基于连通管原理的桥梁挠度自动测量方法

摘要：基于连通管原理，采用RS485通讯技术等手段，给出了一种桥梁挠度自动测量的方法。该方法具有实时、在线、远程、精确等特点，且不受人为因素和环境因素的影响。通过重庆石板坡长江大桥应用该方法测量挠度的案例证明，其测量结果的相对误差小于5％，表明该系统稳定可靠。这种测量方法能用于更多桥梁挠度的自动监测。
关键词：连通管；桥梁监测；挠度测量；液位传感器

0 引言
    为适应社会经济快速发展的需要，近年来全世界的桥梁技术得到了迅猛的发展。在跨度方面，我国已位居世界先进水平。桥梁的大跨度及结构复杂多样等特性对主梁挠度、应力、环境荷载、承载力等安全参数均提出了较高要求。其中，主梁挠度变化是反映大桥安全状态及进行内力状态评估分析的重要参数，也是结构安全预警的重要指标。因此，无论是健康监测项目还是常规检查项目，对桥梁挠度参数变化的测量，都具有非常重要的意义。
    目前，常用的桥梁挠度测量方法主要有精密水准仪法、全站仪法、百分表法等人工测量方法和以倾角仪法、光电成像法、激光靶标法、GPS法等为主的自动测量方法。本文将重点介绍连通管法测量桥梁挠度变化的连通管系统的构成、测量原理、方法特点、现场实施及其注意事项等。

1 连通管法的测量原理
    连通管法测量桥梁挠度的原理是在挠度测量点和基准点之间安装连通管，利用同一系统保持相同水平液面的原理，将两点间竖直方向上的相对位置变化转换成连通管内液面的变化，然后利用连通管原理由测得的液面变化反算出测量点相对于基准点竖直方向的位置变化(即挠度)。
    为确保测量点处的挠度变化不影响连通管内的液面高度，在基准点处将连通管接入大容积容器，并在该容器和测量点各点安装挠度传感器，这样便形成了连通管法桥梁挠度测量系统，该系统模型如图1所示。

     在桥梁挠度测量项目中，将大容积容器置于基准点(如大桥的桥台处)，在基准点和测量点均安装挠度传感器，通过计算基准点和测量点挠度传感器的数据差，这样所得到的结果，就是桥梁挠度测量点的挠度值。
    说明：h为基准点处液位传感器的读数：h1为在桥梁没有形变时，测量点A处挠度传感器的读数；h2为在桥梁有形变时，测量点A处挠度传感器的读数。

    从图2可得，该桥梁测量点A处的挠度变化为：
    △h=(h2-h)-(h1-h)=h2-h1
    当△h>0时，说明桥梁处于上挠状态：当△h<0时，说明桥梁处于下挠状态。

2 连通管测量原理在桥梁挠度测量中的应用
2．1 连通管法桥梁挠度测量系统建设
    将连通管测量原理应用在桥梁挠度测量中，程序员可以根据选用挠度传感器的通讯协议、输出信号和采集策略等编写一套桥梁挠度数据采集与处理程序，这样，所设计的系统便可实现桥梁挠度的自动测量。
    连通管法桥梁挠度测量系统主要包括挠度传感器、连通管道、大容积容器、安装有数据采集与处理程序的计算机、通讯电缆和供电电缆等。将挠度传感器、连通管道、大容积容器连接在一起形成连通管系统；将挠度传感器通过供电电缆和通讯电缆分别接入供电设备和计算机通讯端口，便形成了连通管法桥梁挠度测量系统的硬件框架，图3所示是连通管法挠度测量系统硬件组成框图。

2．2 连通管法桥梁挠度测量系统的注意事项
    连通管法测量桥梁挠度的几大难点：
    (1)连通管中存在气泡或气柱会使液位与实际不符；
    (2)液体中含有杂质可能阻塞或堵塞连通管道；
    (3)通讯线缆过长，信号会受到环境干扰；
    (4)连通管中的液体在环境温度降到其凝固点后会发生冻结现象；
    (5)对于长期在线监测工程，该方法还有另一个难点，即连通管中液体挥发过多会导致挠度传感器接触不到液体，测得的数据降为零，与实际不符。
    为了克服以上难点，在实际工程项目中，宜按以下方法开展工作：
    (1)选择通讯协议为RS485制式的挠度传感器，通讯线缆选择全铜材质的双芯屏蔽电缆，以便可以长距离传输信号，且基本不受环境干扰；
    (2)大容积容器可选择不锈钢材质，连通管道选用PPR管，安装在连通管道中的阀门选择全铜球阀，注入连通管的液体选用加防腐剂的纯净水，以便有效防止液体变质，避免管道阻塞；
    (3)近挠度传感器端的连通管支管选用透明软管，以便于挠度传感器的安装更换和连通管加水或排气时的液位监视；
    (4)挠度传感器须安装在容器总高度的1／3～2／3范围，并基本保持在同一水平线上，要避免部分挠度传感器超量程或数据为零；
    (5)设置连通管缺水报警装置或者自动补水管路，避免水位下降而无法进行挠度测量。

3 连通管法桥梁挠度测量应用案例
    重庆石板坡长江大桥健康监测系统挠度子系统于2006年就将连通管原理测量挠度的方法应用在实际工程项目中，并正常运行至今，效果显著。该桥为大跨径连续刚构钢混梁结构，长1 103．5 m，宽19 m，单向四车道，主跨330 m，为当时世界第一跨径钢混结合梁桥。
    该系统在大桥主梁的13个截面共布置了26个挠度测量点(含4个基准点)，图4所示是重庆石板坡长江大桥挠度测点布置图。

    2010年底，重庆勘查院对该桥实施了挠度封桥测量，测点与图4相同。该桥上游侧13个测量点的自动监测数据和人工测量数据与理论值的分析对比结果如图5所示。

    图5所示的对比结果表明，本自动监测数据和人工测量数据与理论值的相对误差均不超过5％。

4 结语
    桥梁挠度在线实时监测是桥梁健康监测的重要组成部分，基于连通管原理的桥梁挠度测量方法是一种简单有效的方法。采用RS485通讯技术的挠度传感器，能实现挠度数据的精确测量和远距离传输，满足各类大中型桥梁健康监测的监测需要。在重庆石板坡长江大桥的应用结果表明，基于连通管原理的桥梁挠度自动监测系统测试效果良好、性能稳定可靠，能有效应用于桥梁挠度的长期实时自动监测。