基于連通管原理的橋梁撓度自動測量方法

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測量的方法。該方法具有實時、在線、遠程、精確等特點，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)社會經(jīng)濟快速發(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水平。橋梁的大跨度及結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣等特性對主梁撓度、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)及進行內(nèi)力狀態(tài)評估分析的重要參數(shù)，也是結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的重要指標。因此，無論是健康監(jiān)測項目還是常規(guī)檢查項目，對橋梁撓度參數(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、激光靶標法、GPS法等為主的自動測量方法。本文將重點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、現(xiàn)場實施及其注意事項等。

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和基準點之間安裝連通管，利用同一系統(tǒng)保持相同水平液面的原理，將兩點間豎直方向上的相對位置變化轉(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相對于基準點豎直方向的位置變化(即撓度)。
    為確保測量點處的撓度變化不影響連通管內(nèi)的液面高度，在基準點處將連通管接入大容積容器，并在該容器和測量點各點安裝撓度傳感器，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。

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

    從圖2可得，該橋梁測量點A處的撓度變化為：
    △h=(h2-h)-(h1-h)=h2-h1
    當△h>0時，說明橋梁處于上撓狀態(tài)：當△h<0時，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)計的系統(tǒng)便可實現(xiàn)橋梁撓度的自動測量。
    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算機、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)備和計算機通訊端口，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
    連通管法測量橋梁撓度的幾大難點：
    (1)連通管中存在氣泡或氣柱會使液位與實際不符；
    (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，信號會受到環(huán)境干擾；
    (4)連通管中的液體在環(huán)境溫度降到其凝固點后會發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象；
    (5)對于長期在線監(jiān)測工程，該方法還有另一個難點，即連通管中液體揮發(fā)過多會導(dǎo)致?lián)隙葌鞲衅鹘佑|不到液體，測得的數(shù)據(jù)降為零，與實際不符。
    為了克服以上難點，在實際工程項目中，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，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)置連通管缺水報警裝置或者自動補水管路，避免水位下降而無法進行撓度測量。

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)用在實際工程項目中，并正常運行至今，效果顯著。該橋為大跨徑連續(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，為當時世界第一跨徑鋼混結(jié)合梁橋。
    該系統(tǒng)在大橋主梁的13個截面共布置了26個撓度測量點(含4個基準點)，圖4所示是重慶石板坡長江大橋撓度測點布置圖。

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

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

4 結(jié)語
    橋梁撓度在線實時監(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，能實現(xiàn)撓度數(shù)據(jù)的精確測量和遠距離傳輸，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時自動監(jiān)測。