半封閉連通管式差壓傳感器在橋梁撓度測量中的應用*

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(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

0 引 言

橋梁作為交通運輸網絡的重要組成部分，在國民經濟生活中具有十分重要的地位，因此，確保橋梁的安全、可靠至關重要。橋梁撓度作為結構的運行狀況和工作性能的一個重要參數，已在其健康監測與安全評估[1,2]、溫度效應[3,4]、應力損失[5,6]、交工驗收[7]上得到了廣泛應用。

目前常用的撓度測量方法：百(千)分表等位移計法[8,9]、水準儀、全站儀等光學儀器測量法[7～9]，連通管法[10,11]等已廣泛應用于檢測和驗收鑒定等試驗中。此類方法經濟、便捷，但均屬于短期、人工測量，存在耗費時間和人力、實時性不強等缺點。傾角儀法、激光圖像法、GPS、慣性測量法、光電液位連通管法、壓力變送器法、張力線法等均可實現自動測量，但均存在局部缺陷：傾角儀法要求安裝時的軸線與橋軸線平行[9,12,13]；圖像法受大氣能見度影響較嚴重，在雨霧天氣難以正常工作[9,14]；GPS在橋梁撓度方向精度較低，目前僅適用于特大跨徑的斜拉橋和懸索橋[2,9]；慣性測量法對低頻位移存在失真現象且不能測量靜撓度[15]；光電液位連通管法屬于開放式連通管[10,16,17]，液面震蕩、液體蒸發、管道摩阻力等降低了其測試精度和長期穩定性，且設備成本較高、對施工安裝垂直度要求很高即環境適應性較弱；張力線法的精度較低，測試過程需進行復雜的運算，且構造復雜、成本較高[18,19]。

針對上述撓度測量方法和系統的不足，本文闡述了一種基于連通管原理，將其一端密閉，并結合差壓傳感器、RS—485總線技術/RF技術和計算機技術的橋梁撓度自動化測量系統。該系統能夠對橋梁撓度進行短期和長期、在線、遠程、自動化測試，且技術實現容易、布置簡單、操作便捷，易于推廣應用。系統于2010年11月應用于隨(州)岳(陽)高速公路荊岳長江公路大橋通車鑒定試驗的靜載撓度測量中，使用情況表明：該傳感技術及其系統穩定可靠，測試效果良好，能有效用于橋梁撓度的自動測量。

1 半封閉連通管式差壓傳感器

1.1 基本原理

根據連通管的基本原理，將連通器的其中一端置于相對參考點位置(相對不動點)，另外一端置于測點位置(撓度測點)，連通管布置于橋面上，當橋梁發生撓度變形時，根據連通管液位相等的特性即可得到該撓度值，但屬于人工測讀，耗時費力且只能讀取某些時間點的數據。要實現數據的自動化測量，需采用與之相配套的差壓傳感裝置，如圖1所示。當測點處有撓度變形時，則密閉氣體體積改變，壓力隨之改變，而作為參考的大氣壓強不變，故差壓隨之改變，因此,只需進一步對差壓傳感器的輸出變化進行一定處理便可得到測點處撓度值。

該方法變傳統的液面讀數為壓力測量，避免了人為讀數誤差，提高了數據的可復現性和讀數穩定性。該系統既可通過數字顯示設備實現人工讀數，也可實現自動化測量。其采用的半封閉式連通管結構，使得測試過程中由于液位震蕩造成的讀數穩定時長大大縮短，同時管路中流體僅有很小距離的流動，因而大幅降低了管道摩阻力對測試精度的影響。

圖1 半封閉連通管式差壓傳感原理

1.2 傳感器測量系統

要將半封閉連通管式差壓傳感器應用于實際工程，完成大橋主梁多測點撓度的同步、實時、自動測量，必須構建出操作便捷的半封閉差壓連通管式撓度測量系統，其主要包括：半封閉式連通管、與連通管配套的差壓傳感器、外圍的數字轉換電路、數據傳輸與存儲設備等，如圖2所示。其基本原理是當連通管沿主梁軸線布置時，主梁的撓度通過各測點處的半封閉式連通管的密閉端差壓變化反應出來，差壓傳感器感知量經外圍電路轉換后根據工程實際可選用通過RF信號或者RS—485總線傳輸至數據采集終端，從而實時得到測點處的撓度值。

圖2 半封閉差壓連通管式撓度測量系統

2 應用實例

荊岳長江公路大橋主橋為主跨816 m混合梁高低塔斜拉橋，跨度布置為(100+298)m+816 m+(80+2×75)m，橋塔為H型，南塔高224.5 m，北塔高267 m。數據傳輸采用標準RS—485總線，連通管內介質為純凈水。數據采集和分析采用適用于PC XP系統的撓度自動采集與分析系統/軟件，采集時間間隔30 s。

2.1 傳感器的布置

根據相關分析計算，對大橋在通車鑒定試驗期間的靜載試驗時主梁撓度進行測量，共采用25只差壓連通管式撓度傳感器，采集站位于荊州側橋塔位置的下游側橋面。橋型布置和傳感器布置位置如圖3所示(以中跨跨中主梁最大豎向位移中載加載工況為例)。

2.2 橋梁撓度測量數據

2.2.1 主梁撓度測試

加載采用38臺重30 t的標準車，對稱加載。加載后，跨中最大正彎矩加載時主梁部分撓度測量結果見表1和圖4。

表1 部分主梁測點撓度值

圖3 橋型與傳感器順橋向布置圖

圖4 主梁中跨撓度曲線

由表1、圖4可知，主梁撓度實測值與理論值之比一般在0.8～1.0之間，絕大部分在0.88～0.95之間，且撓度實測值變化規律與主梁上下緣最大實測應變相吻合。同時，說明該撓度測量系統對于大變形響應準確，且在試驗期間數據采集效率明顯高于采用人工讀數、記錄并處理的水準儀測量方法，并能夠得到分級加/卸載的時程曲線，如圖5所示(以15#傳感器為例)。

圖5 分級加/卸載撓度時程曲線

2.2.2 鋼—混結合段剛度平順性撓度測試

鋼—混凝土結合面設在索塔附近偏向中跨側、距南索塔中心26.0 m處；鋼—混結合段長1.5 m。為了確保主梁鋼混結合段構造的安全性和可靠性，國內外一般都采用模型試驗和有限元計算相結合的方法，對結構設計的合理性進行驗證，以實測局部撓度曲線評價其剛度過渡的平順性并無前例，故該類局部撓度變形的測量至關重要。結合工程實際，既要保證撓度測量準確，又要設備操作簡便、可靠。該橋選用半封閉連通管式差壓傳感器，其鋼—混結合段構造和測點布置如圖6所示，測量結果如表2。

圖6 鋼—混結合段構造與試驗時撓度測點布置圖

由表2可知，鋼—混結合面附近順橋向相對豎向變形值很小，與主梁上下緣最大實測應變絕對值較小相吻合。說明結構是有較大的安全儲備，鋼—混結合面兩側梁段的局部變形平順，沒有變形折角，說明鋼混—結合段剛度過渡比較平順。通過該試驗驗證了對于跨越大江、大河與深溝、峽谷的橋梁撓度測量尤其是類似于鋼—混結合段剛度過渡平順性的主梁局部撓度測量具有很好的適應性。該測量系統相比傳統的水準儀法、張力線法、懸吊剛性梁支撐百(千)分表法具有成本低、操作方便、精度高及環境適應性強等優點。

表2 鋼—混結合段各測點相對撓度

3 結 論

半封閉連通管式差壓傳感器及其組成的半封閉差壓連通管式撓度測量系統在橋梁通車鑒定試驗現場進行實際運用，并和理論計算值進行對比，結果表明：1)傳感器能夠準確、可靠、實時、自動化地獲取橋梁撓度測點的有效撓度數據，其撓度測量值能夠有效地反映橋梁結構的實際變化。2)驗證了該系統對于跨越大江、大河與深溝、峽谷的橋梁撓度測量尤其是類似于鋼—混結合段剛度過渡平順性的主梁局部撓度測量具有很好的實用性。

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