基于分段懸鏈線原理的橋梁撓度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)

朱琛，王學(xué)敏，劉建軍

（1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550025）

在橋梁領(lǐng)域，我國已經(jīng)成為名副其實的建設(shè)大國，我國橋梁的建設(shè)水平已經(jīng)取得了令世界都為之驚嘆的巨大進(jìn)步[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國建設(shè)完成的橋梁中超過40%已經(jīng)進(jìn)入了老齡化橋梁，隨之而來的是橋梁事故的頻發(fā)。因此對橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測是必不可少的一個環(huán)節(jié)[2,3]。

目前，橋梁健康監(jiān)測方法繁多，但各類方法各有優(yōu)缺點[4]。而基于分段懸鏈線原理的橋梁撓度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要適用于箱梁橋或渡槽，該方法的研發(fā)旨在達(dá)到橋梁健康監(jiān)測要求的前提下降低監(jiān)測成本，為我國大跨度橋梁及渡槽的健康監(jiān)測及安全評價提供新技術(shù)及設(shè)備支撐。

1 系統(tǒng)介紹

基于分段懸鏈線原理的橋梁撓度在線監(jiān)測系統(tǒng)包括分段懸鏈線基準(zhǔn)系統(tǒng)、撓度測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、供電系統(tǒng)幾個部分。其原理見圖1，將撓度測距儀安裝在箱梁底板，測距儀上方懸掛一條線，線上懸掛測距反射裝置，通過測距儀前后測量數(shù)據(jù)的變化值反算出橋梁撓度。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

2 分段懸鏈線基準(zhǔn)系統(tǒng)研發(fā)

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)需要長期服役于橋梁，分段懸鏈線基準(zhǔn)系統(tǒng)作為橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的組成之一，保證其在長時間工作下的適用性及穩(wěn)定性是關(guān)鍵。

2.1 懸鏈線材料選擇

在分段懸鏈線基準(zhǔn)系統(tǒng)的研發(fā)過程中，懸鏈線材料的選擇是核心，是保證其測量精度的重要因素之一。綜合對比最終選擇T700 碳纖維長繩，該繩索單絲直徑7-8微米，可按需求自行選擇長絲數(shù)量。通過邁達(dá)斯Civil建立分段懸鏈線模型，最終選擇12K 長絲碳纖維繩作為懸鏈線材料，如圖2。

圖2 T700 碳纖維12K 長繩

2.2 懸鏈線固定裝置

懸鏈線固定裝置的作用是將懸鏈線安裝于箱梁內(nèi)部，使懸鏈線在長期工作過程中兩端不晃動的裝置。本文根據(jù)需求設(shè)計出一款適用于監(jiān)測系統(tǒng)的固定裝置，保證了懸鏈線的穩(wěn)定性及長期使用性，固定裝置設(shè)計圖見圖3。

圖3 懸鏈線固定裝置設(shè)計圖

3 撓度測量系統(tǒng)研發(fā)

在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)過程中，精確的測量是監(jiān)測系統(tǒng)能夠達(dá)到使用要求的前提，因此撓度測量系統(tǒng)作為橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，其重要性不言而喻。撓度測量系統(tǒng)可分為激光測距儀和激光反射板，針對系統(tǒng)特點選擇合適的激光測距儀并設(shè)計相應(yīng)激光反射板。

3.1 激光測距儀

傳感器模塊通過對分段懸鏈線的位移情況進(jìn)行監(jiān)測，從而為評估橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)提供依據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、實時性、準(zhǔn)確性會對系統(tǒng)或工作人員的判斷產(chǎn)生影響，因此對傳感器的選型需要從以上幾個方面綜合考慮。

傳感器是影響測量精度的關(guān)鍵性因素，本文綜合考慮監(jiān)測系統(tǒng)的精度要求、安全性、工作環(huán)境以及傳感器選型的條件，最終采用FS—LRF 高精度激光測距儀作為測距設(shè)備，如圖4。目前，該類型傳感器技術(shù)較為成熟，其精度高、體積小、使用方便且價格較低的特點能夠滿足監(jiān)測系統(tǒng)需求。

圖4 FS—LRF 高精度激光測距儀

FS—LRF 高精度激光測距儀作為一種利用激光相位法的新型傳感器，其測量原理是利用無線電波段的頻率對激光束進(jìn)行幅度調(diào)制，通過測定出調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位差，再根據(jù)調(diào)制光的波長換算出實際距離下的相位延遲，進(jìn)而測定出光往返測線所需要的時間[5,6]。

3.2 懸掛式激光反射板

由FS—LRF 高精度激光測距儀的基本原理可知，激光在發(fā)射后需經(jīng)過反射才能得出測量數(shù)據(jù)，而在分段懸鏈線基準(zhǔn)系統(tǒng)中，懸鏈線本身不能反射激光，所以需要在懸鏈線上懸掛激光反射板，激光反射板的懸掛使懸鏈線的線形變?yōu)榱朔侄螒益溇€。

懸掛式激光反射板并不是一直處于固定狀態(tài)，而是通過鋼絲繩與T700 碳纖維長繩連接。根據(jù)激光測距儀的工作原理，發(fā)射的激光和反射板之間的夾角需大于40°，懸掛式激光反射板在監(jiān)測系統(tǒng)工作的過程中會不定時產(chǎn)生晃動，晃動使激光反射板位置改變的同時產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角大于某一臨界值時就會導(dǎo)致激光束到不了激光反射板的反射面上，即激光測距儀測不出數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度跳躍。轉(zhuǎn)角臨界值的大小與激光反射板直徑、激光測距儀和激光反射板之間的距離相關(guān)。

4 結(jié)論

橋梁撓度監(jiān)測是橋梁健康監(jiān)測的重要組成之一，基于分段懸鏈線原理的橋梁撓度在線監(jiān)測方法是一種簡單而有效的方法。本文采用激光測距和GPRS DTU 技術(shù)，能夠保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確性并實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸滿足橋梁健康監(jiān)測的需求。根據(jù)規(guī)范要求，分別對分段懸鏈線基準(zhǔn)的撓度在線監(jiān)測系統(tǒng)幾個方面的設(shè)計進(jìn)行了介紹，新監(jiān)測方法的研究對橋梁健康監(jiān)測有重要意義。