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高速公路橋墩結構安全監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

作時間:2019-09-06  來源:安徽省公路工程檢測中心  作者:蔣鵬,王樂
   
摘 要:以銅湯高速公路上毛塔3號橋為研究對象,設計了基于沉降和傾角兩個監(jiān)測指標的橋墩安全監(jiān)測系統(tǒng),重點分析了沉降監(jiān)測和傾角監(jiān)測的原理和實現(xiàn)方法,通過分析比較,選擇合適的傳感器和較優(yōu)的監(jiān)測方法。將4G無線數(shù)據(jù)傳輸方式應用于橋梁結構安全監(jiān)測系統(tǒng)中,減少了系統(tǒng)的安裝時間和工程設備投入。
0 引  言
高速公路橋梁作為國民經(jīng)濟的基礎設施命脈,保證其安全和長期性能,對于高速公路系統(tǒng)的正常運營具有重要意義。然而,隨著這些已建成橋梁的投入運營使用,加上我國現(xiàn)如今交通運輸急劇增長的發(fā)展趨勢,相當一部分橋梁在運營使用十幾年便已經(jīng)出現(xiàn)了較多的病害問題,尤其是墩柱出現(xiàn)沉降及傾斜等問題,嚴重影響高速公路運行安全,墩柱作為橋梁的重要組成部分,其質量管理和日常運維檢測對橋梁整體的穩(wěn)定性產(chǎn)生深遠的影響[1]。
本文以銅湯高速公路毛塔3號橋的橋梁高墩為研究對象,采用實證研究法和描述性研究法,深入地探討了高速公路橋梁高墩安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn),以期為高速公路橋梁養(yǎng)護的工作者們提供高墩病害監(jiān)測方面的參考和幫助。
1 設計背景
銅湯高速公路毛塔3號橋為預應力連續(xù)箱梁,跨徑組合為25×30m,凈寬11m,橋梁全長760.1m。下部結構為柱式墩(圖1)、樁基礎、U型臺、擴大基礎。通過對R3承臺檢測,發(fā)現(xiàn)有多條結構性裂紋(圖2),且頂面裂縫均相互貫通并向側面延伸。該病害的擴展有可能會導致R3墩的傾斜和沉降,存在較大的安全隱患。為保證R3墩在現(xiàn)階段正常運營時的安全可控,需在運營過程對R3墩進行實時監(jiān)測,以保障行車和結構安全。
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2 沉降監(jiān)測和傾角監(jiān)測設計與實現(xiàn)
對R3墩安裝橋梁健康實時監(jiān)測系統(tǒng),主要監(jiān)測該墩的沉降及雙向傾斜[2]。
2.1 沉降監(jiān)測
現(xiàn)有的沉降檢測方法通常有電子水準儀法、全站儀法以及連通管法等。水準儀法和全站儀法需要測試人員在橋面來回走動,對交通安全有較大影響。另外,水準儀法和全站儀很難自動化實時監(jiān)測,且系統(tǒng)精度不足,因此,水準儀法和全站儀法不滿足本次測試要求。
因此本次沉降監(jiān)測采用精度高且可實現(xiàn)自動化測試的連通管沉降監(jiān)測系統(tǒng),連通管沉降監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點如下:
(1)傳感器和連通管的布置只需要在橋墩和主梁腹板很小的地方,布設方便;
(2)連通管法測量時使用的傳感器精度較高,能符合本次測量;
(3)連通管測量自動化程度高,只需要在固定點采集信號,不需要人員來回讀數(shù),方便本次測量;
(4)對橋面行車無影響,不存在安全隱患。在R3墩上兩對角處各布設1個單法蘭差壓變送器,在R4墩上布設水箱和1個單法蘭差壓變送器作為基準點,水管沿主梁腹板將該3個單法蘭差壓變送器進行連接。若R3墩發(fā)生沉降,則布設在R3墩上的單法蘭差壓變送器所測水壓值變大,換算可得高于0.1mm精度的橋墩沉降值[3]。
2.2 橋墩雙向傾角監(jiān)測
目前通常用于角度測量的傾角傳感器主要有電解質型傾角傳感器、電容型傾角傳感器和力平衡伺服型傾角傳感器,幾種傾角傳感器特性比較詳見表1。
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由表1可知,電容型傳感器適合于本次橋墩的監(jiān)測,因此,擬選用電容式傾角傳感器進行R3墩雙向傾角監(jiān)測。在R3墩頂布設一個雙向電容式傾角傳感器,實現(xiàn)對R3墩縱向和橫向的傾角監(jiān)測,另外,通過單法蘭差壓變送器對角布設方式,也可實現(xiàn)R3墩的傾角監(jiān)測,作為對傾角傳感器監(jiān)測的校核。
3 采集傳輸
本項目在線監(jiān)測系統(tǒng)3個單法蘭差壓變送器、1個雙向傾角儀、1個數(shù)據(jù)采集模塊、一臺主機。其采集系統(tǒng)連接示意圖如圖3所示。
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在線監(jiān)測系統(tǒng)主要分為傳感器和數(shù)據(jù)采集部分。撓度傳感器為單法蘭差壓變送器,數(shù)據(jù)采集和傳輸部分主要由工控主機、RS232-485轉換器、數(shù)據(jù)采集模塊、DTU模塊以及屏蔽雙絞線組成[5]。采集系統(tǒng)如圖4所示。數(shù)據(jù)采集模塊用來響應主機發(fā)出的命令,將單法蘭差壓變送器和傾角傳感器傳輸?shù)碾娏餍盘栟D換為數(shù)字信號并將其傳送到主機上。數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理、存儲、查詢和圖形化顯示功能,根據(jù)信號與壓力的線性對應關系,將水位和信號之間建立對應的線性關系,遇到問題可以遠程操作。此外,數(shù)據(jù)采集軟件還可以實現(xiàn)系統(tǒng)的自檢,報警功能,為人工快速檢修提供高智能的準確信息[6]。
采用自動化監(jiān)測系統(tǒng)對橋墩安全狀態(tài)進行在線監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集傳輸采用集中控制、無線傳輸?shù)姆桨。(圖5)現(xiàn)場采集站采集傳感器數(shù)據(jù),由無線DTU進行數(shù)據(jù)的轉發(fā),數(shù)據(jù)通過界面顯示軟件分析后以圖形化的方式展示在網(wǎng)頁上,預警數(shù)據(jù)可通過短信方式推送給管養(yǎng)部門[7]。
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4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6~圖9所示,相對應的統(tǒng)計值見表2。
20190906091605.jpg
從上述監(jiān)測數(shù)據(jù)及統(tǒng)計表可以看出,7月至11月期間,橋墩工作狀況總體比較平穩(wěn)。沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)在0.5mm范圍內(nèi)波動,兩相對監(jiān)測點的沉降數(shù)值非常接近,說明橋墩不均勻沉降;傾角數(shù)據(jù)在1秒角度范圍內(nèi)波動?鄢郎囟扔绊懞螅O(jiān)測期內(nèi)未出現(xiàn)較大的沉降或傾斜,也未出現(xiàn)具有明顯趨勢的變化。
5 結束語
本文以銅湯高速公路毛塔3號墩的健康監(jiān)測系統(tǒng)建設為背景,分析應用中傳感器節(jié)點的選型布置及系統(tǒng)的設計,監(jiān)測了橋墩的沉降和傾角兩個關鍵指標,提出可行的實現(xiàn)方案,將無線網(wǎng)絡傳輸應用于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中,采集的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到監(jiān)測平臺,技術人員定期進行數(shù)據(jù)挖掘分析[8]。采用無線網(wǎng)絡傳輸橋墩數(shù)據(jù),減少了系統(tǒng)的安裝時間和工程設備投入,能夠提高整個系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和工作效率,該系統(tǒng)的建設與功能對高速公路橋墩的健康監(jiān)測具有一定的參考和借鑒意義。
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