基于压力传感器的封闭式连通管在大跨径桥梁挠度长期监测中的应用

李乔乔

(广东交科检测有限公司，广州 510550)

0 引言

在大跨径桥梁长期监测中，挠度监测是一项主要的监测内容，对挠度进行监测，可以及时了解结构营运的工作状态，指导日常管理养护。大跨径连续梁梁体裂缝的出现及预应力的损失会导致结构刚度下降，进而引起结构下挠；同时开裂下挠又会导致结构预应力的损失而使得开裂情况进一步加剧，形成恶性循环。因此，对大跨径桥梁的梁体进行挠度监测，及时了解桥梁的营运工作状态，十分必要。

常规的对大跨径桥梁进行长期监测的方法有：水准测量、全站仪三角高程测量等。目前，一些新的挠度测量方法，如GPS法、雷达法、图像法、连通管法等逐渐在一些桥梁监测中得到尝试和应用，取得了一些进展。本文以基于压力传感器的封闭式连通管法在乐广高速公路白土北江特大桥上长期挠度监测为例，分析该方法的优缺点。同时采用常规水准测量的方法来对该桥进行长期监测，用常规水准测量的方法与封闭式连通管法的长期监测的变化趋势作对比分析。

1 工程概况

白土北江特大桥是乐广高速公路上一座跨越北江主航道、通航等级为III级的特大桥。桥跨布置为42×25m(先简支后结构连续小箱梁)+15×30m(先简支后结构连续小箱梁)+(100m+180m+100m)(连续刚构)+13×30m(先简支后结构连续小箱梁)，桥梁全长2276.8m。主桥上部结构采用(100m+180m+100m)预应力混凝土连续刚构，箱梁0号块长12m，每个悬浇“T”纵向对称划分为24个节段。主墩墩身采用双肢等截面圆端形实心薄壁墩。横桥向为减少阻水面积，端部采用圆弧形，墩身设D500H橡胶护弦。主墩承台厚4m，左、右幅桥的承台连成整体。基础采用直径为2.4m的钻孔灌注桩基础，每墩共14根桩。主桥、引桥间的过渡墩墩身采用等截面矩形实心薄壁墩，承台厚3.0m，基础为双排4根直径为1.8m的钻孔灌注桩基础。

2 连通管挠度测量的原理

封闭式连通管挠度测量系统的基本原理如图1所示。测量的基本过程是：布设与梁体位移协调的连通管道，根据测管液位与桥梁挠度之间的物理关系，换算得到测点的挠度。封闭式测管布置，在全桥立局部水压力场，在每个挠度测点布置压力传感器，监测压力变化，经过A/D转换，根据压力场与结构挠度的对应关系，得到结构的挠度变化。t时刻测点i变形变化量δi(t)：

δi(t)=Hi(t)-Hi(t0)=

式中：Hi(t)为t时刻测点i与基准点的高差，在封闭式连通管系统中由H=P/ρg计算而来。与t0时刻Hi(t0)的差值就是测点i相对初始时刻的变形变化量。

3 常规水准测量挠度的原理

常规水准测量的原理是利用水准仪提供的“水平视线”，测量两点间的高差，从而由已知高程推算出未知点高程。通过每次测量的高程值计算相应的挠度值，经过不同时期多次测量的挠度值相比对，确定桥梁挠度的变化趋势。挠度监测点的挠度计算公式如下：

式中：fc-挠度(m)；ΔSBC-B、C的沉降差(m)；ΔSAB-A、B的沉降差(m)；L1-B、C间的水平距离(m)；L2-A、C间的水平距离(m)。

图2 挠度计算示意图

4 测点布置

4.1 连通管挠度监测点布设

基于压力传感器的封闭式连通管挠度监测点布置在(100m+180m+100m)主桥的各孔关键截面上，主孔按L/4布设，边孔按L/2布设，在左、右幅共计布置18个监测点，位置位于路肩正下方腹板上。压力传感器采用美国罗斯蒙特高精度压力变送器，系统测量精度为1mm。其布置如图3所示。

图3 白土北江特大桥主桥连通管监测点布置

4.2 常规水准测量挠度监测点布设

监测点布设：在桥面主跨按1/8截面布设挠度监测点，边跨按1/4截面布设，主墩墩顶及过渡墩墩顶每截面布设4个监测点。沿左右幅紧急停车带及中央分隔带两侧布设4条测线共计68个监测点。监测点布置如图4所示。

图4 白土北江特大桥挠度监测点布置

5 监测数据分析

5.1 连通管挠度监测

连通管挠度监测系统数据采集频率为50HZ/通道，从2019年3月至2020年3月监测近一年的时间。监测期内的温度变化如图5所示。

图5 监测温度变化时程图

从图6～图10可以看出，变化最大的主跨跨中截面L-4#监测点长期变化浮动在25mm以内，单日温度对桥梁挠度值的影响可达10mm。边跨跨中截面L-2#监测点长期变化浮动在±5mm以内，墩顶测点L-1#监测点长期变化值在±5mm以内。

图6 L-1#监测点挠度变化时程图

图7 L-2#监测点挠度变化时程图

图8 L-4#监测点挠度变化时程图

图9 典型单日温度效应挠度变化曲线

图10 左幅59#跨主跨跨中竖向变形图(L-4#测点)单日变化曲线

温度荷载是影响桥梁变形的重要因素。 从图6～图10可以发现，挠度变化与温度有较大的相关性，边跨的挠度数据尤其明显。

总体而言，主跨跨中截面挠度随温度升高和降低呈上拱和下挠的变化，边跨跨中截面随主跨跨中截面上拱或下挠而有少量的下挠或上拱。

5.2 常规水准测量挠度监测

常规水准测量从2015年11月开始布点监测，按照2期/年的频率监测，至2019年9月共计监测9期。各期温度变化如图11所示，挠度监测曲线及主孔跨中挠度变化时程曲线如图12～图13所示。

图12 右幅紧急停车带一侧挠度曲线

图13 主孔跨中挠度变化时程曲线

从图11～图13可以看出，该桥主孔跨中挠度随着时间及温度变化有少量上拱及下挠。

总体而言，主跨跨中截面有少量下挠，但相对于180m主跨跨径来看，总体下挠量值不大。

6 结语

(1)温度变化是影响桥梁挠度变形的重要因素。温度升高时，跨中会上拱;温度降低时，跨中会下挠。

(2)基于压力传感器的封闭式连通管挠度监测系统规模较大，总功率达到几十瓦，采用太阳能供电的方案难以实现，因此，需采用交流电供电，但一般高速公路大跨径桥梁在远离居住区的位置，故该系统的供电问题需采取相应措施。

(3)该系统会受到电力供应的影响，遇到停电等影响，系统将停止运行，系统数据无法累计，需要重新开始累计数据。遇到传感器损坏更换，数据需重新积累，无法与前期数据相比较。

(4)该系统动态数据采集情况下，无法显示该桥的挠度变化线形，只能单点显示该点位置的变化情况。

(5)该系统前期建设投入成本较大，后期维护方便，能实时监测挠度数据的变化。传统的人工挠度监测费时费力，监测数据需从几年甚至多年来分析桥梁挠度的变化趋势。该系统能在现场环境复杂、人工监测不易的大跨度桥梁挠度长期监测中得到较好的应用。