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摘要：大跨径连续箱梁桥跨中挠度的长期监测是桥梁健康监测系统中的重点。本文对静力水准挠度监测系统进行了研究，分析了该系统的总体构成和工作原理，并建立了某大桥主桥连续箱梁的跨中挠度监测系统。监测结果表明，该系统可满足连续梁桥的长期挠度监测的要求。
关键字：静力水准；连续箱梁桥；挠度监测
0前言
大跨径混凝土连续梁桥（刚构）桥以其施工方便、跨越能力强、造价经济、养护方便等优点，在我国公路建设中得到越来越广泛的应用；然而，近年来主跨的持续下挠、腹板斜裂缝、底板裂缝、横隔板裂缝等现象不断出现，已成为困扰国内外同类桥型设计、施工及养护的主要问题。由于跨中下挠会加剧箱梁底板腹板开裂，而箱梁梁体裂缝增多使结构刚度降低、进一步加剧了跨中下挠，这些因素相互作用形成恶性循环，导致主梁持续下挠，后期养护及加固的难度增大，费用大幅度增加。目前大跨径连续梁桥普遍出现的开裂和持续下挠问题已引起工程界的高度重视，但由于成因的多样性和复杂性，其因素之间相互作用的机理尚未明确。
大跨径混凝土连续梁桥的挠度变化直接反应了桥梁的安全状态和结构刚度，是桥梁状态评估中的重要参数之一。因此，在大跨径连续箱梁桥的长期监测系统中，跨中挠度监测往往是重点。随着桥梁健康技术的进步，人们研究了许多位移及挠度测量的方法，目前，国内外测量桥梁挠度的方法有很多种，传统的人工测量方法有百分表测量法、精密水准仪测量法、全站仪测量法等。桥梁挠度自动检测技术有倾角仪测量法、激光图像挠度测量、GPS挠度测量等。近年来，随着超声波和光电技术等在测量仪器上的发展，基于连通管原理的位移的测量方法在桥梁的荷载试验[1,2]以及长期监测系统[3-6]中得到了应用。静力水准系统就是基于连通管原理测量两点间或多点间相对高程变化的精密仪器，具有测量精度高（精度达到0.01mm），自动化性能好等特点；对于箱梁桥而言，可将静力水准系统置于箱梁内部，减少了外界环境等的影响；同时，静力水准系统可与光纤技术相结合，实现长期、实时、远程的监测[6,7]。[]
1 静力水准基本原理
静力水准的基本原理是连通管法，利用液体在相互连通的容器中，始终保持同一平面的性质，通过测量液位的相对变化来得到测点的相对位移的方法。应用于桥梁挠度测量中，首先，需设置一个基准点（即不产生或者产生微小竖向位移的不动点），通过连通的水管使安置于各挠度测点的静力水准相连。基于连通的容器中液面始终保持同一平面的原理，计算各测点相对于基准点的位移差，反算出挠度测点的竖向位移。
假设桥梁共设置了n个静力水准，其中一个为基准点，各静力水准的最初液面高度为h0，h1，…hn，h0为基准点的液面高度。当桥梁发生竖向位移后，测得各传感器液面高度为，如图1所示。根据连通管的原理，可得到：
2 工程介绍
某预应力混凝土连续箱梁跨径布置为：85m+6150m+85m，全长1070m。桥梁全宽23m，双向四车道。主桥分为上、下游两幅，单幅桥面横向布置为0.5m（防撞护栏）+10m（行车道）+0.75m（防撞护栏）。汽车荷载等级为公路-I级，设计时速为60公里/小时。
3挠度监测系统
3.1系统的测点布置
在连续梁桥的挠度长期监测过程中，跨中挠度是桥梁结构稳定性的最直观有效的反应。某连续梁桥主桥的单跨跨径达到150m，如此大跨径的混凝土桥梁的挠度变化情况都将是长期监测的重点。
因此，主桥挠度监测系统分别在各跨跨中设置了竖向挠度测点，共8个。但考虑到桥梁纵坡的影响，全桥如采用一套连通管相连，有可能会造成超出静力水准量程而无法测量的情况，并且大大增加了静力水准安装的难度，因此，本桥的挠度监测系统的传感器部分被划分为三个部分，如图2所示：(1)以2号静力水准为基准点，1、2、3号静力水准组成的第一部分；(2)以6号静力水准为基准点，4、5、6、7、8号静力水准组成的第二部分；(3)以10、11号静力水准为基准点，9、10、11、12号静力水准组成的第三部分。其中第2、6、10、11号静力水准分别安装在桥墩的横隔梁上，并认为桥墩在整个监测过程中是竖向不动的。
1）供电系统
供电系统来源于大桥的专用供电系统，通过架设的3公里的电缆连接到主桥箱梁内部，为挠度系统的主机箱提供24小时的电力供应。
2）主机箱
主机箱则负责向各静力水准的供电、发布采集指令、接收和发送数据。一旦发生与监测站的数据传输出现问题的情况，主机箱还可以存储一定量的数据，防止数据流失。
3）静力水准和连通水管
静力水准采用长沙金码高科实业公司生产的电感类传感器，实测量程为200mm，测量精度为0.01mm。静力水准之间通过电线、两芯屏蔽线和连通水管相连。在安装过程中，为了使静力水准在上升和下降过程中都有足够的量程，要保证静力水准的中间位置在同一水平面上。
考虑到该桥地处严寒地区，冬季最低气温达到-30℃以下，所以，静力水准和连通水管内的都为耐低温的防冻液，保证该系统在冬季也能够正常运行。
4）数据传输
传输光缆数据的远程传输主要依靠6公里的传输光缆，通过桥位现场和管理站的两个光纤转换器把主机箱中的电信号转换成光信号传输至桥梁管理站的计算机。
5）监测站及远程控制中心
在远程控制中心中，通过Internet网络操作管理站计算机中的挠度监测软件，从而实现远程监测和发布指令。
4 监测结果
主桥挠度监测系统于在2012年5月施工完毕，记录了从2012年5月19日~2012年6月2日的挠度变化情况。由于受到连通管自身原理的限制，跨中测点产生变形后，静力水准以及连通管中的液体往往需要一定时间的流动才能达到同一水平位置，所以，本系统的采样频率设为10min。
通过图5可以看出，各跨跨中挠度随时间变化的总体趋势基本一致。以天为周期的波动也较为明显，其中，S7和S9两个测点较直观的反应了挠度的昼夜变化，最大可达8mm，这主要是由于昼夜的日照温差所引起的。另外，S4测点挠度变化最大，从5月20日到5月28日，挠度累积变化了20.79mm。
5 结论
(1) 基于连通管原理的挠度监测系统可长期、实时、远程的进行监测，获得准确、可靠的挠度数据，满足桥梁的挠度监测要求。
(2) 在静力水准安装过程中，应考虑桥梁纵坡的影响，准确测量静力水准的中间位置，使其保持在同一水平面上，这也是保证静力水准在上升和下降过程中有足够的量程的关键。在严寒地区，应在连通管中加入防冻液，以保证监测系统冬季的正常工作。
(3) 通过监测结果表明，某大桥主桥各跨跨中挠度随时间变化的总体趋势基本一致，由于日照温差的影响，昼夜交替的挠度波动也较为明显。
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论文作者:苏广瑞1,姜夕伟1,陈闯2
论文发表刊物:《防护工程》2017年第6期
论文发表时间:2017/7/17
标签：挠度论文; 静力论文; 水准论文; 连通管论文; 桥梁论文; 测量论文; 监测系统论文; 《防护工程》2017年第6期论文;