高速公路橋墩結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘　要：以銅湯高速公路上毛塔３號(hào)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，設(shè)計(jì)了基于沉降和傾角兩個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的橋墩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了沉降監(jiān)測(cè)和傾角監(jiān)測(cè)的原理和實(shí)現(xiàn)方法，通過分析比較，選擇合適的傳感器和較優(yōu)的監(jiān)測(cè)方法。將４Ｇ無線數(shù)據(jù)傳輸方式應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，減少了系統(tǒng)的安裝時(shí)間和工程設(shè)備投入。

０　引　　言

高速公路橋梁作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施命脈，保證其安全和長(zhǎng)期性能，對(duì)于高速公路系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)具有重要意義。然而，隨著這些已建成橋梁的投入運(yùn)營(yíng)使用，加上我國(guó)現(xiàn)如今交通運(yùn)輸急劇增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，相當(dāng)一部分橋梁在運(yùn)營(yíng)使用十幾年便已經(jīng)出現(xiàn)了較多的病害問題，尤其是墩柱出現(xiàn)沉降及傾斜等問題，嚴(yán)重影響高速公路運(yùn)行安全，墩柱作為橋梁的重要組成部分，其質(zhì)量管理和日常運(yùn)維檢測(cè)對(duì)橋梁整體的穩(wěn)定性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響［１］。

本文以銅湯高速公路毛塔３號(hào)橋的橋梁高墩為研究對(duì)象，采用實(shí)證研究法和描述性研究法，深入地探討了高速公路橋梁高墩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以期為高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)的工作者們提供高墩病害監(jiān)測(cè)方面的參考和幫助。

１　設(shè)計(jì)背景

銅湯高速公路毛塔３號(hào)橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，跨徑組合為２５×３０ｍ，凈寬１１ｍ，橋梁全長(zhǎng)７６０．１ｍ。下部結(jié)構(gòu)為柱式墩（圖１）、樁基礎(chǔ)、Ｕ型臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)。通過對(duì)Ｒ３承臺(tái)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有多條結(jié)構(gòu)性裂紋（圖２），且頂面裂縫均相互貫通并向側(cè)面延伸。該病害的擴(kuò)展有可能會(huì)導(dǎo)致Ｒ３墩的傾斜和沉降，存在較大的安全隱患。為保證Ｒ３墩在現(xiàn)階段正常運(yùn)營(yíng)時(shí)的安全可控，需在運(yùn)營(yíng)過程對(duì)Ｒ３墩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保障行車和結(jié)構(gòu)安全。

２　沉降監(jiān)測(cè)和傾角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

對(duì)Ｒ３墩安裝橋梁健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要監(jiān)測(cè)該墩的沉降及雙向傾斜［２］。

２．１　沉降監(jiān)測(cè)

現(xiàn)有的沉降檢測(cè)方法通常有電子水準(zhǔn)儀法、全站儀法以及連通管法等。水準(zhǔn)儀法和全站儀法需要測(cè)試人員在橋面來回走動(dòng)，對(duì)交通安全有較大影響。另外，水準(zhǔn)儀法和全站儀很難自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且系統(tǒng)精度不足，因此，水準(zhǔn)儀法和全站儀法不滿足本次測(cè)試要求。

因此本次沉降監(jiān)測(cè)采用精度高且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試的連通管沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，連通管沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

（１）傳感器和連通管的布置只需要在橋墩和主梁腹板很小的地方，布設(shè)方便；

（２）連通管法測(cè)量時(shí)使用的傳感器精度較高，能符合本次測(cè)量；

（３）連通管測(cè)量自動(dòng)化程度高，只需要在固定點(diǎn)采集信號(hào)，不需要人員來回讀數(shù)，方便本次測(cè)量；

（４）對(duì)橋面行車無影響，不存在安全隱患。在Ｒ３墩上兩對(duì)角處各布設(shè)１個(gè)單法蘭差壓變送器，在Ｒ４墩上布設(shè)水箱和１個(gè)單法蘭差壓變送器作為基準(zhǔn)點(diǎn)，水管沿主梁腹板將該３個(gè)單法蘭差壓變送器進(jìn)行連接。若Ｒ３墩發(fā)生沉降，則布設(shè)在Ｒ３墩上的單法蘭差壓變送器所測(cè)水壓值變大，換算可得高于０．１ｍｍ精度的橋墩沉降值［３］。

２．２　橋墩雙向傾角監(jiān)測(cè)

目前通常用于角度測(cè)量的傾角傳感器主要有電解質(zhì)型傾角傳感器、電容型傾角傳感器和力平衡伺服型傾角傳感器，幾種傾角傳感器特性比較詳見表１。

由表１可知，電容型傳感器適合于本次橋墩的監(jiān)測(cè)，因此，擬選用電容式傾角傳感器進(jìn)行Ｒ３墩雙向傾角監(jiān)測(cè)。在Ｒ３墩頂布設(shè)一個(gè)雙向電容式傾角傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)Ｒ３墩縱向和橫向的傾角監(jiān)測(cè)，另外，通過單法蘭差壓變送器對(duì)角布設(shè)方式，也可實(shí)現(xiàn)Ｒ３墩的傾角監(jiān)測(cè)，作為對(duì)傾角傳感器監(jiān)測(cè)的校核。

３　采集傳輸

本項(xiàng)目在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)３個(gè)單法蘭差壓變送器、１個(gè)雙向傾角儀、１個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊、一臺(tái)主機(jī)。其采集系統(tǒng)連接示意圖如圖３所示。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為傳感器和數(shù)據(jù)采集部分。撓度傳感器為單法蘭差壓變送器，數(shù)據(jù)采集和傳輸部分主要由工控主機(jī)、ＲＳ２３２－４８５轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集模塊、ＤＴＵ模塊以及屏蔽雙絞線組成［５］。采集系統(tǒng)如圖４所示。數(shù)據(jù)采集模塊用來響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的命令，將單法蘭差壓變送器和傾角傳感器傳輸?shù)碾娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并將其傳送到主機(jī)上。數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、查詢和圖形化顯示功能，根據(jù)信號(hào)與壓力的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，將水位和信號(hào)之間建立對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，遇到問題可以遠(yuǎn)程操作。此外，數(shù)據(jù)采集軟件還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自檢，報(bào)警功能，為人工快速檢修提供高智能的準(zhǔn)確信息［６］。

采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)橋墩安全狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集傳輸采用集中控制、無線傳輸?shù)姆桨�。（圖５）現(xiàn)場(chǎng)采集站采集傳感器數(shù)據(jù)，由無線ＤＴＵ進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)通過界面顯示軟件分析后以圖形化的方式展示在網(wǎng)頁(yè)上，預(yù)警數(shù)據(jù)可通過短信方式推送給管養(yǎng)部門［７］。

４　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖６～圖９所示，相對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)值見表２。

從上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)表可以看出，７月至１１月期間，橋墩工作狀況總體比較平穩(wěn)。沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在０．５ｍｍ范圍內(nèi)波動(dòng)，兩相對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)值非常接近，說明橋墩不均勻沉降�。粌A角數(shù)據(jù)在１秒角度范圍內(nèi)波動(dòng)。扣除溫度影響后，監(jiān)測(cè)期內(nèi)未出現(xiàn)較大的沉降或傾斜，也未出現(xiàn)具有明顯趨勢(shì)的變化。

５　結(jié)束語(yǔ)

本文以銅湯高速公路毛塔３號(hào)墩的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)為背景，分析應(yīng)用中傳感器節(jié)點(diǎn)的選型布置及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)了橋墩的沉降和傾角兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，提出可行的實(shí)現(xiàn)方案，將無線網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)測(cè)平臺(tái)，技術(shù)人員定期進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析［８］。采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸橋墩數(shù)據(jù)，減少了系統(tǒng)的安裝時(shí)間和工程設(shè)備投入，能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和工作效率，該系統(tǒng)的建設(shè)與功能對(duì)高速公路橋墩的健康監(jiān)測(cè)具有一定的參考和借鑒意義。