基于傾角儀的鐵路橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

王巍 陳曉靜 石夢(mèng)笛 王鵬 姚京川 楊宜謙 董振升 孟鑫

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050035；3.北京電子科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，北京 100176；4.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，北京 100070）

橋梁撓度直接反映了橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度，撓度檢測(cè)在橋梁檢測(cè)和監(jiān)測(cè)中占有重要的地位，尤其是橋梁長度比例占線路總長度比例較高的高速鐵路［1-3］。傳統(tǒng)撓度測(cè)試方法以接觸式測(cè)量為主，通過在橋下搭設(shè)支架固定位移計(jì)、百分表等進(jìn)行橋梁撓度測(cè)試，成本較低。對(duì)于跨越江河、峽谷的橋梁，多采用非接觸測(cè)量的方式，主要有攝像法、激光法、雷達(dá)干涉法等，成本相對(duì)較高。傾角儀法具有精度高、價(jià)格低廉、測(cè)量范圍廣、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，為橋梁撓度測(cè)量提供了一種新手段。

文獻(xiàn)［4］通過有限元模型和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了簡化振型函數(shù)方法［5］的有效性。本文基于文獻(xiàn)［4］提出的簡化振型函數(shù)方法，采用LabVIEW 編程軟件，配以傾角儀、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等設(shè)計(jì)了橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)硬件由傾角儀、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及計(jì)算機(jī)組成，其作用是將傾角儀測(cè)試得到的橋梁不同截面轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，以便系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

1.1 傾角儀

傾角儀主要根據(jù)量程、精度、頻率范圍、分辨率、零位漂移、使用環(huán)境等方面進(jìn)行選擇。

量程是指傳感器能測(cè)量的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍。傾角儀的量程并非越大越好，實(shí)測(cè)傾角最大值在傾角儀2/3 量程范圍附近為最優(yōu)［3］。TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］規(guī)定在雙線設(shè)計(jì)活載作用下的梁端轉(zhuǎn)角限值最大值為3‰rad，換算成角度為0.17°。因此，傾角儀的量程宜不小于0.26°。

精度是指傳感器指示值和被測(cè)值的符合程度。測(cè)試系統(tǒng)中，精度是指傳感器和采集系統(tǒng)匹配后的精度［3，7］。目前，國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的精度表示方法，常以最大量程時(shí)的相對(duì)誤差來代表精度，從而判定精度等級(jí)。傾角儀的精度越高越好，但經(jīng)濟(jì)成本會(huì)隨之增加。因此，要綜合考慮傳感器的經(jīng)濟(jì)性來選擇傾角傳感器。

傳感器的工作頻率范圍是指傳感器靈敏度變化未超出相對(duì)額定靈敏度限定的百分比的頻率范圍。該范圍取決于傳感器的電氣特性、機(jī)械特性或與之配套使用的輔助儀器。頻率范圍包括頻率下限和頻率上限。超出傳感器頻率范圍的機(jī)械信號(hào)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。因此，需要根據(jù)測(cè)試對(duì)象的頻率范圍來確定傾角儀的頻率范圍。橋梁動(dòng)撓度包含動(dòng)車組的靜荷載效應(yīng)和列車的動(dòng)力加載效應(yīng)，其中靜荷載效應(yīng)占主要成分。為正確采集靜荷載效應(yīng)，傾角儀的下限頻率應(yīng)起于0，采用伺服式傾角儀能夠滿足下限要求，但伺服式傾角儀的上限頻率較低。列車動(dòng)力加載效應(yīng)引起的豎向加載頻率與車型和行駛速度有關(guān)，動(dòng)車組列車以350 km/h速度通過時(shí)豎向加載頻率約為3.9 Hz［8］。

傳感器的分辨率是指輸入機(jī)械量的最小變化量，大于該值才能察覺輸出電信號(hào)的變化。對(duì)于整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)來說，分辨率由與傾角儀配套使用的采集儀決定。為實(shí)現(xiàn)橋梁撓度0.001 mm 的分辨率，傾角儀與采集板卡匹配后的分辨率應(yīng)達(dá)到0.000 01°。

零點(diǎn)漂移是指在劇烈沖擊后傾角儀零基準(zhǔn)線發(fā)生偏移的現(xiàn)象。傾角儀零基準(zhǔn)線的變化會(huì)引起橋梁撓度計(jì)算結(jié)果的誤差，因此，傾角儀的零點(diǎn)漂移越小越好。

我國幅員遼闊，南北跨越寒帶、溫帶、熱帶，不同地區(qū)溫差變化較大。根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)資料，我國1 月份最低平均氣溫為-30 ℃，7 月份最高平均氣溫為32 ℃，局部地區(qū)最高氣溫曾達(dá)到49.6 ℃；最高相對(duì)濕度86%。溫度和濕度的變化會(huì)影響傳感器的性能指標(biāo)，應(yīng)充分考慮傾角儀的溫度和濕度使用范圍。

綜上，系統(tǒng)選用QY-Ⅱ型傾角儀，其性能指標(biāo)見表1?？芍?，QY-Ⅱ型傾角儀的頻率范圍無法覆蓋鐵路列車豎向加載頻率?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了QY-Ⅱ型傾角儀不適用于鐵路橋梁動(dòng)撓度測(cè)試［3］，但可用于橋梁靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)撓度的測(cè)試。因此，本系統(tǒng)僅適用于橋梁靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)撓度測(cè)試。

表1 QY-Ⅱ型傾角儀性能指標(biāo)

1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集是將連續(xù)的模擬信號(hào)按相同的時(shí)間間隔進(jìn)行抽取，按采集器的轉(zhuǎn)換位數(shù)對(duì)所取值進(jìn)行整型化，再轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)內(nèi)的過程。QY-Ⅱ型傾角儀輸出的是被測(cè)對(duì)象隨時(shí)間連續(xù)變化的物理量，稱為模擬信號(hào)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備是通過采集傳感器輸出的模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式進(jìn)行保存，便于根據(jù)不同的需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的加工、處理、顯示或保存。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的好壞主要取決于它的精度和速度。在保證精度的前提下應(yīng)盡可能提高采樣速度，以滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制的速度要求。

鐵路數(shù)據(jù)采集的范圍基本集中在線路附近，而線路縱向范圍可達(dá)幾百甚至幾千公里，因此數(shù)據(jù)采集設(shè)備必須采用分布式布置，且應(yīng)具有較好的靈活性和組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的功能。

鐵路橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)采用自主研制的數(shù)據(jù)采集儀。該數(shù)據(jù)采集儀采用以太網(wǎng)接口，支持遠(yuǎn)距離無線傳輸，能夠滿足鐵路橋梁現(xiàn)場(chǎng)使用要求，可對(duì)QY-Ⅱ型傾角儀進(jìn)行供電。數(shù)據(jù)采集儀主要性能指標(biāo)見表2。

表2 數(shù)據(jù)采集儀主要性能指標(biāo)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析等?；贚abVIEW 程序設(shè)計(jì)的模塊化思想［9］，編寫了橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)的軟件模塊，通過設(shè)計(jì)主界面實(shí)現(xiàn)各模塊的調(diào)用。橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見圖1，系統(tǒng)軟件主界面見圖2。

圖1 橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 參數(shù)設(shè)置模塊

圖2 橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)主界面

參數(shù)模塊包括通道設(shè)置、觸發(fā)設(shè)置和文件設(shè)置。在通道設(shè)置里可以對(duì)采集的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括采樣頻率、時(shí)間、通道個(gè)數(shù)、傾角儀標(biāo)定值等。觸發(fā)設(shè)置中提供觸發(fā)采樣功能，可以在數(shù)據(jù)連續(xù)采集的過程中按照一定要求自動(dòng)觸發(fā)開始或者停止采集數(shù)據(jù)。文件設(shè)置中，用戶可以選取需要保存配置參數(shù)的位置以及采集數(shù)據(jù)文件的位置。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括實(shí)時(shí)原始波形、實(shí)時(shí)撓度、三維撓度瀑布圖。在實(shí)時(shí)原始波形中，用戶可以觀測(cè)采集過程中傾角儀傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的原始波形圖。通過觀測(cè)橋梁控制截面的實(shí)時(shí)撓度和三維撓度瀑布圖，方便用戶查看試驗(yàn)過程中橋梁以及局部關(guān)鍵位置的狀態(tài)。

2.3 數(shù)據(jù)回放模塊

數(shù)據(jù)回放模塊包括原始波形、撓度波形、三維撓度瀑布圖。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，通過數(shù)據(jù)回放模塊可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行查看，以便用戶對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步確認(rèn)。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)定義了整個(gè)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式：①參數(shù)設(shè)置文件和處理后的橋梁特殊位置撓度數(shù)據(jù)以txt 格式存儲(chǔ)；②實(shí)時(shí)采集的波形文件數(shù)據(jù)以LabVIEW 特有的文件存儲(chǔ)格式存儲(chǔ)。

2.5 撓度計(jì)算模塊

撓度計(jì)算模塊提供了基于傾角儀原始數(shù)據(jù)計(jì)算橋梁撓度的后處理功能，以方便用戶處理利用其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的傾角儀原始數(shù)據(jù)，或剔除個(gè)別通道數(shù)據(jù)異常的傾角儀原始數(shù)據(jù)后再進(jìn)行撓度計(jì)算，解決了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中由于單個(gè)傾角儀不能正常工作導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)無效的問題。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

以一座鐵路（119.05+119.05）m 矮塔斜拉橋、一座公鐵兩用（140+462+1 092+462+140）m 鋼桁梁斜拉橋、一座公鐵兩用（84+84+1 092+84+84）m 鋼桁梁懸索橋?yàn)閷?duì)象進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，對(duì)撓度檢測(cè)系統(tǒng)使用效果予以驗(yàn)證。

3.1 矮塔斜拉橋靜載試驗(yàn)

一座鐵路（119.05+119.05）m 矮塔斜拉橋?yàn)殡p線橋，結(jié)構(gòu)形式為獨(dú)塔雙索面加勁預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋（圖3）。在箱梁底板順橋向等間距布置5個(gè)QY-Ⅱ型傾角儀測(cè)試編組列車靜態(tài)加載時(shí)大里程側(cè)119.05 m邊跨梁體跨中豎向撓度。

2 列編組為機(jī)車（DF4）+8 輛KZ70重車的試驗(yàn)列車在梁體最大正彎矩工況輪位雙線加載時(shí)，采用撓度檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試得到的全橋撓度曲線與靜力水準(zhǔn)儀測(cè)試結(jié)果見圖4?？芍?，不同位置撓度檢測(cè)系統(tǒng)與靜力水準(zhǔn)儀測(cè)試的梁體豎向撓度基本一致，最大相對(duì)誤差為2.30%，表明采用撓度檢測(cè)系統(tǒng)得到的測(cè)試結(jié)果較為理想。另外，撓度檢測(cè)系統(tǒng)能夠給出測(cè)試孔跨的撓度分布，方便用戶對(duì)橋梁撓度結(jié)果進(jìn)行深入分析。

圖4 大里程側(cè)119.05 m邊跨撓度分布

3.2 鋼桁梁斜拉橋靜動(dòng)載試驗(yàn)

一座公鐵兩用（140+462+1 092+462+140）m 鋼桁梁斜拉橋（4 線鐵路、6 車道公路），結(jié)構(gòu)形式為雙塔三索面鋼桁梁斜拉橋（圖5）。

圖5 鋼桁梁斜拉橋

靜載試驗(yàn)在2 線鐵路和6 車道公路加載。2 線鐵路加載列車上行線采用機(jī)車（DF4）+35 輛C70重車+機(jī)車（DF4）編組，下行線采用機(jī)車（DF4）+30 輛KZ70 重車+機(jī)車（DF4）編組；6 車道公路每車道采用10 輛30 t軸重滿載汽車加載。靜載試驗(yàn)采用全站儀測(cè)試1 092 m跨中撓度，并推算為設(shè)計(jì)荷載下的撓跨比。靜載試驗(yàn)中，中跨跨中撓度實(shí)測(cè)最大值為1 078.4 mm，換算設(shè)計(jì)荷載作用下（2線鐵路+6車道公路）撓度為1 801.8 mm，換算撓跨比為1/606。

動(dòng)載試驗(yàn)在下行線采用編組貨物列車進(jìn)行5 km/h準(zhǔn)靜態(tài)加載，貨物列車編組為：電力機(jī)車（HXD2B-172）+17 輛C70貨車（空車）+1 輛C70貨車（空車，動(dòng)力學(xué)測(cè)試車，換裝測(cè)力輪對(duì)）+1輛C64K貨車（空車）+試驗(yàn)車+1輛C64K貨車（重車）+1 輛C70貨車（重車，動(dòng)力學(xué)測(cè)試車，換裝測(cè)力輪對(duì)）+33 輛C70 貨車（重車）+電力機(jī)車（HXD2B-074）。貨物列車準(zhǔn)靜態(tài)通過時(shí)，在1 092 m 中跨下游側(cè)邊桁下弦桿順橋向等間距布置5 個(gè)QY-Ⅱ型傾角儀測(cè)試跨中撓度并推算為設(shè)計(jì)荷載下的撓跨比。動(dòng)載試驗(yàn)中，中跨下游側(cè)邊桁跨中撓度實(shí)測(cè)最大值為430.16 mm（圖6），換算設(shè)計(jì)荷載作用下（2 線鐵路+6車道公路）撓度為1 772.53 mm，換算撓跨比為1/616。靜載試驗(yàn)與動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)得的撓度最大相對(duì)誤差為1.62%，表明采用撓度檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試得到的橋梁撓度較為理想。

圖6 鋼桁梁斜拉橋1 092 m中跨下游側(cè)邊桁下弦桿撓度分布

3.3 鋼桁梁懸索橋靜載試驗(yàn)

一座公鐵兩用（84+84+1 092+84+84）m 鋼桁梁懸索橋（4 線鐵路、8 車道公路），結(jié)構(gòu)形式為雙塔五跨連續(xù)鋼桁梁懸索橋（圖7）。靜載試驗(yàn)在2 線鐵路和6 車道公路加載，2 線鐵路加載列車上下行線均采用機(jī)車（DF4）+36 輛C70重車+機(jī)車（DF4）編組；6 車道公路每車道采用12 輛30 t 軸重滿載汽車加載。在1 092 m 中跨下游側(cè)邊桁下弦桿順橋向等間距布置5 個(gè)QY-Ⅱ型傾角儀測(cè)試靜態(tài)加載時(shí)的豎向撓度，采用全站儀進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

圖7 鋼桁梁懸索橋

靜載試驗(yàn)列車在1 092 m 中跨跨中最大正彎矩工況加載時(shí)，采用撓度檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試得到的全橋撓度曲線與全站儀測(cè)試結(jié)果見圖8?？芍?，采用2種方法測(cè)試得到的不同位置處梁體豎向撓度基本一致，最大相對(duì)誤差為1.73%，表明采用撓度檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試得到的橋梁撓度較為理想。

圖8 鋼桁梁懸索橋1 092 m中跨下游側(cè)邊桁下弦桿撓度分布

4 結(jié)論

1）通過比選傾角儀、數(shù)據(jù)采集設(shè)備的參數(shù)，基于LabVIEW 編程軟件設(shè)計(jì)了橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)且可靠方便。

2）斜拉橋、懸索橋的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：采用橋梁撓度檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試得到的橋梁靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)撓度較為理想，且撓度檢測(cè)系統(tǒng)能夠給出測(cè)試孔跨的撓度分布圖，方便用戶對(duì)橋梁撓度結(jié)果進(jìn)行深入分析。