何先龍

（中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080）

（作者電子信箱：何先龍：hxl4128＠163．com）

由于塌橋事故的不斷出現(xiàn)，各國對橋梁健康監(jiān)測逐步重視起來。橋梁撓度和轉(zhuǎn)角是橋梁常規(guī)檢測和健康監(jiān)測的重要內(nèi)容，是橋梁健康狀態(tài)評估的重要指標(biāo)。雖然現(xiàn)在存在多種測試橋梁動撓度的設(shè)備，但是都無法用來長期在線監(jiān)測一些橋梁的動撓度，特別是橫跨較寬江面或深峽谷的大跨度橋梁的動撓度。目前由于沒有成熟的、高精度的轉(zhuǎn)角儀器可測試梁端轉(zhuǎn)角，主要是基于測試出的撓度來換算出梁端轉(zhuǎn)角，存在較大誤差。在此背景下，本論文研究基于伺服式傾角儀來實現(xiàn)在線同時監(jiān)測橋梁的動撓度和梁端轉(zhuǎn)角。為此本文主要做了以下幾個方面的工作：

（1）分析了基于傾角儀監(jiān)測橋梁動撓度和梁端轉(zhuǎn)角的可行性。本文對各種橋梁撓度和梁端轉(zhuǎn)角測試技術(shù)從原理上進行了分析，指出了各種方法的不足與優(yōu)勢?；趦A角儀測試撓度的方法從原理上看，相比其他方法，可以同時測試撓度和轉(zhuǎn)角，且不需要靜態(tài)的參考點和安裝方便等優(yōu)點，可用于對橋梁的動撓度和梁端轉(zhuǎn)角進行長期在線監(jiān)測。

（2）建立了由轉(zhuǎn)角計算梁式橋梁撓度的數(shù)學(xué)模型，分析了傾角儀的優(yōu)化布置?；趦A角儀測試撓度的方法是一種間接測試撓度的方法，因此，需要基于所測試橋梁的結(jié)構(gòu)特點，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型來逼近橋梁的撓度曲線函數(shù)，然后基于若干測點的轉(zhuǎn)角計算出所測跨的撓度。數(shù)學(xué)模型能否很好地逼近真實撓度曲線函數(shù)直接影響到此方法的測試精度。本文從下面3個準(zhǔn)則出發(fā)來研究用傾角儀測試梁式橋梁的撓度時，傾角儀的優(yōu)化布置和數(shù)學(xué)模型的建立：

（a）使用更少的傾角儀；

（b）重要位置的撓度計算結(jié)果誤差要小于5%；

（c）基于數(shù)學(xué)模型計算撓度的計算效率要高，能滿足在線計算的要求。

基于以上3條準(zhǔn)則，本文通過對一座簡支箱梁的有限元分析，提出了采用5臺均勻布置的傾角儀和由簡單的離散正交多項式函數(shù)組構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型1來測試梁式橋梁的撓度和轉(zhuǎn)角的方法，即采用5臺傾角儀分別布置在所測跨的兩橋墩附近、L／4、L／2、3L／4處時，以后基于這5個測點的轉(zhuǎn)角由數(shù)學(xué)模型1計算出所測試跨的撓度曲線。為了檢驗此方法的可靠性，本文通過對一座預(yù)應(yīng)力混泥土連續(xù)箱梁主跨在不同受力情況的撓度和轉(zhuǎn)角的分析，檢驗了用此方法測試連續(xù)箱梁的撓度也是可行的。

（3）建立了由轉(zhuǎn)角計算復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁撓度的數(shù)學(xué)模型和分析了傾角儀的優(yōu)化布置。本文基于簡單的離散正交正弦和余弦函數(shù)建立用于逼近復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁撓度曲線函數(shù)的數(shù)學(xué)模型2，推導(dǎo)了此數(shù)學(xué)模型的求解方法，然后通過對一座中承式拱橋和一座獨塔式斜拉橋的有限元分析，檢驗了數(shù)學(xué)模型2的可靠性，分析了傾角儀的優(yōu)化布置。

（4）綜述了小波分析和小波提升分解理論。本文概述了小波分析的基本理論和推導(dǎo)了小波提升分解步驟。由于傳統(tǒng)小波分析需要在時域和頻域進行大量的計算，無法滿足工程上對小波在線分析的需求，而小波提升分解只在時域進行，提高了小波分析的計算效率，可滿足對工程測試信號進行小波在線分析的要求。

（5）研究了如何基于小波提升分解從QY傾角儀輸出信號里提取出有用的轉(zhuǎn)角信號。QY傾角儀是一種高精度的伺服式傾角儀，但是當(dāng)動態(tài)荷載經(jīng)過橋梁時，QY傾角儀既能感應(yīng)到橋梁豎向轉(zhuǎn)角，也能感應(yīng)到橋梁的縱向振動加速度。因此，需要從QY傾角儀輸出信號里消除縱向振動加速度信號，才能得到橋梁的豎向轉(zhuǎn)角信號。本文提出采用小波提升分解技術(shù)來實現(xiàn)在線、快速地提取出豎向轉(zhuǎn)角信號。

（6）通過實際橋梁撓度測試的對比實驗來檢驗本文研究結(jié)果的可靠性。為了在實際測試中檢驗本文建立的兩個數(shù)學(xué)模型和轉(zhuǎn)角信號提取方法的可靠性，本文首先基于研究結(jié)果開發(fā)出實物G01NET橋梁撓度測試和監(jiān)測系統(tǒng)，然后采用此系統(tǒng)分別做了以下幾個實驗：

（a）簡支梁的靜態(tài)撓度測試對比實驗；

（b）連續(xù)鐵路橋梁的靜態(tài)撓度測試對比實驗；

（c）預(yù)應(yīng)力混泥土簡支箱梁的動態(tài)撓度測試對比實驗；

（d）預(yù)應(yīng)力混泥土連續(xù)箱梁的動態(tài)撓度測試對比實驗；

（e）下承式拱橋的動態(tài)撓度測試實驗。

通過以上幾個實驗，很好地在實際測試中檢驗了本文研究結(jié)果的可靠性，表明了基于本文研究結(jié)果所開發(fā)的實物G01NET橋梁撓度測試和監(jiān)測系統(tǒng)可用于實際撓度和轉(zhuǎn)角的測試或監(jiān)測中。