基于壓力變送器的橋梁撓度監測方法研究

　橋梁整體撓度測量是基于對橋梁關鍵點測量數據進行評價, 常用的測量方法有標尺經緯儀、水準儀、百分表、千分表、加速度計、位移計等, 已廣泛用于橋梁檢測及驗收鑒定中, 但這些廉價、結構簡單的測量方法只能用于橋梁靜撓度測量, 存在費時費力、使用不方便、在線測量困難等不足。因此, 一些新型撓度測量法如傾角儀、GPS 、連通管法、光電圖像式測量儀等逐漸應用于橋梁結構撓度監測中, 可實現實時、在線、自動測量。

    各種撓度監測方式均有其特點, 但如何結合實際工程背景選擇合適的方法以獲取最佳的性價比, 需要在實際工作中加以研究探索。鋼桁架拱橋由于其結構特點只需對其最主要的豎向撓度做動態實時監測以反映橋梁整體特性, 因此可考慮采取基于壓力變送器的撓度監測方法(連通管法的一種), 以獲取最優的性價比。

1 　撓度監測

1. 1 　測量原理

     本方案擬采用差壓液位式撓度監測系統實時監測橋面豎向撓度狀況 。該系統核心器件擬采用羅斯蒙特3015S-CD 壓力變送器(量程代碼0),壓力變送器通過測量連通管內液體的壓力差確定液位的升降值, 測量原理如圖1 所示, 測量探頭插入被測液體, 距液面高度為H , 在靜壓力的作用下, 一部分液體由探頭底部開孔處進入探頭內, 高度為h 。探頭腔內的氣體被壓縮并被封存, 充當導壓介質。由流體靜力學可知, 腔內氣體壓力p =(H - h)ρg 。式中:ρ為被測介質密度;g 為重力加速度。隨著槽內液位的上升或下降, h 值增大或減小, 探頭腔內體積以及氣體壓力隨之變化, 故而產生壓力信號。由于h 值相對于H 而言很小, 故氣體壓力p ≈Hρg , 由壓力變送器檢出p 值即可得知液位。

1. 2 　監測方式

    差壓液位式撓度監測系統主要由壓力變送器、水箱、連通管、水管及二次支持儀表構成(見圖1)。監測橋梁撓度時通常在主梁上布置若干個測點, 每個測點均可以實時測量該點的撓度, 每隔一段時間(可根據具體工況調整)作一次數據分析, 給出各測點撓度變化的時程曲線,由相應的豎向撓度測點的數據計算出主梁各截面位置的扭轉, 并繪出扭轉時程曲線, 找出并記錄各條曲線的最大值和最小值。根據曲線中極值的大小決定是否保存本次采樣的各種結果。經過判斷, 凡是要保存的原始數據及分析結果, 還應同時給出相應的載荷(可能是風、溫度、地震、車輛等載荷)的變化情況。差壓液位式撓度監測系統示意圖如圖2 所示。

1. 3 　系統性能指標

液體選擇　水。

差壓量程　- 733 ～ 733 Pa 。

液位量程　- 748 ～ 748 Pa(根據工況調整)。

精度　0. 04 %(相對精度)。

　溫度極限　- 40 ～ 80 ℃。

濕度極限　0 ～ 100 %的相對濕度。

　　穩定性　至少10 年。

動態特性　總體響應時間700 ms ;停滯時間

45 ms ;更新速率22 次/ s 。

振動影響　誤差小于量程上限的±0. 1 %。

雷電保護　滿足IEEE 標準要求。

輸出方式　遠程數字式液晶顯示。

1. 4 　鋼桁架拱橋撓度監測測點

    以圖3 所示橋梁為例, 其撓度測點在上游端引橋布設5 個, 主橋布設9 個;下游端引橋布設5個, 主橋布設9 個。在布置全橋撓度監測點時以主橋為主, 引橋為輔;由于對稱性, 考慮在上下游斜向對角對稱布置, 同時滿足全橋豎向撓度和不均勻偏轉的監測,減少了傳感器且提高了性價比。

2 　分析與結論

    對于營運時間日久的橋梁, 管養部門和工程界對其結構安全狀況十分關注, 由于撓度反映了橋梁整體結構特性和環境荷載的影響, 因此對此進行實時在線監測具有重要的現實意義。

    差壓式壓力變送器實時監測橋梁撓度在國內外尚不多見, 國內也是剛剛在海口世紀大橋的健康監測中投入營運, 實踐證明其效果良好, 因此利用差壓液位式撓度監測系統實時監測橋面豎向撓度狀況理論上可行, 同時也具有工程實際前景, 值得深入探索并在實際工程中加以發展完善。

    從工程實際的角度來看, 差壓式壓力變送器實時監測橋梁撓度的難點在于如何選擇與實際監測橋梁相符合的差壓式壓力變送器, 即如何選擇合適的壓力變送器的型號與量程;同時, 對水箱、傳感器的合理設置以及水管的傳輸等實際工藝問題也要詳加考慮, 這樣才能設計出性能可靠有效、數據準確的橋梁撓度監測系統。當然, 其系統監測精度和準確性在滿足工程需要的前提下還需要不斷提高和完善。

    需要指出的是, 監測數據可由數據庫管理系統處理后形成橋梁狀況監測綜合數據庫。利用該數據庫, 橋梁管理部門可以實時監測橋梁的結構安全健康狀況, 評估結果可及時通過企業專用網絡通道傳送至橋梁監測中心, 實現在線監測、顯示、處理和異常報警等功能, 為有關管理人員進行橋梁管理決策提供依據。

3 　承臺施工

    承臺封底施工后, 封底砼強度5 d 可達到設計強度的70 %, 鋼套箱圍堰內抽水后無漏水現象發生, 封底砼表面平整度較好(也可澆筑一薄層水泥砂漿找平), 可進行干作業面承臺施工。

4 　結語

    水下無底套箱施工的重點在于砼封底, 如何在施工中尋求更為簡單可行、能保證質量的經濟合理的施工工藝, 是橋梁施工人員不斷追求的目標。水下承臺施工單點移動直接下料澆筑封底砼的方法, 是對大面積、大方量水下砼施工工藝的一種新的嘗試, 通過襄樊漢江四橋的實踐證明, 該施工方法是成功的, 具有一定的推廣應用價值。