快速挠度监测系统在桥梁状态评估中的应用

快速挠度监测系统在桥梁状态评估中的应用

张力是结构弯曲变形过程中水平段心和轴的垂直方向上的线性位移。它是桥梁等大型结构健康监测的重要内容和安全评估的重要指标。它对桥的承载能力的检测和桥的民防救灾有着重要的意义和价值。它直接反应桥梁结构形变是否超出危险范围,在桥梁检定、危桥改造和新桥验收等方面都需要准确测量桥梁的静、动态挠度值。计算机技术、通讯技术及传感技术的发展,使得桥梁挠度监测系统逐渐实现了对结构挠度的远程在线数据监测。对于不同结构形式及规模(跨径)的桥梁,其位置及位移挠度测量的设备有所不同,常规的有电子张力线、连通器、GPS系统、智能全站仪等。但均存在价格与精度的问题。激光投射式位移传感技术是精确测量桥梁挠度变化的一种有效方法,且价格适中。在高落差、大跨度的实际桥梁的挠度测量中,具有操作方便、测量速度快、测量精度高等优势。重庆嘉陵江高家花园大桥快速挠度监测系统针对箱梁内部火灾情况,基于激光投射方法设计并实施了挠度监测系统,火灾后的快速挠度监测。与传统激光挠度仪相比,笔者所述挠度监测系统实现了静态与动态挠度同时测试,提高了系统可靠性。1快速挠度监测系统的应用重庆嘉陵江高家花园大桥主桥为三跨预应力混凝土连续刚构桥,全长970m。主梁为采用三向预应力钢筋混凝土结构的两幅单室箱型梁,桥面单向纵坡为0.4%,在主桥范围内无平曲线。桥面1.5%横坡,横坡通过腹板不等高实现,箱梁底板在横桥向保持水平。下部结构采用柔性薄壁墩,重力式桥台。2009年9月,重庆高家花园大桥正在进行桥面下方裂缝加固施工,桥体的箱梁内部的加固工程已完成了90%,用于支撑钢板的脚手架不明原因突然起火,浓烟从箱梁内的进出口冒出。明火在10min内被扑灭,因箱梁内部温度高达80℃,用水直接冷却桥体会导致桥体开裂,影响大桥的安全,所以封闭桥面,等待箱梁自然冷却。为及时查明病害桥梁受损情况,确保此交通要道的运营安全,特对桥上交通采取管制措施,并对该桥进行快速挠度监测和安全状况评估。本次监测的目的是对箱梁发生火灾事故的高家花园大桥右幅(图1),进行桥梁加固维修施工验收前的挠度变化情况在线监测,以对该桥梁状况评定提供重要参考依据。快速挠度监测系统实施的主要内容包括:传感器系统安装;通信系统安装;在线监测系统控制;数据分析与安全评估。2视频采集系统的组成结构重庆交通大学研发的挠度快速监测传感系统的组成结构:点激光发射器、投影标靶、视频采集设备、计算机。其中计算机配置了视频采集卡并预装相应软件,系统结构如图2。2.1光斑的形成和发育1)确保点激光发射器固定在桥梁结构待测点,为参考点的结构固定位置安装投影标靶。工作状态下,发射器投射到标靶的激光束形成光斑。2)标靶正后位置安装视频采集器,输出模拟视频信号,再经图像采集卡采集,进行软件处理得知光斑的中心位置。3)待测点在外力或荷载作用下发生Y轴方向位移,由于激光器固定在结构被测点上,激光器也会相应位移,而投射的光斑也将产生相同位移量Δ。4)计算机采集挠度变化前后的光斑位置并计算光斑在标靶上的垂直位移变化量,直观反映桥梁结构待测点的挠度变化。2.2动态信号采集对静态信号,采用基于分布式的数据采集系统,信号的传输选用Rs-485总线网络。对于动态信号,采用基于板卡的集中式数据采集系统。采集后的数据传输由传感器的信号线和现场总线等直接完成。该子系统能够实现多种不同物理信号的采集与预处理,根据系统要求的功能对数据进行分解、变换,获取所需参数并存储起来。2.3城市桥梁的主要网络通信系统的基本功能是将处理过的数据传输到监控中心。基本的通信方式有两种:有线方式和无线方式。对于城市桥梁,可以利用现有网络,采用有线方式,如光纤,双绞线等,有线方式的特点是数据传输速度快,抗干扰能力强。而大量的桥梁位于高山峡谷,远离城市,采用有线方式需铺设专线,耗资巨大,因此采用无线方式,如微波,卫星通信等。2.4数据库存和查询远程监控中心设有一台服务器,不断接收由现场采集系统传回来的监测数据,设置现场采集参数,并且对监测到的挠度数据进行储存,对原始数据分析、评估结果及历史报警信息等进行查阅。在监护服务器的数据库里主要接收和记录了桥上每个通道的挠度数据采集时间点上,挠度上下偏移量,桥梁应变、位移及温度,送往前端数据库服务器对数据进行计算分析,通过挠度数据分析判断桥梁的健康状况,发现异常时立即向监控中心发送报警,向用户显示计算分析和评估结果。3现场监测视频监控与显示高家花园大桥快速挠度监测系统,具有安装简单方便,稳定性好,测量精确等优点。系统安装主要包括传感器、激光发射器的固定和投影标靶的安装。传感器安装于桥梁箱体内部,激光发射器位置的选定必须确保:①激光与标靶位置对应,毫无遮挡物,保证光斑清晰;②激光发射器或投影标靶固定在桥梁敏感区域,保证传感器测量的挠度变化数据能有效反映桥梁挠度的变化,如图3。根据高家花园大桥的具体情况,安装两套准直点激光投射式挠度计,将激光发射器置于主跨跨中位置,将标靶置于桥墩,测量桥梁跨中的挠度实际变化值,而静态挠度传感器则取与动态挠度传感器布设相对称的反向布置,激光器置于桥墩处,标靶置于跨中位置,以桥面中心线为界对称布置于桥梁上下游侧,互为参照对比,以便更精确的分析出桥梁的挠度变化。现场监测中心施工安装的内容除准直点激光投射式挠度计外,还包括:工控机、防雷器、UPS、RS232/485转换器、及保护结构。连接视频采集设备的数据线与桥墩处的工控机终端,确保测量数据及时传输到工控机。当桥梁跨中合拢段发生挠度变化,固定在上面的激光发射器也会有位移变化,视频采集器采集到标靶上光斑的位移变化后,数据自动传输到工控机终端进行处理分析,进而挠度变化情况被测量出。该测量结果由无线传输模块通过GPRS网络传送到远程客户端以便实现实时监测。4监测数据与现状分析4.1测点传感器和测点布置静态挠度监测系统激光发射模块安装在主墩箱梁的上游侧,标靶安装在主跨的跨中箱梁内顶板上游侧,检测得到桥梁空间变位,将采集的原始数据录入前端数据库服务器,为得到精密的测量结果,将激光投射式挠度传感器的采样方式定为每20min采样一次,每次采5s,每秒钟采5个点。以2009-09-09T02:00为基准0点,以每日凌晨2点实测位移变化及当日最低气温为依据分析每日静态挠度变化情况。2009-09-09—11-05高家花园大桥右幅静态温度挠度实测位移在时间轴上的变化如图4。监测期间静态挠度在2009-09-09—10-25期间挠度在2.105cm范围内变化,在2009-10-26—11-05期间,前期静态挠度连续上升2.355cm,后期在0.6cm的小范围内波动,表明桥梁结构相对稳定。4.2进行实时数据分析动态挠度监测系统是通过布设在桥梁跨中部位的挠度传感器实时采集挠度数据,检测到桥梁空间位移变化值,将采集的原始数据录入前端数据库服务器,为得到精密的测量结果,将激光投射式挠度传感器的采样频率设定为2min,自动采集数据,后将采样频率变为20min,每次采集25个点。主跨动态挠度传感系统激光发射模块安装在主跨跨中箱梁内顶板下游侧,标靶安装在主墩箱梁内下游侧,用于监测跨中挠度实际变化值,以便及时把握桥梁刚度及弹性恢复能力。由于激光安装于跨中,标靶安装于墩顶,动态监测数据可能受到桥内加固施工影响而存在一定误差。将实际采集的高家花园大桥右幅动态挠度监测数据进行归一化处理,按周划分,然后对每日数据变化进行分析。从2009-09-08—11-04选取前期、中期、后期的部分动态挠度数据分析。监测期间动态挠度大致可分为以下阶段(图5):09-10—09-19,最大动态挠度在5.0～8.5cm波动;09-20—09-28,最大动态挠度在9.0cm左右,较规定荷载下的理论动态挠度偏大,建议业主注意限制较大车辆通行;09-29—10-28,最大动态挠度在5.0～8.5cm的范围内波动变化;10-29—11-04,最大动态挠度在7.0～9.0cm的范围内波动变化,变化范围较通车前有所增大。监测数据显示,火灾发生后5～7d时间内桥梁静态挠度总趋势为持续上升,此后1个月内均相对稳定变化;桥梁动态挠度变化虽大于正常动态挠度变化,但监控期内没有发现挠度有明显增加趋势。因此可以认为桥梁在限制仅两轴车通行情况下处于安全状态。通车前的09-20—09-28最大动态挠度波动较大,最大动态挠度超过9cm,期间,桥梁正在进行加固作业,于9月28日完成加固施工,09-29—10-28期间波动相对较平稳,最大动态挠度在5.0～8.5cm的范围内,说明加固对于桥梁结构起到了一定的作用;通车后的10-29—11-04最大动态挠度波动有所增加,说明通车对动态挠度变化还是存在一定影响。5灾后桥梁挠度总趋势笔者