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。
注明,三暢儀表文章均為原創(chuàng),轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)明本文地址