屈英豪， 周建庭， 張洪， 蔣震

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶市 400074)

1 前言

隨著橋齡的增長，橋梁下?lián)蠁栴}不可避免，為了防止因過大幅度的下?lián)现率箻蛄航Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，有必要對(duì)橋梁進(jìn)行長期撓度監(jiān)測(cè)，特別是針對(duì)橋梁靜態(tài)撓度進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)。較為傳統(tǒng)的撓度測(cè)量方法有百分表、精密水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀等。以上幾種方法是基于人工操作，對(duì)測(cè)量人員要求較高，并且在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量時(shí)，需要移動(dòng)水準(zhǔn)尺、反射棱鏡或者百分表，操作不方便而且其測(cè)量時(shí)間不連續(xù)，間斷性大，故一般適用于竣工驗(yàn)收和定期撓度檢測(cè)，不能起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的作用。新一類的撓度測(cè)量方法有測(cè)量機(jī)器人法、傾角儀法、連通管法、GPS法、光電成像法等，這類方法運(yùn)用現(xiàn)代的技術(shù)可以對(duì)橋梁的撓度進(jìn)行長期不間斷監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能化。

目前基于連通管方式的撓度監(jiān)測(cè)技術(shù)有因其物理概念明確、測(cè)量結(jié)果相對(duì)可靠，在工程上應(yīng)用最為廣泛。整個(gè)連通管式橋梁撓度監(jiān)測(cè)方法主要分為液位連通管、半封閉式連通管。液位連通管主要通過液位相對(duì)容器壁的運(yùn)動(dòng)距離來計(jì)算撓度的大小，而半封閉式連通管則通過在測(cè)點(diǎn)處豎管安裝液壓傳感器，通過測(cè)得液壓實(shí)現(xiàn)撓度的測(cè)量，該方法減少了液體的流動(dòng)。

該文主要針對(duì)基于靜力水準(zhǔn)傳感器的液位連通管法撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展開研究。液位連通管法撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程中應(yīng)用頻繁，但存在一個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng)液體蒸發(fā)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)液位水平面下降，各測(cè)點(diǎn)傳感器的讀數(shù)將會(huì)發(fā)生變化，由于靜力水準(zhǔn)儀存在線性度，從而會(huì)導(dǎo)致?lián)隙葴y(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確；還有些方法在基準(zhǔn)點(diǎn)(水箱)處再安裝一個(gè)液位傳感器，其他測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的液位值與基準(zhǔn)傳感器液位值之差作為該點(diǎn)的撓度，這樣雖能較好解決液體揮發(fā)所帶來的誤差，但基準(zhǔn)傳感器的精度和穩(wěn)定性至關(guān)重要，測(cè)點(diǎn)傳感器與基點(diǎn)傳感器之間本身的相對(duì)系統(tǒng)誤差可能會(huì)降低精度和準(zhǔn)確度。同時(shí)，若連通管受溫度影響出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，則連通管內(nèi)液位將會(huì)發(fā)生變化，也會(huì)導(dǎo)致?lián)隙冉Y(jié)果不準(zhǔn)確。

因此，針對(duì)連通管內(nèi)液體隨時(shí)間減少而導(dǎo)致系統(tǒng)故障和測(cè)量誤差問題，該文進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水裝置的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，提出一種基于自動(dòng)補(bǔ)水裝置的連通管式橋梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)橋應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 撓度測(cè)量原理

該系統(tǒng)主要將測(cè)量液位的靜力水準(zhǔn)傳感器分別安裝在基準(zhǔn)點(diǎn)和各個(gè)測(cè)點(diǎn)處，然后通過連通管將所有傳感器物理連通，接著向連通管內(nèi)灌注干凈的液體，測(cè)量原理圖如圖1所示，最后根據(jù)式(1)計(jì)算得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)之間的位移變化，通過式(2)得到橋梁測(cè)點(diǎn)處的撓度。

Δhni=hni-h0i(n=1,2,…)

(1)

d1i=Δh1i-Δh10=(h1i-h0i)-(h10-h00)=(h1i-h10)-(h0i-h00)

(2)

圖1 基于靜力水準(zhǔn)法的連通管式橋梁撓度監(jiān)測(cè)原理

2.2 自動(dòng)補(bǔ)水原理

自動(dòng)補(bǔ)水裝置主要通過半導(dǎo)體制冷片、散熱鋁翅、制冷產(chǎn)水鋁翅、散熱風(fēng)扇、導(dǎo)流風(fēng)扇及附屬電路來實(shí)現(xiàn)，而半導(dǎo)體制冷是建立于塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)、傅立葉效應(yīng)共5種熱電效應(yīng)基礎(chǔ)上的制冷新技術(shù)，其基本制冷原理如圖2所示。

圖2 半導(dǎo)體制冷工作原理

采用半導(dǎo)體制冷對(duì)小空間空氣進(jìn)行冷卻，屬于冷卻過程，當(dāng)制冷片表面溫度高于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，并不會(huì)有凝結(jié)水出現(xiàn)。而隨著制冷片溫度的不斷降低，制冷片表面溫度一旦低于露點(diǎn)溫度，就會(huì)有冷凝水出現(xiàn)。其凝結(jié)水量為：

mw=ma(d2-d1)

(3)

式中：mw為凝結(jié)水的水量(g)；ma為濕空氣的質(zhì)量(g)；d2為冷凝后的飽和濕空氣的含濕量(g)；d1為初始狀態(tài)的濕空氣的含濕量(g)。

2.3 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)材料包括半導(dǎo)體制冷片(型號(hào)為：TEC1-04902)、散熱鋁翅、制冷產(chǎn)水鋁翅、散熱風(fēng)扇、導(dǎo)流風(fēng)扇等，其中半導(dǎo)體制冷片的熱端緊貼散熱鋁翅、冷端緊貼制冷產(chǎn)水鋁翅(圖3)。TEC1—04902特性參數(shù)如表1所示。

圖3 自動(dòng)產(chǎn)水裝置

表1 TEC1-04902特性參數(shù)

整個(gè)試驗(yàn)設(shè)置了6個(gè)試驗(yàn)組，每過6 h對(duì)燒杯中的水進(jìn)行測(cè)量，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，都同時(shí)對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)得環(huán)境溫度和濕度分別為15.5 ℃、57.2%，通過查詢溫濕度其露點(diǎn)溫度約為6 ℃，而當(dāng)半導(dǎo)體制冷片正常工作時(shí)，通過手持紅外測(cè)溫儀測(cè)得熱端鋁翅和冷端鋁翅的溫度分別為19.3 ℃(包括熱端鋁翅背后有散熱風(fēng)扇)、1.2 ℃，制冷片的冷端溫度為1.2 ℃低于空氣露點(diǎn)溫度6 ℃，故產(chǎn)生了冷凝水，其效果如圖4所示。

圖4 產(chǎn)水效果

最后得到產(chǎn)水量與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示，通過半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)水試驗(yàn)得出：1塊TEC1-04902半導(dǎo)體制冷片在溫度為14～17 ℃、濕度為55%～60%時(shí)，產(chǎn)水量為1.43 mL/h。如果采用多個(gè)或者功率更大的半導(dǎo)體制冷片，產(chǎn)水量會(huì)更大，因此該方法可作為一種自動(dòng)補(bǔ)水技術(shù)，具有一定實(shí)用性。

圖5 產(chǎn)水量與時(shí)間關(guān)系

3 工程應(yīng)用

基于自動(dòng)補(bǔ)水的連通管式橋梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在云南某特大橋應(yīng)用示范，該橋?yàn)橐蛔L452.88 m的分離式雙幅橋梁，其橋型為(77+140+77) m連續(xù)剛構(gòu)+5×30 m一聯(lián)T形連續(xù)梁，該橋梁管養(yǎng)單位委托第三方單位設(shè)計(jì)實(shí)施長期健康監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)主橋的永久變形，并負(fù)責(zé)3年后期維護(hù)。經(jīng)調(diào)研，該橋地處偏遠(yuǎn)、兩邊跨端部分別與橋墩和橋臺(tái)相連、只能借助于橋檢車才能進(jìn)入箱梁內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)該橋健康監(jiān)測(cè)和智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，同時(shí)避免高代價(jià)的現(xiàn)場(chǎng)人工補(bǔ)水，最終采用該文所述的自動(dòng)補(bǔ)水撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

該撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由靜力水準(zhǔn)儀、溫度傳感器、集成控制箱和自動(dòng)補(bǔ)水裝置構(gòu)成。自動(dòng)補(bǔ)水箱對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，它采用非封閉的天然水傳感器從空氣中采集冷凝水。由儲(chǔ)水箱、水位控制箱、儲(chǔ)水箱、水位傳感器和冷凝水收集器組成。其撓度系統(tǒng)主要裝置如圖6所示。

圖6 撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要裝置

主要實(shí)施過程如下：

借助于橋檢車進(jìn)入箱梁內(nèi)，再分別在0#塊(作為基準(zhǔn)點(diǎn))、主跨1/4、1/2和3/4共4個(gè)截面同時(shí)安裝1個(gè)靜力水準(zhǔn)儀、溫度傳感器和自動(dòng)補(bǔ)水裝置(由4個(gè)半導(dǎo)體制冷裝置組成)，最后將其接入箱梁外的集成控制系統(tǒng)內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集周期為5 s，每隔10 min進(jìn)行一次最大值、最小值、平均值、瞬時(shí)值統(tǒng)計(jì)，采集完成后，統(tǒng)計(jì)結(jié)果和報(bào)警情況將通過無線設(shè)備上傳至監(jiān)控中心，所有原始數(shù)據(jù)也都可以主動(dòng)遠(yuǎn)程請(qǐng)求獲得。

現(xiàn)針對(duì)該橋的撓度監(jiān)測(cè)和自動(dòng)補(bǔ)水效果取跨中2年的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。跨中撓度與跨中測(cè)點(diǎn)溫度平均值時(shí)程曲線(撓度數(shù)值為正數(shù)時(shí)表示下?lián)?、?fù)數(shù)表示上拱)如圖7所示；跨中撓度(去噪后)與跨中測(cè)點(diǎn)原始液位讀數(shù)時(shí)程曲線如圖8所示；跨中原始液位讀數(shù)(去噪后)時(shí)程曲線如圖9所示。

圖7 跨中撓度與跨中測(cè)點(diǎn)溫度平均值時(shí)程曲線

圖8 跨中撓度(去噪后)與跨中測(cè)點(diǎn)原始液位讀數(shù)時(shí)程曲線

圖9 跨中原始液位讀數(shù)(去噪后)時(shí)程曲線

從圖7可以看出：該系統(tǒng)在一年半的運(yùn)行期間，均運(yùn)行良好，沒有出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)丟失，采集完整，說明系統(tǒng)本身比較穩(wěn)定；跨中撓度與箱梁內(nèi)溫度呈非線性關(guān)系，緩慢的溫度變化會(huì)導(dǎo)致橋梁有規(guī)律的周期性變形，但橋梁結(jié)構(gòu)并不會(huì)一直隨溫度升高而上拱、隨溫度降低而下?lián)?，特別當(dāng)溫度驟升或驟降時(shí)，其非線性關(guān)系更為突出，因?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)的溫度變化有一個(gè)滯后過程?？傮w可以看出該系統(tǒng)用于橋梁撓度監(jiān)測(cè)工作正常。

從圖8可以看出：跨中撓度為正則表明跨中下?lián)希瑸樨?fù)則表明上拱。跨中撓度隨時(shí)間增加而不斷增加呈下?lián)馅厔?shì)，而主跨跨中液位原始讀數(shù)，其隨著時(shí)間的增加而不斷減小。按照連通管理論，若基準(zhǔn)點(diǎn)不變，該測(cè)點(diǎn)下?lián)?，則其原始液位讀數(shù)應(yīng)該增加。而圖8中反映出為持續(xù)減小，則表明靜力水準(zhǔn)儀中的水隨著時(shí)間而損失掉了，若不及時(shí)補(bǔ)水，則其液位可能降至線性度以下，會(huì)使撓度監(jiān)測(cè)產(chǎn)生測(cè)量誤差。

從圖9可以看出：該橋的跨中靜力水準(zhǔn)儀讀數(shù)當(dāng)?shù)搅讼麻撝?根據(jù)液位傳感器的量程和線性度來確定)后，液位傳感器傳出信號(hào)到達(dá)控制器，控制器控制串口繼電器使補(bǔ)水裝置通電開始產(chǎn)水，同時(shí)液壓傳感器繼續(xù)工作，若檢測(cè)到該測(cè)點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀水位達(dá)到上閾值(根據(jù)液位傳感器的量程和線性度來確定)后，控制器自動(dòng)發(fā)出指令控制串口繼電器使補(bǔ)水裝置斷電停止產(chǎn)水。如圖9虛線表示正在處于補(bǔ)水過程，可以看出其補(bǔ)水裝置工作正常，并且補(bǔ)水速度快且穩(wěn)定。

因此，該文所述基于自動(dòng)補(bǔ)水裝置的連通管式橋梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有良好的可實(shí)現(xiàn)性，目前可以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、數(shù)據(jù)有效、維護(hù)成本低等需求，具有一定應(yīng)用推廣價(jià)值。

4 結(jié)語

橋梁撓度監(jiān)測(cè)是橋梁健康監(jiān)測(cè)的重要組成部分，基于自動(dòng)補(bǔ)水的連通管式橋梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水和自動(dòng)監(jiān)測(cè)的功能，解決了因連通管內(nèi)液位過低引起的測(cè)量誤差和測(cè)量故障問題。

試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)中的產(chǎn)水裝置產(chǎn)水效果明顯，產(chǎn)水量穩(wěn)定；在云南某橋的應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好、穩(wěn)定，可以保證對(duì)橋梁進(jìn)行無人、安全、可靠、穩(wěn)定的自動(dòng)化撓度監(jiān)測(cè)。