结构位移监测系统在桥梁监测中的应用

结构位移监测系统在桥梁监测中的应用

白植树

浙江津华工程技术有限公司 浙江省温州市 325000

摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，桥梁建设在我国不断增多，在桥梁实际运营中，会发现一些桥梁两侧伸缩缝间距相差较大，为弄清产生此种情况的原因，对桥梁进行位移监测至关重要，本文以天保立交桥为依托，通过结构位移监测系统，并辅以人工现场测量相印证的方式对结构位移变化状况进行监测，得出的主要结论为：①天保立交桥上部结构的人工测量伸缩最大值在±2cm左右，与监测系统监测的支座处梁体位移极值（21.3mm）基本吻合，拉线位移计的纵向位移量基本是由梁体自身变形引起的，结构纵向基本没有滑移现象；②5#墩支座处的横向位移值很小，最大位移值不超过1mm，结构横向状态稳定。

关键词：位移监测系统；人工测量；支座位移；温度监测

引言

随着交通事业发展的需要,大量的公路需要建设桥梁建设作为公路建设的咽喉工程其重要性不言而喻。道路和桥梁是车辆及行人通行的通道,是交通建设工程基础设施。然而在现实生活中我们会发现很多桥梁在使用一阶段后,其正常使用性能和安全性能就有不同程度的缺陷,直接给我们的人生安全带来隐患仔细分析其原因,除了与自身桥梁结构设计和现场施工有关外,还与运行阶段桥面的车辆荷载有很大的关系。相比较而言,桥梁的永久荷载一般不发生变化；但可变荷载或随机荷载(车辆、温度、风、地震等)在结构在设计时,难以很准确的考虑。

1结构静态位移监测原理

压力场位移监测系统是根据连通管的基本原理，利用水箱、水管、以及城市供水在桥梁结构需要监测的位置建立压力场，水箱按照设计高度要求固定在高程不变处，水管沿桥梁梁体纵向铺设并固定在梁体上，在需要被监测的点布设压力变送器。当桥梁结构在环境或其他荷载作用下产生变形时，固定在其上的管道将随着结构一起变形，而固定位置的水箱内液位高度是不变化的，因此管道压强必然改变。若某测点的管道随桥梁结构产生位移u1，则根据流体静力学原理，该测点管内静态压强改变量(也称为压力差)为: 式中:ρ为管内液体密度;g为重力加速度。通过压力变送器采集压力差ΔF1，并转化成模拟信号，再经采集系统转化成桥梁位移信号的变化。

2结构位移监测系统在桥梁监测中的应用

2.1结构位移监测系统监测数据

这与中墩支座的纵向刚度大于边墩支座的纵向刚度的实际情况相符。其次5#墩支座处的横向位移值也很小，最大位移值不超过1mm，结构横向状态稳定。从系统监测的数据来看，与气温季节性变化相吻合，符合实际情况。结合系统监测的支座处位移变化值和现场实测温度值，发现夏季支座位移数值较小、变化值较大；冬季支座位移数值较大、变化值较小，这与大体积混凝土结构受温度线性影响状况相吻合。

2.2建立分析模型

为得到合适的判定指标来对结构的损伤进行识别，下面以单自由度系统对结构损伤进行敏感性的分析。根据结构随机振动理论，对应系统为单自由度是其输入干扰和结构做出的响应可以看作是随机过程，则单自由度系统的随机运动方程可以表示为X″+2ξω0X'+ω20X=Fi(t)式中，X为系统对干扰做出的随机响应;ξ为系统阻尼比;ω0为系统的固有频率;Fi(t)为系统获的随机干扰。通过度哈密计算可以得到系统在随机干扰作用下加速度、速度、位移方差 令 带入式中，可以将加加速度、速度、位移的方差用结构的相应参数表示 一般来讲，结构出现损伤后主要改变的是刚度，而结构是质量改变量很小，故在对结构损伤分析时也不考虑结构质量改变对损伤的影响。在此仅由刚度的改变来识别结构的损伤，这也是现在许多损伤识别方法所采用的假设。所以分析结构对刚度变化做出的响应，从而根据获得结构损伤对加速度、速度、位移的敏感程度。从上式可以看出，速度方差是与结构刚度无关的物理量;加速度和位移的方差是与结构刚度相关的物理量，位移方差与结构刚度是反函数的关系，加速度方差与结构刚度成线性关系。故从数学函数意义上来分析，位移方差的变化受结构刚度变化的影响比加速度方差变化受结构刚度变化的影响大，从统计学上方差的意义来说，结构损伤后外界随机激励下获得的位移响应数据比加速度响应数据的离散的程度变化大。故在分析的基础上，提出基于结构振动加速度方差的变化速率作为损伤指标来进行结构损伤识别理论。

2.3结构动态位移及误差修正

根据式可以导出压力差转化成桥梁结构动态位移的计算公式为: 式中第一项为压力变送器测得的压力差按静态测量转化的桥梁结构位移变化量，包含桥梁结构真实的变形量值，以及结构振动引起的虚拟位移增量，这种虚拟位移增量并不是结构真实的位移，而是动态位移测量过程中的测量误差，第二项为考虑连通管动态效应的位移修正量，因此，式为连通管动态位移监测误差修正计算公式，亦即，当采用连通管法进行动态位移监测时，应按式进行测量误差修正。

2.4基于不同损伤位置结构仿真分析

上面均是针对同一损伤位置进行的仿真分析，这一节将对结构不同损伤位置进行分，相同工况下相同损伤的样本为结构在随机荷载干扰下竖向振动。假定:4#墩边跨跨中单元为1#单元，主跨跨中单元为2#单元，5#墩边跨跨中为3#单元。

2.5荷载相同速度不同

当同一车辆以不同速度(100t的车辆分别以50、70、80、100、140km/h速度)通过桥梁结构时，获取主跨跨中的竖向位移及加速度和距跨中最近的索的索力，拟验证上一节提出的基于结构加速度方差的变化率作为指标来进行结构损伤识别理论。

结语

(1)基于连通管原理和结构动力学理论，建立了连通管动态压强理论计算公式，揭示了连通管动态液压与结构位移、结构振动加速度，以及管道倾角等参数之间的关系。模型试验结果表明，连通管动态压强计算值与试验值的误差在2%以下，验证了连通管动态压强理论计算公式的正确性。(2)建立了由连通管压力差转化成桥梁结构动态位移的误差修正计算公式。桥梁结构动态位移是由压力变送器测得的压力差按静态测量转化的位移，扣除结构振动引起的虚拟位移增量所得，这种虚拟位移增量并不是结构真实存在的位移，而是动态位移测量过程中的测量误差，因此应进行测量误差修正。(3)桥梁结构位移动态测量时的误差修正量，与管道纵向布置的倾角成正比关系，随测点至主跨跨中截面加速度分布的总量增大而线性增大。2座主跨分别为160m和180m的连续体系梁桥计算结果表明，虚拟位移增量最大值均达到厘米级，在实际桥梁结构动态位移监测时难以忽略不计(在运营车辆荷载作用下，实测背景桥梁Ⅰ跨中最大挠度在1cm左右)，应按式考虑连通管动态效应对位移进行修正。

参考文献

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