基于靜力水準儀的蝴蝶拱橋變形監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘? 要：為及時掌握某非對稱外傾蝴蝶拱橋變形狀態(tài)，提出利用靜力水準儀進行橋梁關(guān)鍵截面變形的自動化監(jiān)測預(yù)警。文章介紹了靜力水準儀的測量原理及系統(tǒng)組成，以某非對稱外傾蝴蝶拱橋主梁監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計為例，介紹了主梁變形監(jiān)測測點布置方案與閾值設(shè)置方法，并將控制截面測點數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比。結(jié)果表明：基于靜力水準儀的變形監(jiān)測系統(tǒng)具有測量精度高、實時性好、受環(huán)境影響較小等特點，可以有效用于蝴蝶拱橋主梁變形監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：蝴蝶拱橋;靜力水準儀;變形監(jiān)測;自動化

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）23-0048-04

Study on Deformation Monitoring System of Butterfly Arch Bridge Based on Static Level

XU Wangxing

（Fujian Longyan Urban Construction Investment Development Co.， Ltd.， Longyan? 364000， China）

Abstract： In order to grasp the deformation state of an asymmetric cambered butterfly arch bridge in time， the automatic monitoring and early warning of key section deformation of the bridge by using static level is proposed. This paper introduces the measurement principle and system composition of the static level. Taking the design of the main beam monitoring system of an asymmetric cambered butterfly arch bridge as an example， this paper introduces the layout scheme of the monitoring points of the main beam deformation and the threshold setting method， and compares the data of the monitoring points of the control section with the manual monitoring data. The results show that the deformation monitoring system based on static level has the characteristics of high measurement accuracy， good real-time performance and less affected by the environment. It can be effectively used for the deformation monitoring of the main beam of butterfly arch bridge.

Keywords： butterfly arch bridge; static level; deformation monitoring; automation

0? 引? 言

蝴蝶拱橋造型獨特，富有藝術(shù)美感，具有流暢的拱肋和曲線橋道，圓潤、優(yōu)雅的輪廓給人以視覺上的享受，為城市地標性建筑[1]。為保證橋梁在長期使用過程中的結(jié)構(gòu)安全和使用狀態(tài)中的行車安全，運營期間的健康監(jiān)測技術(shù)成為一種行之有效的方法[2]。由于主梁直接承受來自車輛的荷載作用，變形不僅受到自身截面幾何尺寸、構(gòu)造形式、材料特性的影響，還與吊桿力、布置間距以及主拱提供的約束有關(guān)，其撓度值不僅反映了梁體剛度的大小，同時更加直觀地表現(xiàn)出橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能，因此，橋梁變形監(jiān)測是結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的重要指標，必須進行監(jiān)測[3，4]。

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，運營期橋梁出現(xiàn)超載、超年限使用的情況日益增加，橋梁變形監(jiān)測的相關(guān)問題也越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[5，6]。目前國內(nèi)外工程師針對橋梁變形的傳統(tǒng)監(jiān)測方法仍是通過全站儀進行人工測量，盡管該方法儀器操作簡單，可減小前期投入，但測量精度受人為因素影響較大，且無法實現(xiàn)實時監(jiān)測及預(yù)警。隨著靜力水準儀在大壩、高鐵、隧道的沉降監(jiān)測等工程領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其具有測量精度高、穩(wěn)定性好、高效監(jiān)測、實時預(yù)警等優(yōu)點[7-9]。因此，靜力水準儀在橋梁變形實時監(jiān)測方面開始得到推廣使用[10]。本文介紹了靜力水準儀的測量原理及系統(tǒng)組成，以某非對稱外傾蝴蝶拱橋主梁變形監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計為實例，詳細介紹了蝴蝶拱橋主梁變形監(jiān)測測點布置方案與閾值設(shè)置方法，并將控制截面測點數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。

1? 靜力水準測量系統(tǒng)

1.1? 基本原理

靜力水準儀的組成部件主要包括浮筒、液缸、精密液位計、保護罩等。基于“連通管”的工作原理，通過連通管將n個靜力水準儀連接在一起;注入液體后，液體在大氣壓力和重力的作用下，最終會保持在同一個水平面;靜置一段時間后，測量各液缸內(nèi)的水面高度，經(jīng)過計算即可得到測點的位置變化。

以一定范圍內(nèi)某結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測為例，假設(shè)共有n個測點，如圖1所示。

待各部件組裝完畢后進行調(diào)平，靜置24 h后，采集各測點靜力水準儀的安裝高程（Y01…Y0i…Y0j…Y0n），液缸內(nèi)液位的高度（h01…h(huán)0i…h(huán)0j…h(huán)0n），此時各測點高程與液位高度的關(guān)系應(yīng)滿足：

Y01+h01=…=Y0i+h0i=…=Y0j+h0j=…=Y0n+h0n? ? ? ? ? ? （1）

根據(jù)連通管的原理，當場地發(fā)生k次不均勻沉降后，各測點液缸內(nèi)液位的高度仍是相同的，則此時有：

（Y01+Δhk1）+hk1=…=（Y0i+Δhki）+hki=…

=（Y0j+Δhkj）+hkj=…

=（Y0n+Δhkn）+hkn? ? ? ? ? ? （2）

式中：Δh1…Δhi…Δhj…Δhn表示沉降引起的各測點高程的變化量，hki…h(huán)ki…h(huán)kj…h(huán)kn表示沉降引起的各測點液面高度的變化量，第j個觀測點相對于基準點i的相對沉降量為：

Hji=Δhkj-Δhki? ? ? ? ? （3）

將式（1）和式（2）代入式（3）可知：

Δhkj-Δhki=（Y0j+hkj）-（Y0i+hki）

=（Y0j-Y0i）+（hkj- hki）? ? ? （4）

安裝待液缸靜置穩(wěn)定后，需要對各測點傳感器調(diào)零，此時各個測點液缸內(nèi)液面的初始高度差值均為零，則式（4）可以簡化為：

Hji=hkj-hki? ? ? ? ? （5）

由式（4）可知：只需測得各測點靜力水準儀在不同時刻液缸內(nèi)液面的高度，通過各點之間兩兩相減即可求出差異變形。

1.2? 系統(tǒng)組成

基于靜力水準儀的蝴蝶拱橋變形監(jiān)測系統(tǒng)由信息采集、傳輸網(wǎng)絡(luò)、云平臺和終端服務(wù)四部分組成，如圖2所示。其中信息采集模塊在整個系統(tǒng)中主要用于準確獲取各測點處靜力水準儀的位置及液位變化;傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊主要用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的臨時存儲、實時采集、自動接收與轉(zhuǎn)發(fā)、用戶反饋等功能，以保證數(shù)據(jù)不失真;云平臺通過計算機完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、前處理、后處理、歸檔和存儲等功能，有效控制橋梁現(xiàn)場的各數(shù)據(jù)調(diào)理器設(shè)備、采集子站和傳感測試設(shè)備的相關(guān)工作;服務(wù)終端根據(jù)用戶定義的閾值對橋梁危險狀態(tài)進行實時預(yù)警，綜合各個傳感器的監(jiān)測結(jié)果對橋梁進行合理評估。

2? 工程實例

2.1? 項目概況

研究以成都市紅星路南延線跨府河大橋為例，該橋全長255.3 m，孔跨布置采用（44+150+55）m。該橋在平曲線內(nèi)主梁采用格子梁與雙縱箱相結(jié)合的三跨連續(xù)的鋼箱結(jié)構(gòu)，主拱部分包括拱肋鋼箱段與拱腳混凝土段兩部分組成，拱肋分別位于南北兩側(cè)傾斜的平面內(nèi)，由于向外傾斜的角度不同，且拱肋之間不存在任何橫向連接，南北兩側(cè)拱肋于主梁端部以下相交，故該橋為一座非對稱外傾蝴蝶拱橋。此外，南北兩側(cè)拱肋與主梁之間分別設(shè)有20個吊點，每個吊點處設(shè)置兩根吊桿;系桿分別錨固在南北兩側(cè)拱肋段混凝土內(nèi)，共計12根，設(shè)置于梁底部。

2.2? 測點布置

為實時監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，保障橋梁安全運營，及時掌握橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)和趨勢演變情況，該橋健康監(jiān)測系統(tǒng)共設(shè)測點195個，其中針對曲線梁非對稱肋外傾“蝴蝶形”拱橋主梁撓度共設(shè)置撓度測試截面共計16個（包括14個測點與2個基準點），本文選取主要控制截面包括3個測點，分別位于近北拱側(cè)主跨1/2L和兩邊跨1/2L處，基準點設(shè)置于橋臺上，詳細測點布置如圖3、圖4所示。

2.3? 橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)警閾值設(shè)置

依據(jù)《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（JTT 1037-2016）進行結(jié)構(gòu)預(yù)警閾值設(shè)置，黃色預(yù)警出現(xiàn)在變形監(jiān)測值大于0.8倍設(shè)計值時;紅色預(yù)警出現(xiàn)在變形監(jiān)測值大于設(shè)計值或一個月內(nèi)發(fā)現(xiàn)10次以上黃色預(yù)警。

其中，梁體變形監(jiān)測預(yù)警閾值設(shè)計值結(jié)合全橋有限元仿真進行計算，取橋梁在承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)值作為紅色預(yù)警值，黃色預(yù)警閾值考慮在兩種極限狀態(tài)閾值的基礎(chǔ)上進行組合或折減后獲得[11]。如果梁體變形已達到了影響正常使用的狀態(tài)[12]，應(yīng)采用最不利組合計算值（短期荷載效應(yīng)組合及長期荷載效應(yīng)組合）作為預(yù)警閾值，作為正常使用極限狀態(tài)的預(yù)警數(shù)值進行預(yù)警。而承載能力極限狀態(tài)下實際結(jié)構(gòu)的變形預(yù)警，則通常以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計作為預(yù)警閾值，紅星路南延線府河橋撓度預(yù)警閾值如表3所示。

2.4? 數(shù)據(jù)分析

為驗證主梁控制截面測點監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，將人工監(jiān)測數(shù)據(jù)與實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合對比分析。其中，基于靜力水準儀的實時監(jiān)測系統(tǒng)變形監(jiān)測頻率為1次/分，各測點采樣數(shù)據(jù)量為1 440個/天;而人工監(jiān)測采用電子水準儀進行復(fù)核，變形監(jiān)測頻率為4次/天，監(jiān)測點和基準點與自動化監(jiān)測選點一致，各測點采樣數(shù)據(jù)量為4個/天?？紤]到數(shù)據(jù)量相對較大，故選取最具代表性測點（近北拱側(cè)主跨1/2L處）2020年12月18日至24日的人工監(jiān)測數(shù)據(jù)與靜力水準儀監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)進行比對，如圖5所示。

由上圖可知，一周內(nèi)基于靜力水準儀的主梁跨中變形實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差介于0.02～1.7 mm，最大誤差值小于2 mm。綜合分析其他控制截面測點監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，基于電子水準儀的人工監(jiān)測數(shù)據(jù)與基于靜力水準儀的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，其變化趨勢和變化量基本一致，可見采用靜力水準儀能準確有效的監(jiān)測該蝴蝶拱橋的主梁變形。

3? 結(jié)? 論

針對目前運營期橋梁變形監(jiān)測技術(shù)存在監(jiān)測效率低、受外界環(huán)境影響較大、不能實現(xiàn)實時監(jiān)測等缺陷，本文通過將靜力水準儀引入橋梁變形監(jiān)測領(lǐng)域，以某非對稱外傾蝴蝶拱橋變形監(jiān)測系統(tǒng)為研究對象，基于有限元模型分析結(jié)果，確定橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)警閾值與變形測點布置方案，通過橫向?qū)Ρ瓤刂平孛鏈y點7d的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

（1）靜力水準儀用于主梁變形監(jiān)測具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、監(jiān)測效率高、實時預(yù)警等特點;

（2）基于靜力水準儀的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與基于電子水準儀的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，其變化趨勢和變化量基本一致，靜力水準儀適用于蝴蝶拱橋的主梁變形監(jiān)測，且具有較高的準確性和較好可靠性，可逐步予以推廣。

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作者簡介：徐旺興（1974—），男，漢族，福建龍巖人，高級工程師，本科，主要研究方向：城市基礎(chǔ)設(shè)施項目設(shè)計、建設(shè)管理和研究。