连通管式光电挠度测量系统及其大桥监测应用

连通管式光电挠度测量系统及其大桥监测应用**杨建春**,陈伟民(重庆大学光电工程学院,光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044)摘要:介绍了连通管挠度测量系统的基本原理,阐述了实际的挠度监测系统的构成,并将该系统应用于大佛寺长江大桥的挠度监测中。

测量结果表明,光电挠度测量系统的监测数据能够有效地反映桥梁结构挠度变化,测量范围和测量精度分别可达400mm和0.1mm。

关键词:连通管;光电挠度测量系统;挠度监测;大佛寺长江大桥中图分类号:T P247 文献标识码:A 文章编号:1005 0086(2006)03 0343 04C onnected Pipe Opto electronic Deflection Measurement System and the Appli cation in Dafoshi Yangtze River BridgeYANG Jian chun**,CH EN Wei min(T he K ey L abo rato ry for Optoelect ronic T echno lo gy and Sy stems,M inist ry of Education,D epar tment of Optoelect ronic Engineer ing,Chong qing U niversit y,Chongqing400044,China)Abstract:The basic principle of the sensor is introduced,the com positionof connected pipe opto electronic deflection measurem ent system is discussed,and it is practically applied in the deflection monitoring of Dafoshi Yangtze River Bridge.The resu lts show that,the data from opto electronic deflection measurem ent system can effectively acquire the bridge de flection,and the system is working sound and effectively,m easuring range is large than400 mm and accuracy is better than0.1mm.Key words:connected pipe;opto electronic deflection m eas urem ent system;deflection m eas urem ent; Dafoshi Yangtze R iver Bri dge1 引 言桥梁的挠度是评价桥梁安全性的重要指标,直接反映桥梁结构形变是否超出危险范围。

目前常用的挠度测量方法有经纬仪、水准仪和百分表等,已广泛用于桥梁现场检测及验收鉴定中,但这些廉价、结构简单的测量方法只能用于桥梁短期、人工测量,存在费时费力、使用不便和实时测量困难等不足。

因此,一些新型挠度测量方法,如倾角仪、GPS、激光图像法及连通管式光电挠度测量系统等逐渐应用于大型桥梁结构安全监测中,可实现长期、远程和自动测量[1]。

大佛寺长江大桥为双塔双索面漂浮体系P.C混凝土斜拉桥,主跨450m,是国内十大特大型桥梁之一。

作为渝黔高速公路的控制工程,该桥处于交通要道。

因此确保大佛寺大桥结构的安全可靠极其重要。

由于该桥采用斜拉索技术,其受斜拉索、特别是斜拉索与桥面相接的铆头附近以及其跨度大的影响,使得桥梁的受力情况非常复杂,仅凭几个点的测量难以反映整个桥梁的挠度变化。

根据该桥的这些特点,并通过对挠度测量方法的比较,本文采用的连通管式光电挠度测量系统是非常适应该桥的一种方法,它是将传感器安装于斜拉索与桥面相接的铆头部位,具有测量精度高、量程大、不受测量距离限制及桥梁现场日光、雨和雾影响,且还能与计算机连接实现长期实时光电子 激光第17卷第3期 2006年3月 Journal of Optoelectronics Laser V ol.17N o.3 M ar.2006*收稿日期:2005 06 30 修订日期:2005 11 06* 基金项目:国家科技攻关引导资助项目(2002BA105C);重庆市科技攻关重大专项资助项目(7289)**E mail:jcyang@监测。

2 连通管式光电挠度测量系统2.1 基本原理根据连通管的基本原理,将面积相对较大的容器放置在桥墩固定不变的位置上,连通管固定在桥体侧壁上。

如图1所示,假设液位离玻璃管顶部的高度为h 1,当桥梁在某点发生竖向变形(挠度变化) h 时,安置在该点的连通管也随之在竖直方向下移 h,因沿桥轴向上所有连通管的液位保持不变,液位离该点玻璃管顶部的高度从h 1变化到h,可以看出h =h 1-h (1)即液位在玻璃管内的上升量就是该点的结构下沉量(挠度值),通过读取有刻度玻璃管中液位的变化值,就得到了桥梁在该点的挠度值。

图1 连通管挠度测量原理Fig.1 Principle of connected pipe deflection measurem ent由于连通管法采用全封闭式,因此其不受结构多方位变形及桥梁现场日光、雨和雾等影响。

然而,该方法只能人工测量,费时费力,只适用于桥梁短期静态挠度测量。

要实现连通管液位的长期自动测量,必须采用与连通管配套的光电挠度(液位)传感器。

光电挠度传感器的结构有很多类型[2],本文采用的是如图2所示的结构。

半集成发光组件LS 和半集成光电接收组件PDS 沿管轴对称置于玻璃管的两侧,LS 发出的光通过透明液体照射到PDS 上,未被浮子挡住的PDS 接收到较大的光强。

被浮子挡位的PDS 接收到接近于零的光强。

随着液位的变化,浮子的位置也随之变化,相应的凹谷位置也上下移动。

因此,只要进一步对PDS 输出数据进行处理,便可得到浮子(液位)的位置及挠度值。

图2 光电挠度传感器原理Fig.2 Schematic of opto electronic deflection sensor基于上述原理,自行研制的光电挠度传感器,测量范围和测量精度分别可达400mm 和0.1mm 。

2.2 实际的连通管式光电挠度监测系统要将光电挠度传感器应用于实际工程完成大桥主梁多点自动监测,必须构建出实际的连通管式光电挠度监测系统。

如图3所示,其主要由连通管、与连通管配套的光电挠度传感器、数字发送与相应的外围电路、计算机等组成。

其基本工作原理是:当连通管沿主梁轴线布置时,主梁的挠度通过连通管各点的液位反映出来,这样在各连通管上的光电挠度传感器输出信号经RS 485总线,实现数据长线传输至计算机,从而测出该点的液位变化,实时测出主梁的挠度。

图3 实际的连通管式光电挠度监测系统Fig.3 Opto electronic deflection site m onitoring system由于大佛寺长江大桥跨度大,主梁上的传感器距离现场计算机较远,为了将各挠度传感器的测量结果无失真地长距离传输至北桥塔处的现场监测室,系统采用具有抗干扰、多传感器串连、长距离传输、可靠性好及价格便宜等特点的标准RS 485总线实现数据344光电子 激光 2006年 第17卷的长线、数字发送、编码传输,以满足各测点数据不受传输线长短和传输数据互相影响的要求。

3 连通管式光电挠度测量系统在大佛寺长江大桥中的应用3.1 传感器的安装为了进行大佛寺长江大桥结构挠度现场监测,首先需进行传感器的安装,如图4所示[3]。

大佛寺长江大桥为双塔双索面漂浮体系P.C 混凝土斜拉桥,位于渝黔高速公路童家院子至界石段,横跨长江,连接着数条高速公路。

大桥主跨为450m ,主索塔高为206.68m 。

根据相关分析计算,对大桥主梁挠度监测采用了42只光电挠度传感器,所有传感器输出信号线都连接到安装在北桥塔4号墩横梁的计算机上[4]。

传感器具体位置布设在斜拉索与桥面相接的铆头部位,当上、下游侧各布设21个测点时,传感器之间的距离为42.3m(5根斜拉索间距)。

图4 光电挠度传感器的安装及编号Fig.4 Installation and the number of deflection sensor3.2 桥梁挠度监测数据为了验证监测系统的有效性、合理性,还需在实际工程应用中进行检验与完善。

因此,监测系统已实际应用于大佛寺长江大桥结构挠度现场监测,历经桥梁通车的全过程,得出了相应的监测数据及结果[5]。

3.2.1 主梁关键点挠度温度变化特性监测数据 图5、图6和图7是某年3月10日至3月20日期间主梁挠度温度监测数据曲线。

1)从图5可知,主跨(北面)1/4处(下游19#传感器、上游40#传感器)和主跨(南面)1/4处(下游13#传感器、上游34#传感器未列出,参见文献[3])的挠度变化相同,其变化趋势一致,故说明该桥主梁的斜拉索是对称的。

2)环境温度变化使斜拉索温度升高,从而使斜拉索伸长,导致主梁挠度发生变化,如图6和图7所示。

由于大桥边跨桥墩对主梁的支撑,因而边跨斜拉索伸长对主梁挠度不会有影响,而主塔两边相对的斜拉索的总伸长量一定,以及由图5可说明,主梁上下游几乎完全对称,没有主梁扭曲现象。

3)环境温度升高斜拉索伸长时,使跨中挠度变化增大,越向跨中,挠度变化越大,同样在跨中变化值最大,其约在160m m 左右,如图7所示。

相比较而言,1/4跨部位挠度变动较小,约在70~80m m 左右,如图5所示。

根据相关分析计算,这与跨中挠度变化最大、且大约比1/4跨部位变化量大1倍的实际情况吻合。

3.2.2 主梁全桥线型随环境温度变化特性监测数据 为了更全面地了解主梁全桥线型随温度的挠度图5 主跨1/4处挠度变化Fig .5 The deflection at 1/4o f ma in span (north and south)图6 斜拉索温度变化Fig.6 The varying curve of cable s temperature图7 主跨跨中挠度变化Fig.7 The def lection in the middle of m ain span345 第3期 杨建春等:连通管式光电挠度测量系统及其大桥监测应用图8 桥梁各挠度测点从北至南的挠度变化Fig.8 Deflection variety graph of apiece measureposition 图9 上游主跨1/4处动态挠度变化(靠近4号墩) Fig.9 Dynamic def lection of main bridge s1/4 position toward upper reaches(near4#pier)变化特性,将主梁下游侧的21只挠度传感器1d内3个时刻测得的挠度变化结果绘于同一图上,如图8所示,3个时间点对应斜拉索上的温度分别为11.14 !、31.00!和15.40!。