謝 軍，王 華，唐洪泉，王希瑞

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展，大跨徑連續(xù)梁橋由于具有較強(qiáng)的跨越能力、成熟的施工技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)的橋梁建設(shè)中[1-2]。大跨度橋梁結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程和使用過(guò)程中，會(huì)受到多種因素的影響，導(dǎo)致其受力狀態(tài)十分復(fù)雜[3]。

為保證橋梁結(jié)構(gòu)在橋梁施工階段的安全性以及成橋狀態(tài)的可靠性，需要對(duì)各階段橋梁力學(xué)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4-5]。在橋梁施工監(jiān)控以及橋梁服役過(guò)程中，橋梁豎向變形均可作為一項(xiàng)重要的評(píng)估指標(biāo)，通過(guò)與設(shè)計(jì)值或規(guī)范值進(jìn)行對(duì)比判斷橋梁當(dāng)前的狀態(tài)是否滿(mǎn)足要求[6]。目前，位移計(jì)、精密水準(zhǔn)儀或全站儀作為橋梁豎向位移的常用測(cè)試手段，雖然可以取得較高的測(cè)試精度，但需要將儀器固定在靜止不動(dòng)的基準(zhǔn)點(diǎn)上。當(dāng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法提供測(cè)試所需的固定基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，傳統(tǒng)的測(cè)試方法難以適用。

本文提出一種不需要考慮基準(zhǔn)點(diǎn)的基于慣性的豎向位移測(cè)試方法，該測(cè)試方法以941B型超低頻振動(dòng)傳感器為信號(hào)采集裝置，采用INV3060S型智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)傳遞的信號(hào)進(jìn)行采集分析，并對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)積分得到豎向位移。為了驗(yàn)證所提出方法的有效性和準(zhǔn)確性，以一個(gè)長(zhǎng)度為2 010 mm的試驗(yàn)懸臂鋼梁為試驗(yàn)梁，采用提出的方法對(duì)其試驗(yàn)荷載下的最大位移進(jìn)行測(cè)試。

1 慣性測(cè)試法在工程上的應(yīng)用

慣性測(cè)量系統(tǒng)是在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要由慣性測(cè)量元件、數(shù)據(jù)處理采集存儲(chǔ)系統(tǒng)以及控制與顯示系統(tǒng)三部分組成，可實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)載體相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)的加速度。慣性測(cè)量已在機(jī)械、船舶及航天等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，建筑、公路以及鐵路行業(yè)逐漸針對(duì)慣性測(cè)量技術(shù)開(kāi)展相關(guān)研究及應(yīng)用。在地下管道的檢修中，慣性測(cè)量技術(shù)由于具有較強(qiáng)的抗外界干擾能力，且不受管道埋深的影響，被用于管道完整性及損傷性檢測(cè)并取得良好的效果[7]。也有研究基于慣性測(cè)量原理研發(fā)出地下管線軌跡以及管道埋置深度的測(cè)繪儀器[8]。將光纖作為慣性傳感元件，可有效地對(duì)地表的沉降和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并發(fā)現(xiàn)地表不均勻沉降的規(guī)律[9]。在路面平整度檢測(cè)中，將慣性測(cè)量系統(tǒng)與高精度多激光測(cè)距傳感器相結(jié)合建立路面平整度檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于車(chē)載的平整度快速測(cè)量方法[10]。

2 基于慣性原理的豎向位移測(cè)試方法

針對(duì)傳統(tǒng)相對(duì)式豎向位移測(cè)試方法需要靜止的基準(zhǔn)點(diǎn)的弊端，本文提出豎向位移的慣性測(cè)試法，結(jié)合了941B型超低頻振動(dòng)傳感器、INV3060S型智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及信號(hào)分析系統(tǒng)。

941B型超低頻振動(dòng)傳感器集成了無(wú)源閉環(huán)伺服技術(shù)，屬于動(dòng)圈往復(fù)式拾振器，克服了回轉(zhuǎn)擺式低頻傳感器頻帶較寬、易壞等缺點(diǎn)，可獲得良好的超低頻特性[11]。由于其具有低噪、低阻抗、抗干擾等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在建筑、橋梁及大壩等大型結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)形態(tài)測(cè)量中。而且，941B型超低頻振動(dòng)傳感器具有與采集系統(tǒng)以及調(diào)理系統(tǒng)連接的端口，便于構(gòu)建采集分析一體化的測(cè)試系統(tǒng)。

941B型超低頻振動(dòng)傳感器具有4檔微型撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，1檔至4檔分別對(duì)應(yīng)于加速度、小速度、中速度和大速度，不同檔位具有不同的靈敏度、量程、分辨率以及頻帶。加速檔與速度檔的工作原理不同，其運(yùn)動(dòng)微分方程分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中：m1——擺的運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量；

x——擺的位移；

b1——阻尼比系數(shù)；

k——簧片的剛度；

M1——并聯(lián)電容后的當(dāng)量質(zhì)量。

因此，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性以及擬獲取的振動(dòng)參數(shù)，需選擇不同的識(shí)振器檔位。然后，采用INV3060S型智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)941B型超低頻振動(dòng)傳感器傳遞的信號(hào)樣本進(jìn)行處理。INV3060S型智能系統(tǒng)擁有24位高精度、高動(dòng)態(tài)范圍等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為工程測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性提供保障。最后，對(duì)采集到的速度時(shí)程信號(hào)樣本進(jìn)行積分處理，得到豎向位移的時(shí)程曲線。

3 試驗(yàn)梁豎向位移測(cè)試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的豎向位移慣性測(cè)試法的適用性和有效性，對(duì)試驗(yàn)梁在試驗(yàn)工況下的最大豎向位移進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)采用位移傳感器測(cè)試系統(tǒng)對(duì)提出方法的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校核，并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.1 試件制備

本次試驗(yàn)選取懸臂鋼梁為試驗(yàn)對(duì)象，其截面形式為矩形截面，幾何尺寸為(2 010×195×19.5)mm，鋼板等級(jí)為Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。懸臂鋼梁通過(guò)錨栓與固定端鋼桶相連，鋼桶內(nèi)采用砂石進(jìn)行配重。試驗(yàn)梁的立面及平面圖如圖1所示。

(a)立面

(b)平面

3.2 試驗(yàn)方案

為校驗(yàn)慣性測(cè)試法測(cè)試結(jié)果的精度，同時(shí)采用位移傳感器測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)梁在試驗(yàn)工況下的豎向位移進(jìn)行采集，位移傳感器測(cè)試系統(tǒng)直接通過(guò)固定安裝的豎向位移傳感器收集豎向位移數(shù)據(jù)。采用兩種方法測(cè)試試驗(yàn)梁豎向位移的具體步驟如下：

(1)分別將兩種測(cè)試方法的儀器設(shè)備安裝在試驗(yàn)梁測(cè)試斷面的頂面，調(diào)試儀器設(shè)備使其處于正常待測(cè)試的工作狀態(tài)。兩種測(cè)試方法的傳感器布置位置以及荷載布置情況如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

(2)采用連續(xù)的采集方式測(cè)試某懸臂鋼梁在無(wú)外荷載狀態(tài)下的信號(hào)樣本和數(shù)據(jù)。

(3)懸掛10kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼。

(4)待某懸臂鋼梁靜止后，突然釋放懸掛的標(biāo)準(zhǔn)砝碼。

(5)待某懸臂鋼梁自由振動(dòng)衰減至靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，停止采集信號(hào)樣本和數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)過(guò)程有限元模擬

采用三維有限元分析軟件MidasCivil建立試驗(yàn)梁的有限元模型，懸臂試驗(yàn)梁的材料為Q234鋼，彈性模量和容重分別設(shè)置為(2.06×105)MPa、78.5kN/m3。使用梁?jiǎn)卧獙?duì)懸臂梁進(jìn)行建模，通過(guò)在固定端施加邊界條件來(lái)模擬鋼桶。試驗(yàn)梁的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型圖

圖4 Midas Civil有限元仿真位移時(shí)程曲線分析圖

通過(guò)MidasCivil軟件中的時(shí)程分析功能模擬試驗(yàn)懸臂鋼梁的加載過(guò)程，主要分為以下四個(gè)階段：(1)初始零位移狀態(tài)；(2)施加試驗(yàn)荷載并持荷20s；(3)瞬時(shí)釋放試驗(yàn)荷載激勵(lì)振動(dòng)；(4)振動(dòng)衰減至初始零位移狀態(tài)。試驗(yàn)加載過(guò)程的位移時(shí)程分析結(jié)果如圖4所示，在施加荷載后豎向位移逐漸增至最大值，持荷穩(wěn)定后釋放荷載豎向位移逐漸衰減至平衡狀態(tài)。采用有限元模擬時(shí)，懸臂梁在試驗(yàn)工況下的最大豎向位移為-10.47mm。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用慣性測(cè)試法對(duì)試驗(yàn)梁在試驗(yàn)荷載下的最大豎向位移進(jìn)行測(cè)試。首先通過(guò)941B型超低頻振動(dòng)傳感器識(shí)別試驗(yàn)梁振動(dòng)信號(hào)，然后采用NV3060S型智能系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)速度信號(hào)進(jìn)行采集，得到的懸臂梁的時(shí)域波形如圖5所示。

從圖5所示的時(shí)域波形圖看出，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程為300s，前81.2s內(nèi)懸臂梁的速度信號(hào)為平衡狀態(tài)，在第81.2s瞬時(shí)釋放標(biāo)準(zhǔn)砝碼，振動(dòng)信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)增至最大值，然后逐漸衰減至平衡狀態(tài)。為分析出懸臂梁在試驗(yàn)過(guò)程中的最大豎向位移，對(duì)采集的時(shí)域波形進(jìn)行積分，得到懸臂梁的位移響應(yīng)，如圖6所示。

圖5 慣性法測(cè)試的時(shí)域波形分析圖

圖6 慣性法測(cè)試的位移響應(yīng)曲線分析圖

由圖6可以看出：在標(biāo)準(zhǔn)砝碼釋放前，懸臂梁處于零位移平衡狀態(tài)；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)砝碼瞬時(shí)釋放后，懸臂梁被激勵(lì)開(kāi)始做衰減振動(dòng)，豎向位移瞬時(shí)增至最大值并衰減至平衡狀態(tài)。采用慣性測(cè)試法時(shí)懸臂梁在振動(dòng)過(guò)程中豎向位移的最大值為-10.32mm。

采用位移傳感器測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量試驗(yàn)梁在加載工況下的豎向位移結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，1號(hào)傳感器與2號(hào)傳感器采集到的豎向位移信號(hào)變化趨勢(shì)基本一致，兩個(gè)傳感器采集到的最大豎向位移分別為-10.11mm、-10.16mm，最大豎向位移平均值為-10.14mm。說(shuō)明試驗(yàn)梁在荷載激勵(lì)下基本未發(fā)生扭轉(zhuǎn)，可為豎向位移測(cè)試提供可靠的試驗(yàn)條件。

(a)1號(hào)傳感器采集結(jié)果

(b)2號(hào)傳感器采集結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

考慮到傳統(tǒng)的相對(duì)式豎向位移測(cè)量方法需要靜止不動(dòng)的參考點(diǎn)，本文針對(duì)懸臂梁豎向位移的慣性測(cè)量法展開(kāi)試驗(yàn)研究。得到的主要結(jié)論如下：

(1)結(jié)合941B型超低頻振動(dòng)傳感器以及INV3060S型智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)積分處理，建立了豎向位移的慣性測(cè)試系統(tǒng)。

(2)對(duì)懸臂試驗(yàn)鋼梁進(jìn)行加載，采用慣性法和位移傳感器測(cè)試系統(tǒng)同步測(cè)量釋放荷載后的最大豎向位移，同時(shí)采用MidasCivil有限元模型對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬，得到最大豎向位移的模擬值。

(3)根據(jù)慣性測(cè)試系統(tǒng)采集得到的時(shí)域波形圖，對(duì)速度信號(hào)進(jìn)行積分得到位移響應(yīng)時(shí)程曲線。基于慣性法的最大豎向位移的實(shí)測(cè)值為-10.32mm，與位移傳感器測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及有限元法分析相比，分別相差0.18mm、-0.15mm，說(shuō)明本文提出的慣性豎向位移測(cè)試方法具有較高的精度。