基于連通管原理的橋梁撓度自動(dòng)測量方法

摘要：基于連通管原理，采用RS485通訊技術(shù)等手段，給出了一種橋梁撓度自動(dòng)測量的方法。該方法具有實(shí)時(shí)、在線、遠(yuǎn)程、精確等特點(diǎn)，且不受人為因素和環(huán)境因素的影響。通過重慶石板坡長江大橋應(yīng)用該方法測量撓度的案例證明，其測量結(jié)果的相對(duì)誤差小于5％，表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。這種測量方法能用于更多橋梁撓度的自動(dòng)監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：連通管；橋梁監(jiān)測；撓度測量；液位傳感器

0 引言
    為適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，近年來全世界的橋梁技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。在跨度方面，我國已位居世界先進(jìn)水平。橋梁的大跨度及結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣等特性對(duì)主梁撓度、應(yīng)力、環(huán)境荷載、承載力等安全參數(shù)均提出了較高要求。其中，主梁撓度變化是反映大橋安全狀態(tài)及進(jìn)行內(nèi)力狀態(tài)評(píng)估分析的重要參數(shù)，也是結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的重要指標(biāo)。因此，無論是健康監(jiān)測項(xiàng)目還是常規(guī)檢查項(xiàng)目，對(duì)橋梁撓度參數(shù)變化的測量，都具有非常重要的意義。
    目前，常用的橋梁撓度測量方法主要有精密水準(zhǔn)儀法、全站儀法、百分表法等人工測量方法和以傾角儀法、光電成像法、激光靶標(biāo)法、GPS法等為主的自動(dòng)測量方法。本文將重點(diǎn)介紹連通管法測量橋梁撓度變化的連通管系統(tǒng)的構(gòu)成、測量原理、方法特點(diǎn)、現(xiàn)場實(shí)施及其注意事項(xiàng)等。

1 連通管法的測量原理
    連通管法測量橋梁撓度的原理是在撓度測量點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間安裝連通管，利用同一系統(tǒng)保持相同水平液面的原理，將兩點(diǎn)間豎直方向上的相對(duì)位置變化轉(zhuǎn)換成連通管內(nèi)液面的變化，然后利用連通管原理由測得的液面變化反算出測量點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)豎直方向的位置變化(即撓度)。
    為確保測量點(diǎn)處的撓度變化不影響連通管內(nèi)的液面高度，在基準(zhǔn)點(diǎn)處將連通管接入大容積容器，并在該容器和測量點(diǎn)各點(diǎn)安裝撓度傳感器，這樣便形成了連通管法橋梁撓度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)模型如圖1所示。

     在橋梁撓度測量項(xiàng)目中，將大容積容器置于基準(zhǔn)點(diǎn)(如大橋的橋臺(tái)處)，在基準(zhǔn)點(diǎn)和測量點(diǎn)均安裝撓度傳感器，通過計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)和測量點(diǎn)撓度傳感器的數(shù)據(jù)差，這樣所得到的結(jié)果，就是橋梁撓度測量點(diǎn)的撓度值。
    說明：h為基準(zhǔn)點(diǎn)處液位傳感器的讀數(shù)：h1為在橋梁沒有形變時(shí)，測量點(diǎn)A處撓度傳感器的讀數(shù)；h2為在橋梁有形變時(shí)，測量點(diǎn)A處撓度傳感器的讀數(shù)。

    從圖2可得，該橋梁測量點(diǎn)A處的撓度變化為：
    △h=(h2-h)-(h1-h)=h2-h1
    當(dāng)△h>0時(shí)，說明橋梁處于上撓狀態(tài)：當(dāng)△h<0時(shí)，說明橋梁處于下?lián)蠣顟B(tài)。

2 連通管測量原理在橋梁撓度測量中的應(yīng)用
2．1 連通管法橋梁撓度測量系統(tǒng)建設(shè)
    將連通管測量原理應(yīng)用在橋梁撓度測量中，程序員可以根據(jù)選用撓度傳感器的通訊協(xié)議、輸出信號(hào)和采集策略等編寫一套橋梁撓度數(shù)據(jù)采集與處理程序，這樣，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)便可實(shí)現(xiàn)橋梁撓度的自動(dòng)測量。
    連通管法橋梁撓度測量系統(tǒng)主要包括撓度傳感器、連通管道、大容積容器、安裝有數(shù)據(jù)采集與處理程序的計(jì)算機(jī)、通訊電纜和供電電纜等。將撓度傳感器、連通管道、大容積容器連接在一起形成連通管系統(tǒng)；將撓度傳感器通過供電電纜和通訊電纜分別接入供電設(shè)備和計(jì)算機(jī)通訊端口，便形成了連通管法橋梁撓度測量系統(tǒng)的硬件框架，圖3所示是連通管法撓度測量系統(tǒng)硬件組成框圖。

2．2 連通管法橋梁撓度測量系統(tǒng)的注意事項(xiàng)
    連通管法測量橋梁撓度的幾大難點(diǎn)：
    (1)連通管中存在氣泡或氣柱會(huì)使液位與實(shí)際不符；
    (2)液體中含有雜質(zhì)可能阻塞或堵塞連通管道；
    (3)通訊線纜過長，信號(hào)會(huì)受到環(huán)境干擾；
    (4)連通管中的液體在環(huán)境溫度降到其凝固點(diǎn)后會(huì)發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象；
    (5)對(duì)于長期在線監(jiān)測工程，該方法還有另一個(gè)難點(diǎn)，即連通管中液體揮發(fā)過多會(huì)導(dǎo)致?lián)隙葌鞲衅鹘佑|不到液體，測得的數(shù)據(jù)降為零，與實(shí)際不符。
    為了克服以上難點(diǎn)，在實(shí)際工程項(xiàng)目中，宜按以下方法開展工作：
    (1)選擇通訊協(xié)議為RS485制式的撓度傳感器，通訊線纜選擇全銅材質(zhì)的雙芯屏蔽電纜，以便可以長距離傳輸信號(hào)，且基本不受環(huán)境干擾；
    (2)大容積容器可選擇不銹鋼材質(zhì)，連通管道選用PPR管，安裝在連通管道中的閥門選擇全銅球閥，注入連通管的液體選用加防腐劑的純凈水，以便有效防止液體變質(zhì)，避免管道阻塞；
    (3)近撓度傳感器端的連通管支管選用透明軟管，以便于撓度傳感器的安裝更換和連通管加水或排氣時(shí)的液位監(jiān)視；
    (4)撓度傳感器須安裝在容器總高度的1／3～2／3范圍，并基本保持在同一水平線上，要避免部分撓度傳感器超量程或數(shù)據(jù)為零；
    (5)設(shè)置連通管缺水報(bào)警裝置或者自動(dòng)補(bǔ)水管路，避免水位下降而無法進(jìn)行撓度測量。

3 連通管法橋梁撓度測量應(yīng)用案例
    重慶石板坡長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)撓度子系統(tǒng)于2006年就將連通管原理測量撓度的方法應(yīng)用在實(shí)際工程項(xiàng)目中，并正常運(yùn)行至今，效果顯著。該橋?yàn)榇罂鐝竭B續(xù)剛構(gòu)鋼混梁結(jié)構(gòu)，長1 103．5 m，寬19 m，單向四車道，主跨330 m，為當(dāng)時(shí)世界第一跨徑鋼混結(jié)合梁橋。
    該系統(tǒng)在大橋主梁的13個(gè)截面共布置了26個(gè)撓度測量點(diǎn)(含4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn))，圖4所示是重慶石板坡長江大橋撓度測點(diǎn)布置圖。

    2010年底，重慶勘查院對(duì)該橋?qū)嵤┝藫隙确鈽驕y量，測點(diǎn)與圖4相同。該橋上游側(cè)13個(gè)測量點(diǎn)的自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工測量數(shù)據(jù)與理論值的分析對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

    圖5所示的對(duì)比結(jié)果表明，本自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工測量數(shù)據(jù)與理論值的相對(duì)誤差均不超過5％。

4 結(jié)語
    橋梁撓度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測是橋梁健康監(jiān)測的重要組成部分，基于連通管原理的橋梁撓度測量方法是一種簡單有效的方法。采用RS485通訊技術(shù)的撓度傳感器，能實(shí)現(xiàn)撓度數(shù)據(jù)的精確測量和遠(yuǎn)距離傳輸，滿足各類大中型橋梁健康監(jiān)測的監(jiān)測需要。在重慶石板坡長江大橋的應(yīng)用結(jié)果表明，基于連通管原理的橋梁撓度自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)測試效果良好、性能穩(wěn)定可靠，能有效應(yīng)用于橋梁撓度的長期實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測。