連通管式光電液位傳感器在橋梁撓度監(jiān)測中的應(yīng)用*

[摘要]：撓度是評價橋梁安全性的重要指標。根據(jù)橋梁各自的結(jié)構(gòu)特點，選用連通管式光電液位傳感器進行實際工程應(yīng)用。介紹了該傳感器的基本原理，闡述了實際的連通管式光電液位監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成，并將該系統(tǒng)實際應(yīng)用于大佛寺長江大橋的狀態(tài)監(jiān)測中，監(jiān)測結(jié)果表明：連通管式光電液位傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠有效地反映橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，監(jiān)測系統(tǒng)運行正常有效。
關(guān)鍵詞：連通管；光電液位傳感器；撓度監(jiān)測；大佛寺長江大橋
0 引言
橋梁是交通運輸網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟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。為了有效維護橋梁和確保其安全運行，監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，對于全面分析和了解橋梁工作狀態(tài)或異常變化和進一步開展安全性評估極為重要。撓度是評價橋梁安全性的重要指標，直接反映橋梁結(jié)構(gòu)形變是否超出危險范圍。目前，常用的撓度測量方法有經(jīng)緯儀、水準儀、百分表等，已廣泛用于橋梁現(xiàn)場檢測及驗收鑒定中，但這些廉價、結(jié)構(gòu)簡單的測量方法只能用于橋梁短期、人工測量，存在費時費力、使用不便、實時測量困難等不足。因此，一些新型撓度測量方法，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)測中，可實現(xiàn)長期遠程自動測量…。然而，在選用測量方法時，對于大型橋梁，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，采用適應(yīng)其特點的方法進行結(jié)構(gòu)撓度測量。本文以大佛寺長江大橋為應(yīng)用對象，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。
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)場日光、雨、霧影響等特點。然而，因采用該方法只能人工測量，人工測量畢竟采用人工讀數(shù)，且費時、費力，只適用于橋梁短期靜態(tài)撓度測量。
要實現(xiàn)連通管液位的長期自動測量，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，被浮子擋住的光電接收組件接收到接近于零的光強。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。因此，只要進一步對半集成光電接收組件輸出數(shù)據(jù)進行處理，便可得到浮子（液位）的位置及撓度值。

1.2 傳感器監(jiān)測系統(tǒng)
要將光電液位傳感器用于實際工程應(yīng)用而完成大橋主梁多點自動監(jiān)測，必須構(gòu)建出實際的連通管式光電液位監(jiān)測系統(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、計算機等組成，如圖3所示。其基本工作原理是當連通管沿主梁軸線布置時，主梁的撓度通過連通管各點的液位反映出來，這樣，在各連通管上的光電液位傳感器輸出信號經(jīng)RS—485總線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)長線傳輸至計算機，從而測出該點的液位變化，實時測出主梁的撓度。

由于大佛寺長江大橋跨度大，主梁上的傳感器距離現(xiàn)場計算機較遠，為了將各液位傳感器的測量結(jié)果無失真地長距離傳輸至北橋塔處的現(xiàn)場監(jiān)測室，系統(tǒng)采用具有抗干擾、多傳感器串連、長距離傳輸、可靠性好、價格便宜等特點的標準RS—485總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長線、數(shù)字發(fā)送、編碼傳輸，以滿足各測點數(shù)據(jù)不受傳輸線長短的影響和不受傳輸數(shù)據(jù)互相影響的要求。
2 應(yīng)用實例
2.1 傳感器的安裝
要實現(xiàn)大佛寺長江大橋結(jié)構(gòu)撓度現(xiàn)場監(jiān)測，需進行傳感器的安裝，如圖4所示。大佛寺長江大橋為雙塔雙索面漂浮體系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)分析計算，對大橋主梁撓度監(jiān)測采用了42只光電液位傳感器，所有傳感器輸出信號線都連接到安裝在北橋塔4號墩橫梁的計算機上。傳感器具體位置布設(shè)在斜拉索與橋面相接的鉚頭部位，當上游、下游側(cè)各布設(shè)21個測點時，傳感器之間的距離為42.3m（5根斜拉索間距）。其埋設(shè)傳感器的編號分別為1#，2#，3#…41#，42#（其中，16#和37#為主跨跨中傳感器編號）。

2.2 橋梁撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)
為了驗證監(jiān)測系統(tǒng)的有效性、合理性，還需在實際工程應(yīng)用中進行檢驗與完善。因此，監(jiān)測系統(tǒng)已實際應(yīng)用于大佛寺長江大橋結(jié)構(gòu)撓度現(xiàn)場監(jiān)測，歷經(jīng)橋梁通車的全過程，得出了相應(yīng)的監(jiān)測數(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[3]）的撓度變化相同，故說明該橋主梁的斜拉索是對稱的。
（2）環(huán)境溫度變化使斜拉索溫度升高，從而使斜拉索伸長，導致主梁撓度發(fā)生變化，如圖5（b），（c）所示。由于大橋邊跨橋墩對主梁的支撐，因而，邊跨斜拉索伸長對主梁撓度不會有影響，而主塔兩邊相對的斜拉索的總伸長量一定，主梁上游、下游幾乎完全對稱，沒有主梁扭曲現(xiàn)象。
（3）環(huán)境溫度升高斜拉索伸長時，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跨部位撓度變動較小，約70～80mm左右，如圖5（a）所示。根據(jù)相關(guān)分析計算，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******，其測量值與橋梁結(jié)構(gòu)的實際變化一致，表明測量的撓度值能夠反映橋梁撓度的實際變化。
3 結(jié) 論
連通管式光電液位監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁現(xiàn)場進行運行考核得出的監(jiān)測結(jié)果表明：傳感器能夠準確、可靠、真正地獲取有效數(shù)據(jù)，其撓度測量值能夠有效地反映橋梁結(jié)構(gòu)的實際變化，從而證明了光電液位監(jiān)測系統(tǒng)完全可勝任大佛寺長江大橋結(jié)構(gòu)撓度的長期、遠程、自動監(jiān)測。

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連通管式光電液位傳感器在橋梁撓度監(jiān)測中的應(yīng)用*