弯桥墩梁位移自动监测系统研究

田世清，曹 洪，王俊新，张明辉

(重庆桥都桥梁技术有限公司，重庆 400015)



弯桥墩梁位移自动监测系统研究

田世清，曹 洪，王俊新，张明辉

(重庆桥都桥梁技术有限公司，重庆 400015)

针对弯桥的墩、梁、支座以及伸缩缝会出现相互关联的病害的现象，设计研发了弯桥墩梁位移自动监测系统。结合热胀冷缩效应，以及系统安装时墩梁之间的原始偏移情况对监测值的影响，通过理论推导得出墩梁的实际偏移值公式；通过图像采集方式实现对伸缩缝的位移情况进行人工判读，对支座状态进行实时观测，并实现对位移传感器采集得到数据的验证功能；数据通过移动无线网络传输到服务器中，由软件系统对服务器中的相关数据进行调用处理，形成数据曲线图、导出监测数据；对超限等状况进行及时短信预警，从而达到及时有效预警被监测点损伤状况的功能。

桥梁工程；墩梁位移；监测；支座；伸缩缝

0 引 言

对运营期间大量弯桥的调查表明，弯桥的墩、梁、支座以及伸缩缝会出现相互关联的病害，如：梁体与墩柱之间会产生异常位移，主要表现为支座产生超限滑移、破坏、甚至失效；墩柱异常偏移，严重时地面以上一定高度范围内混凝土出现环向裂缝；梁体出现异常滑移至伸缩缝宽度超限或抵死，弯桥伸缩缝出现横向错位；部分弯桥外侧防震挡块因推挤而开裂、破损[1]。这些病害的出现极大的威胁桥梁结构安全，必须及时发现、及时处治[2-3]。

JTG H 11—2014《公路桥涵养护规范》规定，桥梁必须定期检查，但由于各种原因，定期检查的质量参差不齐，类似病害不能得到及时发现，且当发现时病害往往已经非常严重，甚至成为危桥。山区公路因受地形限制，桥梁结构所占比例较大，在交通主干道和高速公路上占比更大，不但桥梁数量多，弯桥也非常普遍，桥梁安全变得尤为重要。为避免因此类病害发现不及时而导致运营桥梁安全事故发生，对弯桥墩梁位移的监测变得尤为迫切。

目前，墩梁位移的测量方法主要有激光挠度仪、电子全站仪、全球定位系统(GPS)、位移传感器[4-7]。激光挠度仪与电子全站仪精度高，能够自动进行监测，但是容易受到灰尘、雾气的影响，不能进行长期在线测量，而且必须参考点，这对于诸多工程现场非常困难。全球定位系统(GPS)虽然能够全天候进行长期三维监测，但是该方法同样需要参考点，费用高昂，而且精度只能达到厘米级。位移传感器的方法不需要参考点，能够适应全天候监测，具有较强应用性。

鉴于此，笔者设计研发了弯桥墩梁位移监测系统。该系统采用位移传感器测量墩梁相对位移，避免了上述弊端；采用太阳能供电方式，避免了搭设线缆的不便；采用移动无线通讯技术，进行数据传输；在盖梁和支座垫石上安装了图像采集装置，用于对伸缩缝位移情况的人工判读、支座滑移状况的实时观测，同时对位移传感器所监测得到的墩梁相对位移数据进行辅助验证；软件系统具有良好的可扩展性，可同时支持多座桥梁的墩梁位移监测，同时具有短信预警功能。

1 系统原理

引起弯桥墩梁相对位移的因素很多，如：车辆载荷、周期性环境温度、长期负荷的结构疲劳或滑坡、地震等[8]。车辆荷载、周期性环境温度等属于可恢复性影响因素，即当这种作用消失后，墩梁相对位移又恢复到原来的状态。长期负荷的结构疲劳或滑坡、地震等属于不可恢复性影响因素，这时会产生一个永久性的异常位移，并随时间流逝逐渐变大，以致达到安全极限。

根据以上分析，由突发性因素(如地震、滑坡、洪水等)和桥墩长期运营所产生的永久性位移，以及周期环境温度变化所引起的结构位移，是笔者对弯桥墩梁相对位移进行长期自动监测的主要内容。在此情况下，交通荷载所引起的快速、可恢复性位移变形可通过数据处理的方法作为噪声剔除。笔者对位移传感器采集获得的墩梁相对位移数据进行温度修正和原始偏移修正，从而得到墩梁异常偏移值，见式(1)：

D温=εlΔt

(1)

式中：D温为环境温度引起的梁的位移；ε为线膨胀系数；l为梁长；Δt为系统安装时的初始环境温度值与数据采集时环境温度值的差值。

假设桥墩为刚性体，基础产生整体倾斜(其整体倾斜简化模型见图1)，根据三角函数关系，墩顶位移见式(2)：

D原=HsinΔθ

(2)

式中：D原为系统安装时墩梁之间的原始偏移值(不可恢复性变形)。

图1 桥墩整体倾斜简化模型

采用有限元结构计算软件进行建模计算，T梁桥的墩梁正常位置示意如图2。

图2 墩梁正常位置示意

当桥墩在异常受力作用下发生倾斜时，墩梁之间会产生不正常的相对滑移，当相对滑移量过大时，梁体有可能滑落支座，甚至滑落盖梁，对桥梁结构造成较大的安全影响，建模计算如图3。

图3 倾斜-墩梁位移示意

通过对可恢复性变形的影响因素和不可恢复性变形的影响因素综合分析，由式(1)、式(2)可得式(3)：

D实=(D位±D温)±D原

(3)

式中：D实为墩梁之间的实际偏移值；D位为位移传感器采集获得的墩梁位移值。

在工程应用中，应首先确定方向符号，如李家沱长江大桥，令李家沱方向为正，九龙坡方向为负，进而软件在数据处理中对式(3)中的正负号进行自行判断，求得墩梁之间的实际偏移值。

2 系统设计

本系统通过移动无线网络构成了现场终端-服务器-客户端三点一体的物联网网络。现场终端采用智能监测与图像监测相结合的方式。智能监测即通过传感器自动采集被监测点的原始数据，并处理得到可判断被监测点相关状态的数据，这种监测方式实现了自动化、智能化、长期化。图像监测即对被监测点当前状态进行图像抓拍的监测方式，直观呈现了实体状态。通过这两种监测方式的结合，可以由图形监测方式验证智能监测方式的真实性和有效性，也可实现对支座工作状态的图像监测。本系统中服务器为PC服务器，由一台PC和一台接收机组成。接收机采用移动无线模块，负责与现场终端之间的通信。服务器用于存放现场终端传送的数据以及相关配置参数。本系统中客户端为一台安装了客户端软件且连接了Internet网络的PC。客户端通过Internet网络访问服务器获取现场终端数据，并对数据进行处理、显示等操作，系统框如图4。

图4 系统框图

2.1 硬件系统设计

弯桥墩梁位移自动监测硬件系统主要由供电模块、位移传感器模块、图像采集模块和控制器模块组成。硬件系统框如图5。

图5 硬件系统

2.1.1 供电模块

笔者设计太阳能和市电两种供电方式。针对较多桥梁建于山区偏远地区，供电不便的情况，设计太阳能供电方式。系统不需对现场数据进行频繁采集，而是每天采集一次，当每次数据采集结束后，系统自动进入休眠状态，系统耗电量较少，因此采用太阳能供电足以满足系统耗电需求。

2.1.2 位移传感器模块

位移传感器模块采用具有104次滑动寿命的位移尺测量位移变化量，其位移分辨率和精度均精确到毫米级。由于热胀冷缩效应，墩梁之间会发生正常位移，为了监测获得墩梁永久性异常位移值，在位移传感器附近放置温度传感器，测量精度达到0.1 ℃。笔者利用设计的机械结构将墩梁之间的位移转换为电路中电阻的变化，其原理示意如图6。当桥梁与桥墩发生相对位移时，固定在梁端上的零件I带动固定在桥墩的滑块II滑动，从而导致与滑块II连接的位移计发生变化，即梁相对于墩的位移转化为位移计的变化量。

图6 桥梁位移转换机构

2.1.3 图像采集模块

图像采集模块由摄像头结构和标尺结构两部分构成。其中：摄像头结构由安装支架和摄像头构成，标尺结构由伸缩缝位移标尺结构和墩梁位移标尺结构构成。该模块通过图像抓拍的方式实现对伸缩缝位移情况进行人工判读、对支座状态进行实时观测，并实现对位移计传感器子系统所监测得到的墩梁相对位移数据的辅助验证，如图7。

图7 标尺安装结构及图像采集模块

测量终端开机后首先进行传感器自检，自检通过后对位移、温度以及电源电压等信息进行采集，然后开启SIM卡的GPRS信息通道，与数据服务器主机建立连接，将采集数据发送至数据服务器。接下来对摄像头信息进行采集，并将图片信息若干个数据包发送给服务器主机。

数据服务器主机接收到数据和图片信息后，按照其终端 ID 号存放在数据库中，并将图片数据包重新拼接成图片存放在软件目录下。客户端软件启动后，自动连接数据服务器主机，并根据用户操作从服务器下载相应数据显示在软件界面。

2.1.4 控制器模块

终端控制器模块是弯桥墩梁位移实时自动监测系统的中枢，通过接收并解析远端传送命令或本地已设置命令，控制位移计传感器模块进行数据采集、控制图像采集模块进行图像抓拍，最后通过无线传输模块将数据传输至远端服务器。当桥梁位移转换为位移计的变化量后，通过以下电路便可将其转化为电信号的变化。

2.2 软件系统设计

该系统的软件框架示意如图8。软件模块由数据库、后台服务程序、接口机程序以及客户端这4部分组成。

图8 软件系统框架

数据库SQL Server2008存放终端上传的实时及历史数据；使用表触发器实现数据分析计算处理、预警短信，同时可使用数据库作业及存储过程实现终端数据自动远程获取。后台服务程序响应所有客户端的操作请求，操作数据库。

接口机程序和信息机(下位机)通过串口实时传递数据，从数据库中读取待发送信息(包括：终端更新指令、获取最新数据指令、警示短信息发送)；同野外终端通过TCP协议进行通信，作为TCP的Server端，接收所有野外终端的TCP连接请求，解析野外终端通过TCP通道上传的实时状态、图片等数据。在采用移动无线通信方式进行远程图像传输过程中，经常会出现图像失帧、丢包等问题。针对该问题，在接收机程序中设计了图像重传机制，当校验发现图像失帧或丢包时，向终端发送图像重传命令，通过1 000次的远程(﹥200 km)图像传输试验，试验结果显示其中358次的图像实现了完整传输。

客户端是用户操作入口，可实现的功能包括桥梁信息增、删、改维护；桥墩信息增、删、改维护；按地区统计桥梁信息；按桥梁统计终端信息；展示终端历史数据轨迹；桥梁墩位简易示意图；地图中定位桥梁、显示桥梁实际地理位置；终端远程图片查看；维护终端维修状态；远程更新终端配置；远程获取终端实时数据；统计数据EXCEL导出等。如图9～图11。

图9 客户端用户界面

图10 数据曲线

图11 实时图像

3 系统试验

忠州长江大桥为斜拉桥，全长2 174 m，双向4车道高速公路标准。其中：引桥设计结构为石柱岸引桥右幅采用一联3×35 m及一联3×40 m先简支后连续预应力T梁桥，左幅采用一联3×40 m先简支后连续预应力T梁桥；忠县岸引桥采用一联4×40 m及三联5×30 m先简支后连续预应力T梁桥。

忠县岸引桥为先简支后连续预应力弯梁桥，其中下游侧21号墩和26号墩同为常规钢筋混凝土双圆柱墩，梁体容易滑动，与桥墩产生滑移。如果滑移过大，或脱离设计范围，桥梁将产生危险。所以，在21，26号下游侧墩顶与梁体之间分别安装一套弯桥墩梁位移自动监测系统终端，其中太阳能供电模块安装在护栏上，通过PVC管走线连接控制器模块和图像采集模块，位移传感器模块和控制器模块安装在盖梁挡块上，图像采集模块安装在盖梁和支座垫石上。具体布点见图12，安装示意见图13。

图12 忠州长江大桥布点

图13 安装示意

在监测过程中发现监测点在多雾季节雾大、浓密，致使摄像头采集图像模糊不清，因此，设定数据采集时间为12:00。考虑监测点异常位移由长期的多方面因素所造成，频繁的数据采集不仅不能更好的体现墩梁相对位移变化情况，反而会加重系统运转负荷，因此设定每天采集一次数据。

通过对2013年11月27日—2014年6月15日监测数据的整理分析，得出忠州长江大桥21，26号墩墩梁相对位移监测趋势图、监测图像和监测报告，由于篇幅所限，笔者只对21号墩墩梁相对位移数据进行分析。见图14、图15及表1。

图14 温度趋势

图15 相对位移趋势

表1 墩梁相对位移监测

由表1可以得到以下监测结论：

1)墩梁相对位移。在本监测周期内，实测的相对位移与理论计算的相对位移基本相符；在本监测周期内，墩梁相对位移变化趋势(低温时梁体混凝土收缩、高温时梁体混凝土膨胀)符合混凝土热胀冷缩的自然规律；根据报告周期监测结果，传感器实测的墩梁相对位移与标尺示值位移基本相符。

2)伸缩缝间距。在本监测周期内，伸缩缝间距标尺所示位移为墩梁相对位移的2倍，符合盖梁两侧梁体同时热胀冷缩的规律。

3)支座变形情况。在本监测周期内，支座未见明显变形。

4 结 语

通过对忠州长江大桥数月的试验监测，验证得出：温度传感器能准确、稳定的获取监测点实时温度值，精度达到0.1 ℃，满足应用需求；位移传感器能实时反映墩梁相对位移变化情况，精度达0.1 mm，满足应用需求；图像采集模块可直观呈现实体状态，不仅实现了对伸缩缝位移情况的人工判读、支座滑移状况的实时观测，也实现了对位移计传感器子系统所监测得到的墩梁相对位移数据的辅助验证，通过对2013年11月27日采集得到图片和2014年6月15日采集得到图片的人工判读，发现其人工判读位移差值与位移传感器实测计算数据和理论计算数据相符，精度达0.5 mm，满足应用需求；系统供电方式适合野外供电不便地区的需求；系统扩展性较强，可在软件系统中添加新的桥梁信息，进而可实现对某路网该类型桥梁的统一监测；系统实时短信预警，当现场终端监测到数据异常时，会发送预警短信至客户手机，进而进行及时处治。

综上，弯桥墩梁位移实时自动监测系统为弯桥墩梁位移情况、伸缩缝位移情况、支座滑移状况的监测提供了新的解决方案，也为弯桥梁的安全评估提供了一定的依据，对于弯桥健康监测具有重要意义。

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Automatic Monitoring System for Displacement of Pier and Beam of Curved Bridge

Tian Shiqing, Cao Hong, Wang Junxin, Zhang Minghui

(Chongqing Qiaodu Bridge Technology Co. Ltd., Chongqing 400015, China)

For curved bridge piers, beams, bearings and expansion joints diseases occur interrelated phenomena, design and development of the bending beam displacement pier automatic monitoring system. Combined effects of thermal expansion and contraction, and system installation affect the original pier excursion between the beam monitoring values deduced through theoretical actual offset value formula pier beams; to achieve the displacement of the expansion joints by image acquisition mode artificial situation interpretation, real-time observation of the bearing state, and to realize the displacement sensor to collect data validation obtained; mobile data transmission over a wireless network to a server, and the server software system called data processing, form data graphs, export monitoring data; to overrun situation timely messages warning, so as to achieve a timely and effective early warning monitoring points are functional damage conditions.

bridge engineering; displacement of pier and beam; monitoring; bearing; expansion joint

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.03

2014-01-13；

2014-10-08

田世清(1971—)，男，四川达州人，高级工程师，主要从事桥隧维修加固、桥梁健康监测方面的研究。E-mail: 13308390607@189.cn。

U446.2；TP399.9

A

1674-0696(2015)04-015-05