新型竖向位移测量系统的研究及应用

新型竖向位移测量系统的研究及应用
赵兴雅,汪正兴,朱世峰,王 波
(中铁大桥局集团桥科院有限公司桥梁结构安全与健康湖北省重点实验室,湖北武汉430034)
摘 要:针对现有桥梁挠度及结构基础沉降测量方法的不足,尤其是高速铁路桥梁基础沉降实时监测手段的欠缺,提出了一种结合液-气耦合压差挠度仪、RS 485总线及GP RS 无线传输技术的封闭式/半封闭式结构竖向位移测量方法并进行了系统研发。

该系统已成功应用于武汉天兴洲长江大桥、重庆朝天门长江大桥等数十座桥梁的挠度及某高速铁路桥梁基础沉降测量中。

结果表明:该系统可在工程实例中对结构竖向位移进行高效、高精度的连续远程无线测量。

关键词:桥梁;测量系统;挠度;基础沉降;液-气耦合;无线传输;连续实时监测中图分类号:U 446.2;T P212
文献标志码:A
文章编号:1671-7767(2011)01-0051-04
收稿日期:2010-09-03
作者简介:赵兴雅(1979-),女,工程师,2001年毕业于重庆交通学院土木工程专业,工学学士(E m ail:zxy0121@)。

1 引 言
为适应我国社会、经济快速发展的需要,近年来高速铁路建设方兴未艾。

京津、沪宁、合武、武广、郑西等高速铁路的建设并投入运行有力地促进了区域经济的发展。

京沪、石武、沪昆、汉宜、石青、郑徐、商杭等高速铁路亦在紧张施工中或已获立项建设。

高铁列车一般均以200km/h 以上的高速运行在较长线路上,且大部分路段均为桥梁的形式,其运行期间的安全性、舒适性均对桥梁基础沉降提出了极高要求。

故对桥梁基础沉降进行连续实时监测具有非常重要的现实意义[1,2]。

同时,在桥梁检测及健康监测过程中,挠度的测量精度、准确性及效率亦尤为重要,但目前的挠度测量方法均难以同时满足高精度、高准确性及高效率的要求,如水准仪等光学仪器测量法、百分表等位移计法、光电图像原理法、连通器法。

为克服现有技术及仪器的不足,提出了结合液-气耦合压差位移传感器和GPRS 无线传输技术的封闭式/半封闭式结构竖向位移测量方法并进行了系统研发,位移测量系统及传感器布置见图1
[3~8]。

2 系统研发
2.1 系统研发概述
液-气耦合压差式桥梁竖向位移测量系统的机理为液-气耦合压差的改变转变为桥梁挠度变化[8],经过结构尺寸的优化设计,使得测点处的挠度值u 与气压差传感器的前后差值 P 相等。

同时,
图1 位移测量系统及传感器
为解决测量系统的时漂、温漂等问题,在实验室理想环境下,对位移测量系统中位移传感器的灵敏度、精度、抗噪音性能进行了实验研究。

结果显示: 为确保在长期监测状态下测量结果的稳定性,通过进行逐点温度补偿,能有效克服传感器温漂问题,满足测量要求; 根据风向、风速灵活布置附加挡风设备,为测量的精度、稳定性提供有效的保障。

2.2 位移测量系统构成
该系统由信息接收设备(位移传感器及标识码)、数据传输设备(GPRS DTU :Data T erminal U nit 、数据传输终端、无线通信网络及通信协议)、数据处理设备(监控中心:存储、运算、专门应用程序和操作系统)组成。

其工作原理为:位移传感器输出数字信号后,由无线传输模块(GPRS DT U)依次进行T CP 封装 IP 封装,然后将数据发送到GPRS 网络,通过路由器和网关,最后经由Internet 网络以T CP/IP 传输协议送到监控中心绑定公网固定IP 的路由服务器上,通过局域网内NAT 端口映射技术将其映射到数据中心服务器上。

监控中心通过控制管理软件对发送过来的数据实行统一的控制管
理,监控中心也可以向测量现场位移传感器发送各种指令来控制监测点运行。

位移测量系统结构见图2。

图2 位移测量系统结构
2.3 位移传感器
位移传感器(以AT mega48为核心的数据采集控制单元)由液柱调节器、液压传输管、气柱调节器、微压差传感器、数据电力传送装置(RS 485总线)及无线发射设备(GPRS 模块)组成。

测量时,液压传输管两端分别连接液柱调节器、气柱调节器,根据其压差变化与竖向位移之间的预先标定的关系(见图3),即可计算出2个测点间相对挠度值。

为保证高精度转换,采用24位基于 - (增量累加)技术的A/D
转换器。

图3 位移测量系统标定结果
工程应用时,可根据不同的需求,采用单连通管式、串联连通管式及混合连通管连接式[9]。

单连通管式一般运用于坡度较小的桥梁竖向位移测量和桥梁竖向位移长期监测,串联连通管式和混合连通管连接式可方便运用于任意跨度、任意坡度的桥梁竖向位移测量,通过选取多个基准点的方式,可使该系统成为自校正闭合式测量系统[8,9]。

3 工程实例
上述新型位移测量系统经理论分析及实验室实
验验证后,迄今已成功应用于以武汉天兴洲公铁两
用长江大桥、重庆朝天门长江大桥等数十座桥梁的挠度及某高速铁路桥梁基础沉降测量中,并得到了相应的测量结果[7,8,10],其在既有隧道拱顶下沉监测中的应用亦在进行中。

3.1 桥梁竖向位移(挠度)测量
以重庆朝天门长江大桥主梁挠度测量为例进行主梁挠度分析。

该桥主桥长932m,采用(190+552+190)m 的中承式连续钢桁系杆拱桥,为目前世界上跨度最大的拱桥。

大桥为双层交通布置:上层桥面为双向6车道和两侧人行道,桥面宽36.5m;下层桥面中间为双线城市轻轨,两侧为双向2车道。

结构及测点布置见图4。

根据相关分析计算,采用28套测量仪器测量大桥主梁挠度,上、下游均采用4 50m+64m+68m +4 72m +68m+64m+4 50m 的串联布置方式。

以对中跨L /4断面
拱肋弦杆最大轴力对称加载(工况6)和对中跨跨中
桥面最大挠度对称加载(工况12)为例分析挠度测量结果。

实测结果与理论计算值对比见图5、图6(按照桥面里程坐标绘制)。

图4 重庆朝天门长江大桥主桥立面及测点布置示意
由图5、图6可以看出,在试验荷载作用下,桥面实测挠度与计算挠度吻合较好,该挠度测量方法及设备所测得的数据稳定、准确。

由于采用水准仪测量,即使在天气晴好时也需多人配合并多次转点,每个工况耗时约0.5h,实测时恰遇大雾天气,受天
气影响无法实施,而本文所述测量方法已实现自动
测量(仅需1人操作),加载到位即可得到测量数据,其适用性及测量效率远高于水准仪等传统测量方法及设备。

3.2 基础沉降测量
以某在建高速铁路桥梁基础沉降测量为例进行基础沉降分析,测量部分为5 32m 跨预应力混凝土简支梁(见图7)。

基础沉降测量系统布置在箱梁内。

基础沉降测量系统WEB 界面见图8。

该桥基础沉降测量采用定时轮询采集的方式进行。

监控中心每隔一定时间向微压差挠度仪发送数据采集指令,微压差挠度仪响应采集指令并将采集
图5 工况6
加载时中跨主梁挠度曲线
图6 工况12加载时中跨主梁挠度曲线
数据发送到RS 485总线上,GPRS DTU 将接收到的监测数据封装为T CP/IP 数据包并发送至监控中
心的数据服务器上,数据服务器完成监测数据的接
图7 32m 预应力混凝土简支梁及其截面
图8 基础沉降位移测量系统WEB 界面
收并将数据解算结果存储至SQL Server 数据库供
WEB 服务器调用。

部分测量数据结果见图9。

结果显示: 500m m 量程时,温度变化、传感器时漂及工地现场多因素综合影响下的72h 连续测量值变化-1~1mm (抛开小部分的奇异值,即变化量为仪器满量程的0.2%),测试稳定性良好。

图9 部分测量数据结果(连续采集72h)
4 结 语
针对现有竖向位移(挠度及基础沉降等)测量方法的不足,尤其是高速铁路桥梁竖向位移(基础沉降)的实时监测手段的欠缺,提出了一种结合液-气耦合压差位移传感器、RS 485总线及GPRS 无线传输技术的新型竖向位移测量系统并进行了实验研究及工程应用。

结果显示,该系统长期稳定且具有高精度、高灵敏性、组网简单、使用方便等优点,可满足对竖向位移连续远程无线监测的需要。

参 考 文 献:
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Research and Application of a New Type of
Vertical Displacement Measurement System
ZHAO Xing ya,W ANG Zheng xing,ZH UShi f eng,W ANG Bo (K ey L aborato ry of Bridg e St ructur e Safety and H ealth of H ubei Pro vince,Bridg e Science Resea rch Institut e L td.,China Railw ay M ajor Br idg e Eng ineering Gr oup,Wuhan430034,China)
Abstract:In view of the deficiency of the present m easurement methods fo r bridge deflection and structural foundatio n settlement,particular ly that of the real time m onitor ing m eans fo r the foundation settlem ent of high speed railw ay bridg es,a new ty pe o f the clo sed/semi closed str uc tural v ertical displacement measurement m ethod integrating w ith the liquid and air coupling pr es sur e difference deflectom eter,RS 485bus and GPRS w ireless transm ission technique w as put fo r w ard and the system o f the m ethod w as developed.T he developed system as mentioned has al r eady been successfully applied to the deflection measurement o f m ore than ten bridges,including Wuhan T ianx ing zhou Chang jiang Riv er Bridg e and Chao tianmen Chang jiang River Bridg e in Chongqing and also to the fo undation settlement measurem ent o f a high speed railw ay bridg e. The results of the application indicate that the sy stem can co nduct the continuo us and remote w ireless m easurement of the structural vertical displacement fo r acrual engineering pro jects with hig h efficiency and hig h degr ee o f accuracy.
Key words:bridge m easur em ent system;deflection;foundation settlement;liquid and air coupling;w ireless transmission;continuo us real time monito ring。