基于惯性法的桥梁竖向位移测试试验研究

谢 军，王 华，唐洪泉，王希瑞

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

随着我国交通运输行业的不断发展，大跨径连续梁桥由于具有较强的跨越能力、成熟的施工技术，被广泛应用于我国的桥梁建设中[1-2]。大跨度桥梁结构在施工过程和使用过程中，会受到多种因素的影响，导致其受力状态十分复杂[3]。

为保证桥梁结构在桥梁施工阶段的安全性以及成桥状态的可靠性，需要对各阶段桥梁力学性能进行监测[4-5]。在桥梁施工监控以及桥梁服役过程中，桥梁竖向变形均可作为一项重要的评估指标，通过与设计值或规范值进行对比判断桥梁当前的状态是否满足要求[6]。目前，位移计、精密水准仪或全站仪作为桥梁竖向位移的常用测试手段，虽然可以取得较高的测试精度，但需要将仪器固定在静止不动的基准点上。当测试现场无法提供测试所需的固定基准点时，传统的测试方法难以适用。

本文提出一种不需要考虑基准点的基于惯性的竖向位移测试方法，该测试方法以941B型超低频振动传感器为信号采集装置，采用INV3060S型智能数据采集系统对传递的信号进行采集分析，并对采集信号进行数学积分得到竖向位移。为了验证所提出方法的有效性和准确性，以一个长度为2 010 mm的试验悬臂钢梁为试验梁，采用提出的方法对其试验荷载下的最大位移进行测试。

1 惯性测试法在工程上的应用

惯性测量系统是在惯性导航系统基础上发展起来的，主要由惯性测量元件、数据处理采集存储系统以及控制与显示系统三部分组成，可实时测量运载体相对于地面运动的加速度。惯性测量已在机械、船舶及航天等领域取得了广泛的应用。近年来，建筑、公路以及铁路行业逐渐针对惯性测量技术开展相关研究及应用。在地下管道的检修中，惯性测量技术由于具有较强的抗外界干扰能力，且不受管道埋深的影响，被用于管道完整性及损伤性检测并取得良好的效果[7]。也有研究基于惯性测量原理研发出地下管线轨迹以及管道埋置深度的测绘仪器[8]。将光纤作为惯性传感元件，可有效地对地表的沉降和变形进行监测，并发现地表不均匀沉降的规律[9]。在路面平整度检测中，将惯性测量系统与高精度多激光测距传感器相结合建立路面平整度检测系统，实现了基于车载的平整度快速测量方法[10]。

2 基于惯性原理的竖向位移测试方法

针对传统相对式竖向位移测试方法需要静止的基准点的弊端，本文提出竖向位移的惯性测试法，结合了941B型超低频振动传感器、INV3060S型智能数据采集系统及信号分析系统。

941B型超低频振动传感器集成了无源闭环伺服技术，属于动圈往复式拾振器，克服了回转摆式低频传感器频带较宽、易坏等缺点，可获得良好的超低频特性[11]。由于其具有低噪、低阻抗、抗干扰等特点，被广泛应用在建筑、桥梁及大坝等大型结构物的振动形态测量中。而且，941B型超低频振动传感器具有与采集系统以及调理系统连接的端口，便于构建采集分析一体化的测试系统。

941B型超低频振动传感器具有4档微型拨动开关，1档至4档分别对应于加速度、小速度、中速度和大速度，不同档位具有不同的灵敏度、量程、分辨率以及频带。加速档与速度档的工作原理不同，其运动微分方程分别如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中：m1——摆的运动部分质量；

x——摆的位移；

b1——阻尼比系数；

k——簧片的刚度；

M1——并联电容后的当量质量。

因此，针对不同结构的振动特性以及拟获取的振动参数，需选择不同的识振器档位。然后，采用INV3060S型智能数据采集系统，对941B型超低频振动传感器传递的信号样本进行处理。INV3060S型智能系统拥有24位高精度、高动态范围等技术优势，为工程测试数据的可靠性提供保障。最后，对采集到的速度时程信号样本进行积分处理，得到竖向位移的时程曲线。

3 试验梁竖向位移测试试验

为了验证本文提出的竖向位移惯性测试法的适用性和有效性，对试验梁在试验工况下的最大竖向位移进行测试。同时采用位移传感器测试系统对提出方法的测试结果进行校核，并与有限元计算结果进行对比。

3.1 试件制备

本次试验选取悬臂钢梁为试验对象，其截面形式为矩形截面，几何尺寸为(2 010×195×19.5)mm，钢板等级为Q235普通碳素结构钢。悬臂钢梁通过锚栓与固定端钢桶相连，钢桶内采用砂石进行配重。试验梁的立面及平面图如图1所示。

(a)立面

(b)平面

3.2 试验方案

为校验惯性测试法测试结果的精度，同时采用位移传感器测试系统对试验梁在试验工况下的竖向位移进行采集，位移传感器测试系统直接通过固定安装的竖向位移传感器收集竖向位移数据。采用两种方法测试试验梁竖向位移的具体步骤如下：

(1)分别将两种测试方法的仪器设备安装在试验梁测试断面的顶面，调试仪器设备使其处于正常待测试的工作状态。两种测试方法的传感器布置位置以及荷载布置情况如图2所示。

图2 试验现场布置图

(2)采用连续的采集方式测试某悬臂钢梁在无外荷载状态下的信号样本和数据。

(3)悬挂10kg标准砝码。

(4)待某悬臂钢梁静止后，突然释放悬挂的标准砝码。

(5)待某悬臂钢梁自由振动衰减至静止状态时，停止采集信号样本和数据。

3.3 试验过程有限元模拟

采用三维有限元分析软件MidasCivil建立试验梁的有限元模型，悬臂试验梁的材料为Q234钢，弹性模量和容重分别设置为(2.06×105)MPa、78.5kN/m3。使用梁单元对悬臂梁进行建模，通过在固定端施加边界条件来模拟钢桶。试验梁的有限元模型如图3所示。

图3 有限元计算模型图

图4 Midas Civil有限元仿真位移时程曲线分析图

通过MidasCivil软件中的时程分析功能模拟试验悬臂钢梁的加载过程，主要分为以下四个阶段：(1)初始零位移状态；(2)施加试验荷载并持荷20s；(3)瞬时释放试验荷载激励振动；(4)振动衰减至初始零位移状态。试验加载过程的位移时程分析结果如图4所示，在施加荷载后竖向位移逐渐增至最大值，持荷稳定后释放荷载竖向位移逐渐衰减至平衡状态。采用有限元模拟时，悬臂梁在试验工况下的最大竖向位移为-10.47mm。

3.4 试验结果分析

应用惯性测试法对试验梁在试验荷载下的最大竖向位移进行测试。首先通过941B型超低频振动传感器识别试验梁振动信号，然后采用NV3060S型智能系统对振动速度信号进行采集，得到的悬臂梁的时域波形如图5所示。

从图5所示的时域波形图看出，整个试验过程为300s，前81.2s内悬臂梁的速度信号为平衡状态，在第81.2s瞬时释放标准砝码，振动信号在短时间内增至最大值，然后逐渐衰减至平衡状态。为分析出悬臂梁在试验过程中的最大竖向位移，对采集的时域波形进行积分，得到悬臂梁的位移响应，如图6所示。

图5 惯性法测试的时域波形分析图

图6 惯性法测试的位移响应曲线分析图

由图6可以看出：在标准砝码释放前，悬臂梁处于零位移平衡状态；当标准砝码瞬时释放后，悬臂梁被激励开始做衰减振动，竖向位移瞬时增至最大值并衰减至平衡状态。采用惯性测试法时悬臂梁在振动过程中竖向位移的最大值为-10.32mm。

采用位移传感器测试系统测量试验梁在加载工况下的竖向位移结果如图7所示。由图7可以看出，1号传感器与2号传感器采集到的竖向位移信号变化趋势基本一致，两个传感器采集到的最大竖向位移分别为-10.11mm、-10.16mm，最大竖向位移平均值为-10.14mm。说明试验梁在荷载激励下基本未发生扭转，可为竖向位移测试提供可靠的试验条件。

(a)1号传感器采集结果

(b)2号传感器采集结果

4 结语

考虑到传统的相对式竖向位移测量方法需要静止不动的参考点，本文针对悬臂梁竖向位移的惯性测量法展开试验研究。得到的主要结论如下：

(1)结合941B型超低频振动传感器以及INV3060S型智能数据采集系统，通过对采集信号进行数学积分处理，建立了竖向位移的惯性测试系统。

(2)对悬臂试验钢梁进行加载，采用惯性法和位移传感器测试系统同步测量释放荷载后的最大竖向位移，同时采用MidasCivil有限元模型对试验过程进行模拟，得到最大竖向位移的模拟值。

(3)根据惯性测试系统采集得到的时域波形图，对速度信号进行积分得到位移响应时程曲线。基于惯性法的最大竖向位移的实测值为-10.32mm，与位移传感器测试系统测试结果及有限元法分析相比，分别相差0.18mm、-0.15mm，说明本文提出的惯性竖向位移测试方法具有较高的精度。