基于压力变送器的桥梁挠度监测方法研究

　桥梁整体挠度测量是基于对桥梁关键点测量数据进行评价, 常用的测量方法有标尺经纬仪、水准仪、百分表、千分表、加速度计、位移计等, 已广泛用于桥梁检测及验收鉴定中, 但这些廉价、结构简单的测量方法只能用于桥梁静挠度测量, 存在费时费力、使用不方便、在线测量困难等不足。因此, 一些新型挠度测量法如倾角仪、GPS 、连通管法、光电图像式测量仪等逐渐应用于桥梁结构挠度监测中, 可实现实时、在线、自动测量。

    各种挠度监测方式均有其特点, 但如何结合实际工程背景选择合适的方法以获取最佳的性价比, 需要在实际工作中加以研究探索。钢桁架拱桥由于其结构特点只需对其最主要的竖向挠度做动态实时监测以反映桥梁整体特性, 因此可考虑采取基于压力变送器的挠度监测方法(连通管法的一种), 以获取最优的性价比。

1 　挠度监测

1. 1 　测量原理

     本方案拟采用差压液位式挠度监测系统实时监测桥面竖向挠度状况 。该系统核心器件拟采用罗斯蒙特3015S-CD 压力变送器(量程代码0),压力变送器通过测量连通管内液体的压力差确定液位的升降值, 测量原理如图1 所示, 测量探头插入被测液体, 距液面高度为H , 在静压力的作用下, 一部分液体由探头底部开孔处进入探头内, 高度为h 。探头腔内的气体被压缩并被封存, 充当导压介质。由流体静力学可知, 腔内气体压力p =(H - h)ρg 。式中:ρ为被测介质密度;g 为重力加速度。随着槽内液位的上升或下降, h 值增大或减小, 探头腔内体积以及气体压力随之变化, 故而产生压力信号。由于h 值相对于H 而言很小, 故气体压力p ≈Hρg , 由压力变送器检出p 值即可得知液位。

1. 2 　监测方式

    差压液位式挠度监测系统主要由压力变送器、水箱、连通管、水管及二次支持仪表构成(见图1)。监测桥梁挠度时通常在主梁上布置若干个测点, 每个测点均可以实时测量该点的挠度, 每隔一段时间(可根据具体工况调整)作一次数据分析, 给出各测点挠度变化的时程曲线,由相应的竖向挠度测点的数据计算出主梁各截面位置的扭转, 并绘出扭转时程曲线, 找出并记录各条曲线的最大值和最小值。根据曲线中极值的大小决定是否保存本次采样的各种结果。经过判断, 凡是要保存的原始数据及分析结果, 还应同时给出相应的载荷(可能是风、温度、地震、车辆等载荷)的变化情况。差压液位式挠度监测系统示意图如图2 所示。

1. 3 　系统性能指标

液体选择　水。

差压量程　- 733 ～ 733 Pa 。

液位量程　- 748 ～ 748 Pa(根据工况调整)。

精度　0. 04 %(相对精度)。

　温度极限　- 40 ～ 80 ℃。

湿度极限　0 ～ 100 %的相对湿度。

　　稳定性　至少10 年。

动态特性　总体响应时间700 ms ;停滞时间

45 ms ;更新速率22 次/ s 。

振动影响　误差小于量程上限的±0. 1 %。

雷电保护　满足IEEE 标准要求。

输出方式　远程数字式液晶显示。

1. 4 　钢桁架拱桥挠度监测测点

    以图3 所示桥梁为例, 其挠度测点在上游端引桥布设5 个, 主桥布设9 个;下游端引桥布设5个, 主桥布设9 个。在布置全桥挠度监测点时以主桥为主, 引桥为辅;由于对称性, 考虑在上下游斜向对角对称布置, 同时满足全桥竖向挠度和不均匀偏转的监测,减少了传感器且提高了性价比。

2 　分析与结论

    对于营运时间日久的桥梁, 管养部门和工程界对其结构安全状况十分关注, 由于挠度反映了桥梁整体结构特性和环境荷载的影响, 因此对此进行实时在线监测具有重要的现实意义。

    差压式压力变送器实时监测桥梁挠度在国内外尚不多见, 国内也是刚刚在海口世纪大桥的健康监测中投入营运, 实践证明其效果良好, 因此利用差压液位式挠度监测系统实时监测桥面竖向挠度状况理论上可行, 同时也具有工程实际前景, 值得深入探索并在实际工程中加以发展完善。

    从工程实际的角度来看, 差压式压力变送器实时监测桥梁挠度的难点在于如何选择与实际监测桥梁相符合的差压式压力变送器, 即如何选择合适的压力变送器的型号与量程;同时, 对水箱、传感器的合理设置以及水管的传输等实际工艺问题也要详加考虑, 这样才能设计出性能可靠有效、数据准确的桥梁挠度监测系统。当然, 其系统监测精度和准确性在满足工程需要的前提下还需要不断提高和完善。

    需要指出的是, 监测数据可由数据库管理系统处理后形成桥梁状况监测综合数据库。利用该数据库, 桥梁管理部门可以实时监测桥梁的结构安全健康状况, 评估结果可及时通过企业专用网络通道传送至桥梁监测中心, 实现在线监测、显示、处理和异常报警等功能, 为有关管理人员进行桥梁管理决策提供依据。

3 　承台施工

    承台封底施工后, 封底砼强度5 d 可达到设计强度的70 %, 钢套箱围堰内抽水后无漏水现象发生, 封底砼表面平整度较好(也可浇筑一薄层水泥砂浆找平), 可进行干作业面承台施工。

4 　结语

    水下无底套箱施工的重点在于砼封底, 如何在施工中寻求更为简单可行、能保证质量的经济合理的施工工艺, 是桥梁施工人员不断追求的目标。水下承台施工单点移动直接下料浇筑封底砼的方法, 是对大面积、大方量水下砼施工工艺的一种新的尝试, 通过襄樊汉江四桥的实践证明, 该施工方法是成功的, 具有一定的推广应用价值。