基于慣性法的橋梁豎向位移測試試驗研究

謝 軍，王 華，唐洪泉，王希瑞

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國交通運輸行業(yè)的不斷發(fā)展，大跨徑連續(xù)梁橋由于具有較強的跨越能力、成熟的施工技術，被廣泛應用于我國的橋梁建設中[1-2]。大跨度橋梁結構在施工過程和使用過程中，會受到多種因素的影響，導致其受力狀態(tài)十分復雜[3]。

為保證橋梁結構在橋梁施工階段的安全性以及成橋狀態(tài)的可靠性，需要對各階段橋梁力學性能進行監(jiān)測[4-5]。在橋梁施工監(jiān)控以及橋梁服役過程中，橋梁豎向變形均可作為一項重要的評估指標，通過與設計值或規(guī)范值進行對比判斷橋梁當前的狀態(tài)是否滿足要求[6]。目前，位移計、精密水準儀或全站儀作為橋梁豎向位移的常用測試手段，雖然可以取得較高的測試精度，但需要將儀器固定在靜止不動的基準點上。當測試現(xiàn)場無法提供測試所需的固定基準點時，傳統(tǒng)的測試方法難以適用。

本文提出一種不需要考慮基準點的基于慣性的豎向位移測試方法，該測試方法以941B型超低頻振動傳感器為信號采集裝置，采用INV3060S型智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對傳遞的信號進行采集分析，并對采集信號進行數(shù)學積分得到豎向位移。為了驗證所提出方法的有效性和準確性，以一個長度為2 010 mm的試驗懸臂鋼梁為試驗梁，采用提出的方法對其試驗荷載下的最大位移進行測試。

1 慣性測試法在工程上的應用

慣性測量系統(tǒng)是在慣性導航系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，主要由慣性測量元件、數(shù)據(jù)處理采集存儲系統(tǒng)以及控制與顯示系統(tǒng)三部分組成，可實時測量運載體相對于地面運動的加速度。慣性測量已在機械、船舶及航天等領域取得了廣泛的應用。近年來，建筑、公路以及鐵路行業(yè)逐漸針對慣性測量技術開展相關研究及應用。在地下管道的檢修中，慣性測量技術由于具有較強的抗外界干擾能力，且不受管道埋深的影響，被用于管道完整性及損傷性檢測并取得良好的效果[7]。也有研究基于慣性測量原理研發(fā)出地下管線軌跡以及管道埋置深度的測繪儀器[8]。將光纖作為慣性傳感元件，可有效地對地表的沉降和變形進行監(jiān)測，并發(fā)現(xiàn)地表不均勻沉降的規(guī)律[9]。在路面平整度檢測中，將慣性測量系統(tǒng)與高精度多激光測距傳感器相結合建立路面平整度檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于車載的平整度快速測量方法[10]。

2 基于慣性原理的豎向位移測試方法

針對傳統(tǒng)相對式豎向位移測試方法需要靜止的基準點的弊端，本文提出豎向位移的慣性測試法，結合了941B型超低頻振動傳感器、INV3060S型智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及信號分析系統(tǒng)。

941B型超低頻振動傳感器集成了無源閉環(huán)伺服技術，屬于動圈往復式拾振器，克服了回轉擺式低頻傳感器頻帶較寬、易壞等缺點，可獲得良好的超低頻特性[11]。由于其具有低噪、低阻抗、抗干擾等特點，被廣泛應用在建筑、橋梁及大壩等大型結構物的振動形態(tài)測量中。而且，941B型超低頻振動傳感器具有與采集系統(tǒng)以及調理系統(tǒng)連接的端口，便于構建采集分析一體化的測試系統(tǒng)。

941B型超低頻振動傳感器具有4檔微型撥動開關，1檔至4檔分別對應于加速度、小速度、中速度和大速度，不同檔位具有不同的靈敏度、量程、分辨率以及頻帶。加速檔與速度檔的工作原理不同，其運動微分方程分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中：m1——擺的運動部分質量；

x——擺的位移；

b1——阻尼比系數(shù)；

k——簧片的剛度；

M1——并聯(lián)電容后的當量質量。

因此，針對不同結構的振動特性以及擬獲取的振動參數(shù)，需選擇不同的識振器檔位。然后，采用INV3060S型智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對941B型超低頻振動傳感器傳遞的信號樣本進行處理。INV3060S型智能系統(tǒng)擁有24位高精度、高動態(tài)范圍等技術優(yōu)勢，為工程測試數(shù)據(jù)的可靠性提供保障。最后，對采集到的速度時程信號樣本進行積分處理，得到豎向位移的時程曲線。

3 試驗梁豎向位移測試試驗

為了驗證本文提出的豎向位移慣性測試法的適用性和有效性，對試驗梁在試驗工況下的最大豎向位移進行測試。同時采用位移傳感器測試系統(tǒng)對提出方法的測試結果進行校核，并與有限元計算結果進行對比。

3.1 試件制備

本次試驗選取懸臂鋼梁為試驗對象，其截面形式為矩形截面，幾何尺寸為(2 010×195×19.5)mm，鋼板等級為Q235普通碳素結構鋼。懸臂鋼梁通過錨栓與固定端鋼桶相連，鋼桶內采用砂石進行配重。試驗梁的立面及平面圖如圖1所示。

(a)立面

(b)平面

3.2 試驗方案

為校驗慣性測試法測試結果的精度，同時采用位移傳感器測試系統(tǒng)對試驗梁在試驗工況下的豎向位移進行采集，位移傳感器測試系統(tǒng)直接通過固定安裝的豎向位移傳感器收集豎向位移數(shù)據(jù)。采用兩種方法測試試驗梁豎向位移的具體步驟如下：

(1)分別將兩種測試方法的儀器設備安裝在試驗梁測試斷面的頂面，調試儀器設備使其處于正常待測試的工作狀態(tài)。兩種測試方法的傳感器布置位置以及荷載布置情況如圖2所示。

圖2 試驗現(xiàn)場布置圖

(2)采用連續(xù)的采集方式測試某懸臂鋼梁在無外荷載狀態(tài)下的信號樣本和數(shù)據(jù)。

(3)懸掛10kg標準砝碼。

(4)待某懸臂鋼梁靜止后，突然釋放懸掛的標準砝碼。

(5)待某懸臂鋼梁自由振動衰減至靜止狀態(tài)時，停止采集信號樣本和數(shù)據(jù)。

3.3 試驗過程有限元模擬

采用三維有限元分析軟件MidasCivil建立試驗梁的有限元模型，懸臂試驗梁的材料為Q234鋼，彈性模量和容重分別設置為(2.06×105)MPa、78.5kN/m3。使用梁單元對懸臂梁進行建模，通過在固定端施加邊界條件來模擬鋼桶。試驗梁的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元計算模型圖

圖4 Midas Civil有限元仿真位移時程曲線分析圖

通過MidasCivil軟件中的時程分析功能模擬試驗懸臂鋼梁的加載過程，主要分為以下四個階段：(1)初始零位移狀態(tài)；(2)施加試驗荷載并持荷20s；(3)瞬時釋放試驗荷載激勵振動；(4)振動衰減至初始零位移狀態(tài)。試驗加載過程的位移時程分析結果如圖4所示，在施加荷載后豎向位移逐漸增至最大值，持荷穩(wěn)定后釋放荷載豎向位移逐漸衰減至平衡狀態(tài)。采用有限元模擬時，懸臂梁在試驗工況下的最大豎向位移為-10.47mm。

3.4 試驗結果分析

應用慣性測試法對試驗梁在試驗荷載下的最大豎向位移進行測試。首先通過941B型超低頻振動傳感器識別試驗梁振動信號，然后采用NV3060S型智能系統(tǒng)對振動速度信號進行采集，得到的懸臂梁的時域波形如圖5所示。

從圖5所示的時域波形圖看出，整個試驗過程為300s，前81.2s內懸臂梁的速度信號為平衡狀態(tài)，在第81.2s瞬時釋放標準砝碼，振動信號在短時間內增至最大值，然后逐漸衰減至平衡狀態(tài)。為分析出懸臂梁在試驗過程中的最大豎向位移，對采集的時域波形進行積分，得到懸臂梁的位移響應，如圖6所示。

圖5 慣性法測試的時域波形分析圖

圖6 慣性法測試的位移響應曲線分析圖

由圖6可以看出：在標準砝碼釋放前，懸臂梁處于零位移平衡狀態(tài)；當標準砝碼瞬時釋放后，懸臂梁被激勵開始做衰減振動，豎向位移瞬時增至最大值并衰減至平衡狀態(tài)。采用慣性測試法時懸臂梁在振動過程中豎向位移的最大值為-10.32mm。

采用位移傳感器測試系統(tǒng)測量試驗梁在加載工況下的豎向位移結果如圖7所示。由圖7可以看出，1號傳感器與2號傳感器采集到的豎向位移信號變化趨勢基本一致，兩個傳感器采集到的最大豎向位移分別為-10.11mm、-10.16mm，最大豎向位移平均值為-10.14mm。說明試驗梁在荷載激勵下基本未發(fā)生扭轉，可為豎向位移測試提供可靠的試驗條件。

(a)1號傳感器采集結果

(b)2號傳感器采集結果

4 結語

考慮到傳統(tǒng)的相對式豎向位移測量方法需要靜止不動的參考點，本文針對懸臂梁豎向位移的慣性測量法展開試驗研究。得到的主要結論如下：

(1)結合941B型超低頻振動傳感器以及INV3060S型智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過對采集信號進行數(shù)學積分處理，建立了豎向位移的慣性測試系統(tǒng)。

(2)對懸臂試驗鋼梁進行加載，采用慣性法和位移傳感器測試系統(tǒng)同步測量釋放荷載后的最大豎向位移，同時采用MidasCivil有限元模型對試驗過程進行模擬，得到最大豎向位移的模擬值。

(3)根據(jù)慣性測試系統(tǒng)采集得到的時域波形圖，對速度信號進行積分得到位移響應時程曲線?；趹T性法的最大豎向位移的實測值為-10.32mm，與位移傳感器測試系統(tǒng)測試結果及有限元法分析相比，分別相差0.18mm、-0.15mm，說明本文提出的慣性豎向位移測試方法具有較高的精度。