基于壓力變送器的橋梁撓度監(jiān)測(cè)方法研究

橋梁整體撓度測(cè)量是基于對(duì)橋梁關(guān)鍵點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià), 常用的測(cè)量方法有標(biāo)尺經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、百分表、千分表、加速度計(jì)、位移計(jì)等, 已廣泛用于橋梁檢測(cè)及驗(yàn)收鑒定中, 但這些廉價(jià)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的測(cè)量方法只能用于橋梁靜撓度測(cè)量, 存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、使用不方便、在線(xiàn)測(cè)量困難等不足。因此, 一些新型撓度測(cè)量法如傾角儀、GPS 、連通管法、光電圖像式測(cè)量?jī)x等逐漸應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測(cè)中, 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線(xiàn)、自動(dòng)測(cè)量。

    各種撓度監(jiān)測(cè)方式均有其特點(diǎn), 但如何結(jié)合實(shí)際工程背景選擇合適的方法以獲取非常佳的性?xún)r(jià)比, 需要在實(shí)際工作中加以研究探索。鋼桁架拱橋由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)只需對(duì)其非常主要的豎向撓度做動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以反映橋梁整體特性, 因此可考慮采取基于壓力變送器的撓度監(jiān)測(cè)方法(連通管法的一種), 以獲取非常優(yōu)的性?xún)r(jià)比。

1 　撓度監(jiān)測(cè)

1. 1 　測(cè)量原理

     本方案擬采用差壓液位式撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋面豎向撓度狀況 。該系統(tǒng)核心器件擬采用羅斯蒙特3015S-CD 壓力變送器(量程代碼0),壓力變送器通過(guò)測(cè)量連通管內(nèi)液體的壓力差確定液位的升降值, 測(cè)量原理如圖1 所示, 測(cè)量探頭插入被測(cè)液體, 距液面高度為H , 在靜壓力的作用下, 一部分液體由探頭底部開(kāi)孔處進(jìn)入探頭內(nèi), 高度為h 。探頭腔內(nèi)的氣體被壓縮并被封存, 充當(dāng)導(dǎo)壓介質(zhì)。由流體靜力學(xué)可知, 腔內(nèi)氣體壓力p =(H - h)ρg 。式中:ρ為被測(cè)介質(zhì)密度;g 為重力加速度。隨著槽內(nèi)液位的上升或下降, h 值增大或減小, 探頭腔內(nèi)體積以及氣體壓力隨之變化, 故而產(chǎn)生壓力信號(hào)。由于h 值相對(duì)于H 而言很小, 故氣體壓力p ≈Hρg , 由壓力變送器檢出p 值即可得知液位。

壓力變送器原理圖

1. 2 　監(jiān)測(cè)方式

    差壓液位式撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由壓力變送器、水箱、連通管、水管及二次支持儀表構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。監(jiān)測(cè)橋梁撓度時(shí)通常在主梁上布置若干個(gè)測(cè)點(diǎn), 每個(gè)測(cè)點(diǎn)均可以實(shí)時(shí)測(cè)量該點(diǎn)的撓度, 每隔一段時(shí)間(可根據(jù)具體工況調(diào)整)作一次數(shù)據(jù)分析, 給出各測(cè)點(diǎn)撓度變化的時(shí)程曲線(xiàn),由相應(yīng)的豎向撓度測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算出主梁各截面位置的扭轉(zhuǎn), 并繪出扭轉(zhuǎn)時(shí)程曲線(xiàn), 找出并記錄各條曲線(xiàn)的非常大值和非常小值。根據(jù)曲線(xiàn)中極值的大小決定是否保存本次采樣的各種結(jié)果。經(jīng)過(guò)判斷, 凡是要保存的原始數(shù)據(jù)及分析結(jié)果, 還應(yīng)同時(shí)給出相應(yīng)的載荷(可能是風(fēng)、溫度、地震、車(chē)輛等載荷)的變化情況。差壓液位式撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

差壓液位式撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

1. 3 　系統(tǒng)性能指標(biāo)

液體選擇　水。

差壓量程　- 733 ～ 733 Pa 。

液位量程　- 748 ～ 748 Pa(根據(jù)工況調(diào)整)。

精度　0. 04 %(相對(duì)精度)。

　溫度極限　- 40 ～ 80 ℃。

濕度極限　0 ～ 100 %的相對(duì)濕度。

　　穩(wěn)定性　至少10 年。

動(dòng)態(tài)特性　總體響應(yīng)時(shí)間700 ms ;停滯時(shí)間

45 ms ;更新速率22 次/ s 。

振動(dòng)影響　誤差小于量程上限的±0. 1 %。

雷電保護(hù)　滿(mǎn)足IEEE 標(biāo)準(zhǔn)要求。

輸出方式　遠(yuǎn)程數(shù)字式液晶顯示。

1. 4 　鋼桁架拱橋撓度監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)

    以圖3 所示橋梁為例, 其撓度測(cè)點(diǎn)在上游端引橋布設(shè)5 個(gè), 主橋布設(shè)9 個(gè);下游端引橋布設(shè)5個(gè), 主橋布設(shè)9 個(gè)。在布置全橋撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)以主橋?yàn)橹? 引橋?yàn)檩o;由于對(duì)稱(chēng)性, 考慮在上下游斜向?qū)菍?duì)稱(chēng)布置, 同時(shí)滿(mǎn)足全橋豎向撓度和不均勻偏轉(zhuǎn)的監(jiān)測(cè),減少了傳感器且提高了性?xún)r(jià)比。

橋梁撓度測(cè)點(diǎn)示意圖

2 　分析與結(jié)論

    對(duì)于營(yíng)運(yùn)時(shí)間日久的橋梁, 管養(yǎng)部門(mén)和工程界對(duì)其結(jié)構(gòu)安全狀況十分關(guān)注, 由于撓度反映了橋梁整體結(jié)構(gòu)特性和環(huán)境荷載的影響, 因此對(duì)此進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

    差壓式壓力變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁撓度在國(guó)內(nèi)外尚不多見(jiàn), 國(guó)內(nèi)也是剛剛在?？谑兰o(jì)大橋的健康監(jiān)測(cè)中投入營(yíng)運(yùn), 實(shí)踐證明其效果良好, 因此利用差壓液位式撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋面豎向撓度狀況理論上可行, 同時(shí)也具有工程實(shí)際前景, 值得深入探索并在實(shí)際工程中加以發(fā)展完善。

    從工程實(shí)際的角度來(lái)看, 差壓式壓力變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁撓度的難點(diǎn)在于如何選擇與實(shí)際監(jiān)測(cè)橋梁相符合的差壓式壓力變送器, 即如何選擇合適的壓力變送器的型號(hào)與量程;同時(shí), 對(duì)水箱、傳感器的合理設(shè)置以及水管的傳輸?shù)葘?shí)際工藝問(wèn)題也要詳加考慮, 這樣才能設(shè)計(jì)出性能可靠有效、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的橋梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)然, 其系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度和準(zhǔn)確性在滿(mǎn)足工程需要的前提下還需要不斷提高和完善。

    需要指出的是, 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可由數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)處理后形成橋梁狀況監(jiān)測(cè)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)。利用該數(shù)據(jù)庫(kù), 橋梁管理部門(mén)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的結(jié)構(gòu)安全健康狀況, 評(píng)估結(jié)果可及時(shí)通過(guò)企業(yè)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)通道傳送至橋梁監(jiān)測(cè)中心, 實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、顯示、處理和異常報(bào)警等功能, 為有關(guān)管理人員進(jìn)行橋梁管理決策提供依據(jù)。

3 　承臺(tái)施工

    承臺(tái)封底施工后, 封底砼強(qiáng)度5 d 可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70 %, 鋼套箱圍堰內(nèi)抽水后無(wú)漏水現(xiàn)象發(fā)生, 封底砼表面平整度較好(也可澆筑一薄層水泥砂漿找平), 可進(jìn)行干作業(yè)面承臺(tái)施工。

4 　結(jié)語(yǔ)

    水下無(wú)底套箱施工的重點(diǎn)在于砼封底, 如何在施工中尋求更為簡(jiǎn)單可行、能保證質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)合理的施工工藝, 是橋梁施工人員不斷追求的目標(biāo)。水下承臺(tái)施工單點(diǎn)移動(dòng)直接下料澆筑封底砼的方法, 是對(duì)大面積、大方量水下砼施工工藝的一種新的嘗試, 通過(guò)襄樊漢江四橋的實(shí)踐證明, 該施工方法是成功的, 具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。