彎橋墩梁位移自動監測系統研究

田世清，曹 洪，王俊新，張明輝

(重慶橋都橋梁技術有限公司，重慶 400015)

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彎橋墩梁位移自動監測系統研究

田世清，曹 洪，王俊新，張明輝

(重慶橋都橋梁技術有限公司，重慶 400015)

針對彎橋的墩、梁、支座以及伸縮縫會出現相互關聯的病害的現象，設計研發了彎橋墩梁位移自動監測系統。結合熱脹冷縮效應，以及系統安裝時墩梁之間的原始偏移情況對監測值的影響，通過理論推導得出墩梁的實際偏移值公式；通過圖像采集方式實現對伸縮縫的位移情況進行人工判讀，對支座狀態進行實時觀測，并實現對位移傳感器采集得到數據的驗證功能；數據通過移動無線網絡傳輸到服務器中，由軟件系統對服務器中的相關數據進行調用處理，形成數據曲線圖、導出監測數據；對超限等狀況進行及時短信預警，從而達到及時有效預警被監測點損傷狀況的功能。

橋梁工程；墩梁位移；監測；支座；伸縮縫

0 引 言

對運營期間大量彎橋的調查表明，彎橋的墩、梁、支座以及伸縮縫會出現相互關聯的病害，如：梁體與墩柱之間會產生異常位移，主要表現為支座產生超限滑移、破壞、甚至失效；墩柱異常偏移，嚴重時地面以上一定高度范圍內混凝土出現環向裂縫；梁體出現異?；浦辽炜s縫寬度超限或抵死，彎橋伸縮縫出現橫向錯位；部分彎橋外側防震擋塊因推擠而開裂、破損[1]。這些病害的出現極大的威脅橋梁結構安全，必須及時發現、及時處治[2-3]。

JTG H 11—2014《公路橋涵養護規范》規定，橋梁必須定期檢查，但由于各種原因，定期檢查的質量參差不齊，類似病害不能得到及時發現，且當發現時病害往往已經非常嚴重，甚至成為危橋。山區公路因受地形限制，橋梁結構所占比例較大，在交通主干道和高速公路上占比更大，不但橋梁數量多，彎橋也非常普遍，橋梁安全變得尤為重要。為避免因此類病害發現不及時而導致運營橋梁安全事故發生，對彎橋墩梁位移的監測變得尤為迫切。

目前，墩梁位移的測量方法主要有激光撓度儀、電子全站儀、全球定位系統(GPS)、位移傳感器[4-7]。激光撓度儀與電子全站儀精度高，能夠自動進行監測，但是容易受到灰塵、霧氣的影響，不能進行長期在線測量，而且必須參考點，這對于諸多工程現場非常困難。全球定位系統(GPS)雖然能夠全天候進行長期三維監測，但是該方法同樣需要參考點，費用高昂，而且精度只能達到厘米級。位移傳感器的方法不需要參考點，能夠適應全天候監測，具有較強應用性。

鑒于此，筆者設計研發了彎橋墩梁位移監測系統。該系統采用位移傳感器測量墩梁相對位移，避免了上述弊端；采用太陽能供電方式，避免了搭設線纜的不便；采用移動無線通訊技術，進行數據傳輸；在蓋梁和支座墊石上安裝了圖像采集裝置，用于對伸縮縫位移情況的人工判讀、支座滑移狀況的實時觀測，同時對位移傳感器所監測得到的墩梁相對位移數據進行輔助驗證；軟件系統具有良好的可擴展性，可同時支持多座橋梁的墩梁位移監測，同時具有短信預警功能。

1 系統原理

引起彎橋墩梁相對位移的因素很多，如：車輛載荷、周期性環境溫度、長期負荷的結構疲勞或滑坡、地震等[8]。車輛荷載、周期性環境溫度等屬于可恢復性影響因素，即當這種作用消失后，墩梁相對位移又恢復到原來的狀態。長期負荷的結構疲勞或滑坡、地震等屬于不可恢復性影響因素，這時會產生一個永久性的異常位移，并隨時間流逝逐漸變大，以致達到安全極限。

根據以上分析，由突發性因素(如地震、滑坡、洪水等)和橋墩長期運營所產生的永久性位移，以及周期環境溫度變化所引起的結構位移，是筆者對彎橋墩梁相對位移進行長期自動監測的主要內容。在此情況下，交通荷載所引起的快速、可恢復性位移變形可通過數據處理的方法作為噪聲剔除。筆者對位移傳感器采集獲得的墩梁相對位移數據進行溫度修正和原始偏移修正，從而得到墩梁異常偏移值，見式(1)：

D溫=εlΔt

(1)

式中：D溫為環境溫度引起的梁的位移；ε為線膨脹系數；l為梁長；Δt為系統安裝時的初始環境溫度值與數據采集時環境溫度值的差值。

假設橋墩為剛性體，基礎產生整體傾斜(其整體傾斜簡化模型見圖1)，根據三角函數關系，墩頂位移見式(2)：

D原=HsinΔθ

(2)

式中：D原為系統安裝時墩梁之間的原始偏移值(不可恢復性變形)。

圖1 橋墩整體傾斜簡化模型

采用有限元結構計算軟件進行建模計算，T梁橋的墩梁正常位置示意如圖2。

圖2 墩梁正常位置示意

當橋墩在異常受力作用下發生傾斜時，墩梁之間會產生不正常的相對滑移，當相對滑移量過大時，梁體有可能滑落支座，甚至滑落蓋梁，對橋梁結構造成較大的安全影響，建模計算如圖3。

圖3 傾斜-墩梁位移示意

通過對可恢復性變形的影響因素和不可恢復性變形的影響因素綜合分析，由式(1)、式(2)可得式(3)：

D實=(D位±D溫)±D原

(3)

式中：D實為墩梁之間的實際偏移值；D位為位移傳感器采集獲得的墩梁位移值。

在工程應用中，應首先確定方向符號，如李家沱長江大橋，令李家沱方向為正，九龍坡方向為負，進而軟件在數據處理中對式(3)中的正負號進行自行判斷，求得墩梁之間的實際偏移值。

2 系統設計

本系統通過移動無線網絡構成了現場終端-服務器-客戶端三點一體的物聯網網絡?，F場終端采用智能監測與圖像監測相結合的方式。智能監測即通過傳感器自動采集被監測點的原始數據，并處理得到可判斷被監測點相關狀態的數據，這種監測方式實現了自動化、智能化、長期化。圖像監測即對被監測點當前狀態進行圖像抓拍的監測方式，直觀呈現了實體狀態。通過這兩種監測方式的結合，可以由圖形監測方式驗證智能監測方式的真實性和有效性，也可實現對支座工作狀態的圖像監測。本系統中服務器為PC服務器，由一臺PC和一臺接收機組成。接收機采用移動無線模塊，負責與現場終端之間的通信。服務器用于存放現場終端傳送的數據以及相關配置參數。本系統中客戶端為一臺安裝了客戶端軟件且連接了Internet網絡的PC?？蛻舳送ㄟ^Internet網絡訪問服務器獲取現場終端數據，并對數據進行處理、顯示等操作，系統框如圖4。

圖4 系統框圖

2.1 硬件系統設計

彎橋墩梁位移自動監測硬件系統主要由供電模塊、位移傳感器模塊、圖像采集模塊和控制器模塊組成。硬件系統框如圖5。

圖5 硬件系統

2.1.1 供電模塊

筆者設計太陽能和市電兩種供電方式。針對較多橋梁建于山區偏遠地區，供電不便的情況，設計太陽能供電方式。系統不需對現場數據進行頻繁采集，而是每天采集一次，當每次數據采集結束后，系統自動進入休眠狀態，系統耗電量較少，因此采用太陽能供電足以滿足系統耗電需求。

2.1.2 位移傳感器模塊

位移傳感器模塊采用具有104次滑動壽命的位移尺測量位移變化量，其位移分辨率和精度均精確到毫米級。由于熱脹冷縮效應，墩梁之間會發生正常位移，為了監測獲得墩梁永久性異常位移值，在位移傳感器附近放置溫度傳感器，測量精度達到0.1 ℃。筆者利用設計的機械結構將墩梁之間的位移轉換為電路中電阻的變化，其原理示意如圖6。當橋梁與橋墩發生相對位移時，固定在梁端上的零件I帶動固定在橋墩的滑塊II滑動，從而導致與滑塊II連接的位移計發生變化，即梁相對于墩的位移轉化為位移計的變化量。

圖6 橋梁位移轉換機構

2.1.3 圖像采集模塊

圖像采集模塊由攝像頭結構和標尺結構兩部分構成。其中：攝像頭結構由安裝支架和攝像頭構成，標尺結構由伸縮縫位移標尺結構和墩梁位移標尺結構構成。該模塊通過圖像抓拍的方式實現對伸縮縫位移情況進行人工判讀、對支座狀態進行實時觀測，并實現對位移計傳感器子系統所監測得到的墩梁相對位移數據的輔助驗證，如圖7。

圖7 標尺安裝結構及圖像采集模塊

測量終端開機后首先進行傳感器自檢，自檢通過后對位移、溫度以及電源電壓等信息進行采集，然后開啟SIM卡的GPRS信息通道，與數據服務器主機建立連接，將采集數據發送至數據服務器。接下來對攝像頭信息進行采集，并將圖片信息若干個數據包發送給服務器主機。

數據服務器主機接收到數據和圖片信息后，按照其終端 ID 號存放在數據庫中，并將圖片數據包重新拼接成圖片存放在軟件目錄下?？蛻舳塑浖雍?，自動連接數據服務器主機，并根據用戶操作從服務器下載相應數據顯示在軟件界面。

2.1.4 控制器模塊

終端控制器模塊是彎橋墩梁位移實時自動監測系統的中樞，通過接收并解析遠端傳送命令或本地已設置命令，控制位移計傳感器模塊進行數據采集、控制圖像采集模塊進行圖像抓拍，最后通過無線傳輸模塊將數據傳輸至遠端服務器。當橋梁位移轉換為位移計的變化量后，通過以下電路便可將其轉化為電信號的變化。

2.2 軟件系統設計

該系統的軟件框架示意如圖8。軟件模塊由數據庫、后臺服務程序、接口機程序以及客戶端這4部分組成。

圖8 軟件系統框架

數據庫SQL Server2008存放終端上傳的實時及歷史數據；使用表觸發器實現數據分析計算處理、預警短信，同時可使用數據庫作業及存儲過程實現終端數據自動遠程獲取。后臺服務程序響應所有客戶端的操作請求，操作數據庫。

接口機程序和信息機(下位機)通過串口實時傳遞數據，從數據庫中讀取待發送信息(包括：終端更新指令、獲取最新數據指令、警示短信息發送)；同野外終端通過TCP協議進行通信，作為TCP的Server端，接收所有野外終端的TCP連接請求，解析野外終端通過TCP通道上傳的實時狀態、圖片等數據。在采用移動無線通信方式進行遠程圖像傳輸過程中，經常會出現圖像失幀、丟包等問題。針對該問題，在接收機程序中設計了圖像重傳機制，當校驗發現圖像失幀或丟包時，向終端發送圖像重傳命令，通過1 000次的遠程(﹥200 km)圖像傳輸試驗，試驗結果顯示其中358次的圖像實現了完整傳輸。

客戶端是用戶操作入口，可實現的功能包括橋梁信息增、刪、改維護；橋墩信息增、刪、改維護；按地區統計橋梁信息；按橋梁統計終端信息；展示終端歷史數據軌跡；橋梁墩位簡易示意圖；地圖中定位橋梁、顯示橋梁實際地理位置；終端遠程圖片查看；維護終端維修狀態；遠程更新終端配置；遠程獲取終端實時數據；統計數據EXCEL導出等。如圖9～圖11。

圖9 客戶端用戶界面

圖10 數據曲線

圖11 實時圖像

3 系統試驗

忠州長江大橋為斜拉橋，全長2 174 m，雙向4車道高速公路標準。其中：引橋設計結構為石柱岸引橋右幅采用一聯3×35 m及一聯3×40 m先簡支后連續預應力T梁橋，左幅采用一聯3×40 m先簡支后連續預應力T梁橋；忠縣岸引橋采用一聯4×40 m及三聯5×30 m先簡支后連續預應力T梁橋。

忠縣岸引橋為先簡支后連續預應力彎梁橋，其中下游側21號墩和26號墩同為常規鋼筋混凝土雙圓柱墩，梁體容易滑動，與橋墩產生滑移。如果滑移過大，或脫離設計范圍，橋梁將產生危險。所以，在21，26號下游側墩頂與梁體之間分別安裝一套彎橋墩梁位移自動監測系統終端，其中太陽能供電模塊安裝在護欄上，通過PVC管走線連接控制器模塊和圖像采集模塊，位移傳感器模塊和控制器模塊安裝在蓋梁擋塊上，圖像采集模塊安裝在蓋梁和支座墊石上。具體布點見圖12，安裝示意見圖13。

圖12 忠州長江大橋布點

圖13 安裝示意

在監測過程中發現監測點在多霧季節霧大、濃密，致使攝像頭采集圖像模糊不清，因此，設定數據采集時間為12:00?？紤]監測點異常位移由長期的多方面因素所造成，頻繁的數據采集不僅不能更好的體現墩梁相對位移變化情況，反而會加重系統運轉負荷，因此設定每天采集一次數據。

通過對2013年11月27日—2014年6月15日監測數據的整理分析，得出忠州長江大橋21，26號墩墩梁相對位移監測趨勢圖、監測圖像和監測報告，由于篇幅所限，筆者只對21號墩墩梁相對位移數據進行分析。見圖14、圖15及表1。

圖14 溫度趨勢

圖15 相對位移趨勢

表1 墩梁相對位移監測

由表1可以得到以下監測結論：

1)墩梁相對位移。在本監測周期內，實測的相對位移與理論計算的相對位移基本相符；在本監測周期內，墩梁相對位移變化趨勢(低溫時梁體混凝土收縮、高溫時梁體混凝土膨脹)符合混凝土熱脹冷縮的自然規律；根據報告周期監測結果，傳感器實測的墩梁相對位移與標尺示值位移基本相符。

2)伸縮縫間距。在本監測周期內，伸縮縫間距標尺所示位移為墩梁相對位移的2倍，符合蓋梁兩側梁體同時熱脹冷縮的規律。

3)支座變形情況。在本監測周期內，支座未見明顯變形。

4 結 語

通過對忠州長江大橋數月的試驗監測，驗證得出：溫度傳感器能準確、穩定的獲取監測點實時溫度值，精度達到0.1 ℃，滿足應用需求；位移傳感器能實時反映墩梁相對位移變化情況，精度達0.1 mm，滿足應用需求；圖像采集模塊可直觀呈現實體狀態，不僅實現了對伸縮縫位移情況的人工判讀、支座滑移狀況的實時觀測，也實現了對位移計傳感器子系統所監測得到的墩梁相對位移數據的輔助驗證，通過對2013年11月27日采集得到圖片和2014年6月15日采集得到圖片的人工判讀，發現其人工判讀位移差值與位移傳感器實測計算數據和理論計算數據相符，精度達0.5 mm，滿足應用需求；系統供電方式適合野外供電不便地區的需求；系統擴展性較強，可在軟件系統中添加新的橋梁信息，進而可實現對某路網該類型橋梁的統一監測；系統實時短信預警，當現場終端監測到數據異常時，會發送預警短信至客戶手機，進而進行及時處治。

綜上，彎橋墩梁位移實時自動監測系統為彎橋墩梁位移情況、伸縮縫位移情況、支座滑移狀況的監測提供了新的解決方案，也為彎橋梁的安全評估提供了一定的依據，對于彎橋健康監測具有重要意義。

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Automatic Monitoring System for Displacement of Pier and Beam of Curved Bridge

Tian Shiqing, Cao Hong, Wang Junxin, Zhang Minghui

(Chongqing Qiaodu Bridge Technology Co. Ltd., Chongqing 400015, China)

For curved bridge piers, beams, bearings and expansion joints diseases occur interrelated phenomena, design and development of the bending beam displacement pier automatic monitoring system. Combined effects of thermal expansion and contraction, and system installation affect the original pier excursion between the beam monitoring values deduced through theoretical actual offset value formula pier beams; to achieve the displacement of the expansion joints by image acquisition mode artificial situation interpretation, real-time observation of the bearing state, and to realize the displacement sensor to collect data validation obtained; mobile data transmission over a wireless network to a server, and the server software system called data processing, form data graphs, export monitoring data; to overrun situation timely messages warning, so as to achieve a timely and effective early warning monitoring points are functional damage conditions.

bridge engineering; displacement of pier and beam; monitoring; bearing; expansion joint

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.03

2014-01-13；

2014-10-08

田世清(1971—)，男，四川達州人，高級工程師，主要從事橋隧維修加固、橋梁健康監測方面的研究。E-mail: 13308390607@189.cn。

U446.2；TP399.9

A

1674-0696(2015)04-015-05