連通管式光電液位傳感器在橋梁撓度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用*

[摘要]：撓度是評(píng)價(jià)橋梁安全性的重要指標(biāo)。根據(jù)橋梁各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用連通管式光電液位傳感器進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用。介紹了該傳感器的基本原理，闡述了實(shí)際的連通管式光電液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成，并將該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于大佛寺長(zhǎng)江大橋的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：連通管式光電液位傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠有效地反映橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常有效。
關(guān)鍵詞：連通管；光電液位傳感器；撓度監(jiān)測(cè)；大佛寺長(zhǎng)江大橋
0 引言
橋梁是交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活中具有十分重要的地位，因此，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠性極其重要。為了有效維護(hù)橋梁和確保其安全運(yùn)行，監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，對(duì)于全面分析和了解橋梁工作狀態(tài)或異常變化和進(jìn)一步開展安全性評(píng)估極為重要。撓度是評(píng)價(jià)橋梁安全性的重要指標(biāo)，直接反映橋梁結(jié)構(gòu)形變是否超出危險(xiǎn)范圍。目前，常用的撓度測(cè)量方法有經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、百分表等，已廣泛用于橋梁現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及驗(yàn)收鑒定中，但這些廉價(jià)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的測(cè)量方法只能用于橋梁短期、人工測(cè)量，存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、使用不便、實(shí)時(shí)測(cè)量困難等不足。因此，一些新型撓度測(cè)量方法，如，傾角儀、GPS、激光圖像法及連通管式光電液位傳感器等逐漸應(yīng)用于大型橋梁結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測(cè)中，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)量…。然而，在選用測(cè)量方法時(shí)，對(duì)于大型橋梁，其構(gòu)件太多、自身荷載巨大、受力情況復(fù)雜、地基情況又千差萬別，難以找到完全相同的結(jié)構(gòu)，從一座橋的測(cè)量方法難以推論到其他橋梁結(jié)構(gòu)。因此，必須根據(jù)橋梁各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用適應(yīng)其特點(diǎn)的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)撓度測(cè)量。本文以大佛寺長(zhǎng)江大橋?yàn)閼?yīng)用對(duì)象，選用連通管式光電液位傳感器用于該橋結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測(cè)。
1 連通管式光電液位傳感器
1．1基本原理

即液位在玻璃管內(nèi)的上升量就是該點(diǎn)的結(jié)構(gòu)下沉量（撓度值），通過讀取有刻度玻璃管中液位的變化值，就得到了橋梁在該點(diǎn)的撓度值。
由于連通管法采用全封閉式，因此，其具有不受結(jié)構(gòu)多方位變形及橋梁現(xiàn)場(chǎng)日光、雨、霧影響等特點(diǎn)。然而，因采用該方法只能人工測(cè)量，人工測(cè)量畢竟采用人工讀數(shù)，且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，只適用于橋梁短期靜態(tài)撓度測(cè)量。
要實(shí)現(xiàn)連通管液位的長(zhǎng)期自動(dòng)測(cè)量，必須采用與連通管配套的光電液位傳感器，光電液位傳感器的結(jié)構(gòu)有很多類型，本文采用的是如圖2所示的結(jié)構(gòu)，半集成發(fā)光組件LS和半集成光電接收組件PDS沿管軸對(duì)稱置于玻璃管的兩側(cè)，半集成發(fā)光組件發(fā)出的光通過透明液體照射到半集成光電接收組件上，未被浮子擋住的光電接收組件接收到較大的光強(qiáng)，被浮子擋住的光電接收組件接收到接近于零的光強(qiáng)。隨著液位的變化，浮子的位置也隨之變化，相應(yīng)的凹谷位置也上下移動(dòng)。因此，只要進(jìn)一步對(duì)半集成光電接收組件輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，便可得到浮子（液位）的位置及撓度值。

1.2 傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
要將光電液位傳感器用于實(shí)際工程應(yīng)用而完成大橋主梁多點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，必須構(gòu)建出實(shí)際的連通管式光電液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其主要包括連通管、與連通管配套的光電液位傳感器、數(shù)字發(fā)送與相應(yīng)的外圍電路、計(jì)算機(jī)等組成，如圖3所示。其基本工作原理是當(dāng)連通管沿主梁軸線布置時(shí)，主梁的撓度通過連通管各點(diǎn)的液位反映出來，這樣，在各連通管上的光電液位傳感器輸出信號(hào)經(jīng)RS—485總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)線傳輸至計(jì)算機(jī)，從而測(cè)出該點(diǎn)的液位變化，實(shí)時(shí)測(cè)出主梁的撓度。

由于大佛寺長(zhǎng)江大橋跨度大，主梁上的傳感器距離現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)較遠(yuǎn)，為了將各液位傳感器的測(cè)量結(jié)果無失真地長(zhǎng)距離傳輸至北橋塔處的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)室，系統(tǒng)采用具有抗干擾、多傳感器串連、長(zhǎng)距離傳輸、可靠性好、價(jià)格便宜等特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)RS—485總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)線、數(shù)字發(fā)送、編碼傳輸，以滿足各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)不受傳輸線長(zhǎng)短的影響和不受傳輸數(shù)據(jù)互相影響的要求。
2 應(yīng)用實(shí)例
2.1 傳感器的安裝
要實(shí)現(xiàn)大佛寺長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)撓度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，需進(jìn)行傳感器的安裝，如圖4所示。大佛寺長(zhǎng)江大橋?yàn)殡p塔雙索面漂浮體系P.C混凝土斜拉橋，位于渝黔高速公路童家院子至界石段，橫跨長(zhǎng)江，連接著數(shù)條高速公路。大橋主跨為450m，主索塔高206.68m。根據(jù)相關(guān)分析計(jì)算，對(duì)大橋主梁撓度監(jiān)測(cè)采用了42只光電液位傳感器，所有傳感器輸出信號(hào)線都連接到安裝在北橋塔4號(hào)墩橫梁的計(jì)算機(jī)上。傳感器具體位置布設(shè)在斜拉索與橋面相接的鉚頭部位，當(dāng)上游、下游側(cè)各布設(shè)21個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，傳感器之間的距離為42.3m（5根斜拉索間距）。其埋設(shè)傳感器的編號(hào)分別為1#，2#，3#…41#，42#（其中，16#和37#為主跨跨中傳感器編號(hào)）。

2.2 橋梁撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性、合理性，還需在實(shí)際工程應(yīng)用中進(jìn)行檢驗(yàn)與完善。因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已實(shí)際應(yīng)用于大佛寺長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)撓度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，歷經(jīng)橋梁通車的全過程，得出了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果。
圖5（a），（b），（c）是某年3月10日至3月20日期間主梁撓度與溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線。

（1）從圖5（a）可知，主跨（北面）1／4處（下游19#傳感器、上游40#傳感器）和主跨（南面）1／4處（下游13#傳感器、上游34#傳感器，此圖未列出，參見文獻(xiàn)[3]）的撓度變化相同，故說明該橋主梁的斜拉索是對(duì)稱的。
（2）環(huán)境溫度變化使斜拉索溫度升高，從而使斜拉索伸長(zhǎng)，導(dǎo)致主梁撓度發(fā)生變化，如圖5（b），（c）所示。由于大橋邊跨橋墩對(duì)主梁的支撐，因而，邊跨斜拉索伸長(zhǎng)對(duì)主梁撓度不會(huì)有影響，而主塔兩邊相對(duì)的斜拉索的總伸長(zhǎng)量一定，主梁上游、下游幾乎完全對(duì)稱，沒有主梁扭曲現(xiàn)象。
（3）環(huán)境溫度升高斜拉索伸長(zhǎng)時(shí)，使跨中撓度變化增大，越向跨中，撓度變化越大，同樣，在跨中變化值******，約160mm左右，如圖5（c）所示。相比較而言，1／4跨部位撓度變動(dòng)較小，約70～80mm左右，如圖5（a）所示。根據(jù)相關(guān)分析計(jì)算，這與跨中撓度變化******，且大約比1／4跨部位變化量大1倍的情況吻合。同時(shí)也表明：邊跨的撓度受溫度的影響較小，而在中跨，越向跨中方向，撓度隨溫度的變化增加越明顯，并在跨中撓度變化******，其測(cè)量值與橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際變化一致，表明測(cè)量的撓度值能夠反映橋梁撓度的實(shí)際變化。
3 結(jié) 論
連通管式光電液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在橋梁現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)行考核得出的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：傳感器能夠準(zhǔn)確、可靠、真正地獲取有效數(shù)據(jù)，其撓度測(cè)量值能夠有效地反映橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際變化，從而證明了光電液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全可勝任大佛寺長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)撓度的長(zhǎng)期、遠(yuǎn)程、自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

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