再次檢查波紋管定位情況，防止在后期振搗過程中波紋管位置出現(xiàn)移位導(dǎo)致彎角增加，使張拉時的摩擦阻力增大[1,6-8]。因此，預(yù)應(yīng)力束施工質(zhì)量的好壞，除了鋼絞線位置的精確外，波紋管位置準(zhǔn)確也同樣關(guān)鍵[2]。

為了準(zhǔn)確監(jiān)測波紋管的位置，本文設(shè)計了橋梁預(yù)應(yīng)力施工中波紋管的位置監(jiān)測系統(tǒng)。采用服務(wù)器/客戶端模式，在LAMP架構(gòu)上配合Nginx與Squid構(gòu)建了Web服務(wù)器，并以現(xiàn)場測試設(shè)備為客戶端，實現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力波紋管三維坐標(biāo)的現(xiàn)場測量與數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和管理功能，從而達(dá)到對施工質(zhì)量分散監(jiān)測、集中管理的目的。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

為了確保橋梁預(yù)應(yīng)力波紋管施工方案與設(shè)計方案吻合，設(shè)計了一種基于服務(wù)器/客戶端模式的位置監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對施工質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，其框圖如圖1所示。服務(wù)器采用LAMP網(wǎng)站架構(gòu)，以Apache服務(wù)器為服務(wù)核心，MySQL作為后臺數(shù)據(jù)庫支持，利用PHP實現(xiàn)Web前端網(wǎng)頁的高級動態(tài)顯示功能，最后配合使用Nginx和Squid服務(wù)器與其他請求程序交互[9]?？蛻舳税ìF(xiàn)場測試設(shè)備和Web瀏覽器兩部分，其中，現(xiàn)場測試設(shè)備由電子三維定位儀和手機(jī)安卓APP組成，主要實現(xiàn)對波紋管三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場測量、處理和傳輸功能；而Web瀏覽器則主要實現(xiàn)對服務(wù)器端用戶管理、數(shù)據(jù)查看和分析。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 電子三維定位儀

預(yù)應(yīng)力波紋管的布設(shè)位置坐標(biāo)包括箱梁跨端至測量點的距離X，箱梁底至波紋管中心的距離Y和箱梁測量點垂直基面至波紋管的距離Z。為了準(zhǔn)確檢測波紋管的三維坐標(biāo)，并且實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時傳輸和高效管理，設(shè)計了一款電子三維定位儀，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由上下位機(jī)構(gòu)成，主要分為傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、人機(jī)交互模塊等，模塊間各自獨立、相互合作，共同完成波紋管布設(shè)位置的智能檢測。下位機(jī)以磁柵測量系統(tǒng)和相位式激光測距儀為基礎(chǔ)，通過采用自定義的Modbus-RTU協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，以微處理器為核心，實時、高效、穩(wěn)定的完成各傳感器數(shù)據(jù)的采集及處理。上位機(jī)以工控機(jī)為主體，配置數(shù)據(jù)顯示界面，通過4G網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器獲取箱梁相關(guān)信息，實現(xiàn)人機(jī)交互；并向服務(wù)器上傳現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。上位機(jī)與下位機(jī)之間選用RS485完成數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 電子三維定位儀結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計的機(jī)械結(jié)構(gòu)和實物如圖3所示。通過相位式激光傳感器獲取波紋管X坐標(biāo)的布設(shè)位置，以帶磁柵尺傳感器的二維運動平臺測量波紋管Y、Z坐標(biāo)的布設(shè)位置。另外，為了避免現(xiàn)場測量X坐標(biāo)時臨時更換儀器方向以及提高測量效率，在儀器前后各安裝了一個激光傳感器，通過面板按鈕可快速切換。

圖3 電子三維定位儀模型與實物圖

2.1 磁柵測距

磁柵位移傳感器是利用磁頭與磁柵的相互磁作用而進(jìn)行位移測量的裝置，主要由控制電路、磁頭、磁柵等部分組成，如圖4(a)所示。為了辨別磁頭相對于磁柵尺的移動方向，用兩個相互距離為(m+1/4)λ的磁頭獲取磁柵標(biāo)尺上的輸出信號，兩者的相位差為90°，再將兩載波信號求和之后，得到載波相位角與磁柵標(biāo)尺刻度變化量的關(guān)系式，從而計算出磁頭相對于磁柵尺的位移量[10]。由磁頭運動時輸出的脈沖信號可知，在一個周期內(nèi)，相位相差為90°的兩路信號可以有4種電平組合，且無論在正向還是在反向移動的情況下，對于任意一個狀態(tài)的前后狀態(tài)是唯一確定的。如圖4(b)所示為磁頭運動時輸出的脈沖信號，其正向移動時的電平組合為10、11、01、00，反向時為01、11、10、00，并且以此周期性循環(huán)。因此，可根據(jù)S1、S2脈沖信號的相位差判斷讀磁頭運動方向，并通過對磁頭輸出脈沖信號的轉(zhuǎn)換處理，完成其位移量的計算。

(a)

(b)圖4 磁柵測距

2.2 激光測距

激光測距的方法主要有相位法、脈沖法、干涉法、三角法等[11-12]。本系統(tǒng)選用其中具有更高精度的相位式激光測距，結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。微控制器通過配置Si5351時鐘振蕩器產(chǎn)生兩路頻率信號：主振信號、本振信號。主振信號經(jīng)濾波和放大電路后與激光調(diào)制電路疊加驅(qū)動激光二極管，完成對發(fā)射光信號的信號調(diào)制?；夭ㄐ盘栍裳┍拦怆姸O管作為光電探測器接收，參考信號和接收信號經(jīng)信號調(diào)理后均與本振信號進(jìn)行混頻濾波處理，從而獲得低頻信號。微控制器通過計算兩個低頻信號之間的相位差信息實現(xiàn)對被測目標(biāo)距離的測量。

圖5 激光測距結(jié)構(gòu)框圖

3 服務(wù)器架構(gòu)和客戶端界面

3.1 基于LAMP架構(gòu)的服務(wù)器

LAMP是指由Linux操作系統(tǒng)、Apache Web服務(wù)器、MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,以及PHP解釋型腳本語言組成的一種B/S服務(wù)架構(gòu)[9]。本系統(tǒng)服務(wù)器端以LAMP為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具體如圖6所示。使用Apache服務(wù)器來處理PHP腳本程序提交的動態(tài)頁面數(shù)據(jù)，使用輕量級Nginx服務(wù)器響應(yīng)靜態(tài)頁面數(shù)據(jù)請求，并利用memcache作為分布式緩存保證PHP與MySQL數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定交互。另外，為了提高Web服務(wù)器的訪問速度，引入Squid服務(wù)器緩存html文件和圖片文件的靜態(tài)網(wǎng)頁，單獨響應(yīng)文檔服務(wù)器的圖片請求。

3.2 客戶端界面設(shè)計

圖6 服務(wù)器框架簡圖

3.2.1 Web瀏覽器界面為了方便對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，結(jié)合具體工程項目設(shè)計了擴(kuò)建工程橋梁預(yù)應(yīng)力施工監(jiān)測Web后臺監(jiān)測頁面，如圖7所示。

圖7 Web瀏覽器界面

監(jiān)管人員可通過瀏覽器登陸服務(wù)器不僅能進(jìn)行待測梁段與用戶信息的創(chuàng)建和刪除，還能對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和導(dǎo)出。

3.2.2 現(xiàn)場測試設(shè)備界面

現(xiàn)場測試設(shè)備工作界面如圖8所示，現(xiàn)場測試人員以正確的用戶名和密碼登陸后進(jìn)入圖8(a)所示的箱梁參數(shù)選擇界面，經(jīng)配置相關(guān)參數(shù)后進(jìn)入圖8(b)波紋管測量界面。測量完成后，點擊“上傳”將測量數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端，監(jiān)管人員可在遠(yuǎn)程查看和分析數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對波紋管施工質(zhì)量的監(jiān)控。手機(jī)端現(xiàn)場監(jiān)控APP由圖8(a)登陸界面和圖8(c)現(xiàn)場測試圖拍攝及上傳界面組成，可為對應(yīng)的測試現(xiàn)場提供輔助監(jiān)控信息，比如其他儀器監(jiān)控畫面、現(xiàn)場施工進(jìn)度情況、現(xiàn)場施工質(zhì)量等。

(a)

(b)

(c)

4 工程實測分析

4.1 工程概述

項目選自廣西壯族自治區(qū)某高速公路改擴(kuò)建工程，擴(kuò)建主要以沿原有道路兩側(cè)拼寬方式進(jìn)行，局部路段采取兩側(cè)分離或新建方式改擴(kuò)建，全長約248 km。本系統(tǒng)監(jiān)測段屬于擴(kuò)建工程的第7工程段，全段采用八車道新線方案，共計約40 km；其中，新建特大橋1座，中橋5座，分離式立交跨線橋5座，汽車天橋8座。由于預(yù)應(yīng)力鋼束以波紋管做為孔道，因此，以《特大橋30 m預(yù)制箱梁鋼束構(gòu)造圖》中鋼束的位置坐標(biāo)作為波紋管施工的標(biāo)準(zhǔn)位置坐標(biāo)。

4.2 結(jié)果分析

選取特大橋中的某一預(yù)制箱梁，使用本系統(tǒng)檢測該箱梁水平位置在0、7、15、22、30 m處波紋管的位置坐標(biāo)，其結(jié)果如表1所示。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢測出波紋管的位置坐標(biāo)，并將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程的服務(wù)器。監(jiān)管人員經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)位置坐標(biāo)作對比后可知該點波紋管位置是否達(dá)標(biāo)，進(jìn)而實現(xiàn)對波紋管施工質(zhì)量的監(jiān)控。

表1 某一預(yù)制箱梁波紋管位置坐標(biāo) m

5 結(jié)束語

橋梁的預(yù)應(yīng)力施工中波紋管位置在一定程度上決定了施工質(zhì)量，為了確保最大程度上使施工方案與設(shè)計方案吻合，實現(xiàn)了對施工質(zhì)量的監(jiān)控，本文設(shè)計了橋梁預(yù)應(yīng)力施工中波紋管的位置監(jiān)測系統(tǒng)。使用高精度磁柵與相位式激光傳感器提高測量精度，基于RT-thread實時操作系統(tǒng)增強(qiáng)了系統(tǒng)的實時性和高效性。在LAMP架構(gòu)上配合Nginx與Squid構(gòu)建的Web服務(wù)器，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)能力；另外，采用自定義Modbus-RTU協(xié)議和RS485傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)操作簡單，實用性強(qiáng)。