基于ZigBee的贝雷桥变形监测研究

钟胜华，何 凤 ，邓树密

(1. 成都交投智慧停车产业发展有限公司，四川成都 610042； 2.中国水利水电第十工局有限公司, 四川成都 610072)

为保证桥梁运营安全，运营过程中桥梁挠度和桥墩水平位移监测至关重要。传统意义上的工程变形监测通常采用水准仪、全站仪、激光挠度仪等方法人工操作，费时费力，并且数据处理结果在时间上具有一定的滞后性。相关研究表明，基于智能型测量的变形监测系统具有自动化程度高、实用性强、高效、准确、实时等特点。并且，测量人员可以在计算机上开发特定需求的软件，实现对工程变形体的自动变形监测[1-3]。本文结合锦城广场P+R地下停车场项目2×21 m贝雷梁的自动变形监测工程实例，对基于ZigBee技术传输技术、系统组成和实现方法等方面进行了详细的研究和探讨。

1 工程实例

1.1 工程概况

P+R地下停车场项目位于绕城高速以北、锦悦东路以南、天府大道以东、绕城高速天府收费站以西，为地铁29号线、16号线、18号线换乘综合枢纽，并以地下通道与地铁1号线锦城广场站相连。该桥全长为2×21m=42m，桥面宽为9 m(2.5 m宽人行道+4.0 m宽车行道+2.5 m宽人行道)，由13片加强型贝雷梁组成。桥面分配梁采用I28a工字钢，间距75 cm。桥面分配梁上方通过纵向10号槽钢对扣焊接，横桥向间距25 cm，最上层为1 cm厚花纹钢板。贝雷梁支撑在下横梁(双拼45号工字钢)上，其中0#、1#采用φ630×10钢管桩，2#支撑在条形基础上。桥梁立面见图1，平面见图2。

2 监测系统结构

贝雷梁无线监测系统主要利用ZigBee技术，通过使用位移传感器采集贝雷梁挠度和桥墩的水平位移数据，对贝雷梁进行实时在线监测。贝雷梁无线监测系统主要包括无线传感器、路由器、协调器、设备、短信报警设备和监测软件。无线传感器主要包括LTDV位移传感器采集挠度和水平位移。无线传感器设备将采集的数据通过无线射频模块发送至路由

图1 贝雷梁立面

图2 贝雷梁平面

器，路由器将接收数据转发至协调器，协调器将接收的数据通过RS232 串口传输至GRPS设备，GRPS设备通过ZigBee网络将数据送至监测软件中，进行数据显示，存储和报警。智能监测系统测点安装快捷便利，该系统通过无线接收数据，实时监测警报系统做到历史监测数据可查，操作简便，功能直观，提高了工作效率。其功能构成示意图见图3。传感器系统包括：LTDV位移变形测量测量范围：0～5 cm，分辨力可达0.01 mm，精度为0.01 mm。通信设备包括：通信基站和通信中继站；软件系统包括：数据库软件和监测软件。见图4～图7。

图3 贝雷梁变形在线检测系统构成

3 监测方案

图4 无线通讯基站设备

图5 通讯天线、摄像头 和告警喇叭

图6 现场主机安装

图7 无线通讯基站设备

3.1 监测项目及安装

监测项目的选取遵循传感器实时监测的原则，监测内容能覆盖结构评估的要求。根据以上原则，考虑到支架结构特点并结合支架实际运营状况，长期监测系统的监测项目见表1。测点布置见图8。

表1 监测项目

图8 测点布置

3.2 监测频率

高支模监测时间为锚杆支护施工开始至锚杆支护完毕。监测频率为每10 min/次 。

3.3 监测阀值确定

采用Midas Civil建立空间有限元模型，模型中均为梁单元，计算跨径为21 m，采用加强型贝雷梁(上下弦杆加强)，桥跨为9 m，共13片加强型贝雷梁。桥面通过I28a工字型分配梁与贝雷梁连接。贝雷片通过下层双拼的I45工字钢，传力到钢管桩上。人群活载通过虚拟梁均布加载于全跨，汽车活载通过分配梁分配到贝雷梁片上。0#、1#支撑在钢管桩上，并考虑桩土效应，2#支撑在条形基础上。全桥共6 834个节点，10 527个单元。模型计算中考虑0#、1#及2#处支撑竖杆采用C10槽钢进行补强，除端部采用标准件进行各片贝雷梁的拼接外，在车行道下侧的贝雷梁底部采用C10槽钢进行横向联系的加强。计算中认为桥面分配梁与贝雷片可共同传力(采用U形螺栓连接)。根据计算要求，贝雷梁桥需通行100 t汽车荷载。Midas整体计算模型见图9所示，在活载作用下的杆件变形图见图10。

图9 Midas Civil 整体计算模型

(a)变形图1

(b)变形图2图10 活载作用下贝雷梁变形

本文将贝雷梁监测系统进行位移分级、分目标预警，对每一监测方向，采用分级预警方式。一级预警值设立原则为贝雷梁所承受荷载超设计荷载100 %，二级预警值设立原则为钢管脚手架所承受荷载达到支架极限荷载80 %。根据有限元计算结果，以上临界荷载值所对应贝雷梁挠度和桥墩的纵向水平位移。应变阀值确定按照构件在活载最不利荷载组合下，挠度为30 mm，水平位移阀值取为2 mm。当监测项目超过其警戒值时，必须迅速停止车辆运行，查明原因后方可继续运行。

4 监测结果及分析

为了分析贝雷梁挠度和墩顶水平位移，对贝雷梁和桥墩安装了4个LTDV位移传感器进行监测。现场测试软件显示如图11所示。通过连续监测1个月见表2。

图11 贝雷梁挠度现场测试

通过连续监测贝雷梁挠度，贝雷梁测点应变在一天24 h内(2019-8-19)，在运行条件下的最大挠度25.6 mm，桥墩水平位移为2.92 mm，均小于安全预警值，表明桥梁结构在车辆荷载作用下结构处于正常工作状态。同时，结合图9可知，在3个月的监测周期内，挠度和水平位移峰值(最大挠度峰值为39 mm，最大水平位移3.21 mm)超过安全预警值，通过视频发现，有超载车辆通行桥梁并通过警报器报警后，超载车辆退出桥梁卸载后方能通过桥梁。

表2 位移监测点日峰值列表 mm

5 结论

综上所述，在贝雷桥的安全风险控制过程中，基于ZigBee技术研发的实时监测警报系统能有效监测位移状态，该系统成功运用于实际项目中，具有高精度、高效率，且操作简单，成本可控等优点，值得推广运用。