半封闭连通管式差压传感器在桥梁挠度测量中的应用*

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(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引 言

桥梁作为交通运输网络的重要组成部分，在国民经济生活中具有十分重要的地位，因此，确保桥梁的安全、可靠至关重要。桥梁挠度作为结构的运行状况和工作性能的一个重要参数，已在其健康监测与安全评估[1,2]、温度效应[3,4]、应力损失[5,6]、交工验收[7]上得到了广泛应用。

目前常用的挠度测量方法：百(千)分表等位移计法[8,9]、水准仪、全站仪等光学仪器测量法[7～9]，连通管法[10,11]等已广泛应用于检测和验收鉴定等试验中。此类方法经济、便捷，但均属于短期、人工测量，存在耗费时间和人力、实时性不强等缺点。倾角仪法、激光图像法、GPS、惯性测量法、光电液位连通管法、压力变送器法、张力线法等均可实现自动测量，但均存在局部缺陷：倾角仪法要求安装时的轴线与桥轴线平行[9,12,13]；图像法受大气能见度影响较严重，在雨雾天气难以正常工作[9,14]；GPS在桥梁挠度方向精度较低，目前仅适用于特大跨径的斜拉桥和悬索桥[2,9]；惯性测量法对低频位移存在失真现象且不能测量静挠度[15]；光电液位连通管法属于开放式连通管[10,16,17]，液面震荡、液体蒸发、管道摩阻力等降低了其测试精度和长期稳定性，且设备成本较高、对施工安装垂直度要求很高即环境适应性较弱；张力线法的精度较低，测试过程需进行复杂的运算，且构造复杂、成本较高[18,19]。

针对上述挠度测量方法和系统的不足，本文阐述了一种基于连通管原理，将其一端密闭，并结合差压传感器、RS—485总线技术/RF技术和计算机技术的桥梁挠度自动化测量系统。该系统能够对桥梁挠度进行短期和长期、在线、远程、自动化测试，且技术实现容易、布置简单、操作便捷，易于推广应用。系统于2010年11月应用于随(州)岳(阳)高速公路荆岳长江公路大桥通车鉴定试验的静载挠度测量中，使用情况表明：该传感技术及其系统稳定可靠，测试效果良好，能有效用于桥梁挠度的自动测量。

1 半封闭连通管式差压传感器

1.1 基本原理

根据连通管的基本原理，将连通器的其中一端置于相对参考点位置(相对不动点)，另外一端置于测点位置(挠度测点)，连通管布置于桥面上，当桥梁发生挠度变形时，根据连通管液位相等的特性即可得到该挠度值，但属于人工测读，耗时费力且只能读取某些时间点的数据。要实现数据的自动化测量，需采用与之相配套的差压传感装置，如图1所示。当测点处有挠度变形时，则密闭气体体积改变，压力随之改变，而作为参考的大气压强不变，故差压随之改变，因此,只需进一步对差压传感器的输出变化进行一定处理便可得到测点处挠度值。

该方法变传统的液面读数为压力测量，避免了人为读数误差，提高了数据的可复现性和读数稳定性。该系统既可通过数字显示设备实现人工读数，也可实现自动化测量。其采用的半封闭式连通管结构，使得测试过程中由于液位震荡造成的读数稳定时长大大缩短，同时管路中流体仅有很小距离的流动，因而大幅降低了管道摩阻力对测试精度的影响。

图1 半封闭连通管式差压传感原理

1.2 传感器测量系统

要将半封闭连通管式差压传感器应用于实际工程，完成大桥主梁多测点挠度的同步、实时、自动测量，必须构建出操作便捷的半封闭差压连通管式挠度测量系统，其主要包括：半封闭式连通管、与连通管配套的差压传感器、外围的数字转换电路、数据传输与存储设备等，如图2所示。其基本原理是当连通管沿主梁轴线布置时，主梁的挠度通过各测点处的半封闭式连通管的密闭端差压变化反应出来，差压传感器感知量经外围电路转换后根据工程实际可选用通过RF信号或者RS—485总线传输至数据采集终端，从而实时得到测点处的挠度值。

图2 半封闭差压连通管式挠度测量系统

2 应用实例

荆岳长江公路大桥主桥为主跨816 m混合梁高低塔斜拉桥，跨度布置为(100+298)m+816 m+(80+2×75)m，桥塔为H型，南塔高224.5 m，北塔高267 m。数据传输采用标准RS—485总线，连通管内介质为纯净水。数据采集和分析采用适用于PC XP系统的挠度自动采集与分析系统/软件，采集时间间隔30 s。

2.1 传感器的布置

根据相关分析计算，对大桥在通车鉴定试验期间的静载试验时主梁挠度进行测量，共采用25只差压连通管式挠度传感器，采集站位于荆州侧桥塔位置的下游侧桥面。桥型布置和传感器布置位置如图3所示(以中跨跨中主梁最大竖向位移中载加载工况为例)。

2.2 桥梁挠度测量数据

2.2.1 主梁挠度测试

加载采用38台重30 t的标准车，对称加载。加载后，跨中最大正弯矩加载时主梁部分挠度测量结果见表1和图4。

表1 部分主梁测点挠度值

图3 桥型与传感器顺桥向布置图

图4 主梁中跨挠度曲线

由表1、图4可知，主梁挠度实测值与理论值之比一般在0.8～1.0之间，绝大部分在0.88～0.95之间，且挠度实测值变化规律与主梁上下缘最大实测应变相吻合。同时，说明该挠度测量系统对于大变形响应准确，且在试验期间数据采集效率明显高于采用人工读数、记录并处理的水准仪测量方法，并能够得到分级加/卸载的时程曲线，如图5所示(以15#传感器为例)。

图5 分级加/卸载挠度时程曲线

2.2.2 钢—混结合段刚度平顺性挠度测试

钢—混凝土结合面设在索塔附近偏向中跨侧、距南索塔中心26.0 m处；钢—混结合段长1.5 m。为了确保主梁钢混结合段构造的安全性和可靠性，国内外一般都采用模型试验和有限元计算相结合的方法，对结构设计的合理性进行验证，以实测局部挠度曲线评价其刚度过渡的平顺性并无前例，故该类局部挠度变形的测量至关重要。结合工程实际，既要保证挠度测量准确，又要设备操作简便、可靠。该桥选用半封闭连通管式差压传感器，其钢—混结合段构造和测点布置如图6所示，测量结果如表2。

图6 钢—混结合段构造与试验时挠度测点布置图

由表2可知，钢—混结合面附近顺桥向相对竖向变形值很小，与主梁上下缘最大实测应变绝对值较小相吻合。说明结构是有较大的安全储备，钢—混结合面两侧梁段的局部变形平顺，没有变形折角，说明钢混—结合段刚度过渡比较平顺。通过该试验验证了对于跨越大江、大河与深沟、峡谷的桥梁挠度测量尤其是类似于钢—混结合段刚度过渡平顺性的主梁局部挠度测量具有很好的适应性。该测量系统相比传统的水准仪法、张力线法、悬吊刚性梁支撑百(千)分表法具有成本低、操作方便、精度高及环境适应性强等优点。

表2 钢—混结合段各测点相对挠度

3 结 论

半封闭连通管式差压传感器及其组成的半封闭差压连通管式挠度测量系统在桥梁通车鉴定试验现场进行实际运用，并和理论计算值进行对比，结果表明：1)传感器能够准确、可靠、实时、自动化地获取桥梁挠度测点的有效挠度数据，其挠度测量值能够有效地反映桥梁结构的实际变化。2)验证了该系统对于跨越大江、大河与深沟、峡谷的桥梁挠度测量尤其是类似于钢—混结合段刚度过渡平顺性的主梁局部挠度测量具有很好的实用性。

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