橋梁撓度測(cè)量方法及比較分析
2017-08-21
橋梁的撓度變形是橋梁健康狀況評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，在橋梁檢測(cè)、危橋改造以及新橋驗(yàn)收等方面都需要準(zhǔn)確測(cè)量橋梁的靜、動(dòng)態(tài)撓度值。隨著橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，人們研究了許多用于位移及撓度測(cè)量的方法。目前，國(guó)內(nèi)外測(cè)量橋梁撓度的方法有許多種，下面對(duì)常見(jiàn)的幾種測(cè)量方法的原理、特點(diǎn)及適用范圍做以簡(jiǎn)要介紹。
1、傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法
1.1百分表測(cè)量法
百分表測(cè)量法是較傳統(tǒng)的撓度測(cè)量方法。百分表的工作原理，就是利用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所檢測(cè)位置的位移值放大，并將檢測(cè)的直線往返運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成指針的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，以指示其位移數(shù)值。
特點(diǎn)：1）優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，可以進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，直接得到各測(cè)點(diǎn)的撓度值測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠；2）缺點(diǎn)比較繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)，工作效率較低，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用有很大局限性；3）適用于橋下可搭設(shè)支架的橋梁工程。
1.2 精密水準(zhǔn)儀測(cè)量法
水準(zhǔn)測(cè)量又名“幾何水準(zhǔn)測(cè)量”，是用水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺測(cè)定地面上兩點(diǎn)間高差的方法。在地面兩點(diǎn)間安置水準(zhǔn)儀，觀測(cè)豎立在兩點(diǎn)上的水準(zhǔn)標(biāo)尺，按尺上讀數(shù)推算兩點(diǎn)間的高差。通常由水準(zhǔn)原點(diǎn)或任一已知高程點(diǎn)出發(fā)，沿選定的水準(zhǔn)路線逐站測(cè)定各點(diǎn)的高程。
特點(diǎn)：1）具有速度快、計(jì)算方便、精度高和能夠及時(shí)比較觀測(cè)結(jié)果的特點(diǎn)；2）主要適用于測(cè)點(diǎn)附近能夠提供測(cè)站條件、范圍不大的橋梁撓度變化、觀測(cè)點(diǎn)數(shù)不多的精密水準(zhǔn)測(cè)量。
1.3 全站儀測(cè)量法
全站儀撓度測(cè)量基本原理是三角高程測(cè)量。三角高程測(cè)量通過(guò)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的水平距離和豎直角求定兩點(diǎn)間高差的方法。
特點(diǎn)：1）這種測(cè)量方法簡(jiǎn)單，不受地形條件限制，是測(cè)量橋梁撓度的一個(gè)基本方法。2）在橋梁加、卸載過(guò)程中，由于全站儀和棱鏡固定不動(dòng)，這就完全消除了儀器高和棱鏡高的量測(cè)所帶來(lái)的誤差。3）采用高精度全站儀可以更加有效地提高橋梁荷載試驗(yàn)撓度測(cè)量精度。
2、橋梁撓度自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)
2.1 連通管測(cè)量法
利用連通管原理，根據(jù)安裝在橋梁各處連通管內(nèi)液面高度的變化獲得橋梁撓度的變化。當(dāng)橋梁梁體發(fā)生變形時(shí)，固定在梁體上的水管也將隨之移動(dòng)，此時(shí)，各豎直水管內(nèi)的液面將與基準(zhǔn)點(diǎn)處的液面保持在同一水平面，但各測(cè)點(diǎn)處的豎直水管液面卻發(fā)生了大小不等的相對(duì)移動(dòng)，測(cè)得的相對(duì)位移量即是該被測(cè)點(diǎn)的撓度值。
特點(diǎn)：連通管法測(cè)量橋梁撓度的優(yōu)點(diǎn)是可靠、易行，當(dāng)撓度的絕對(duì)值大于20mm時(shí)，它1mm最小讀數(shù)至少可有5%的相對(duì)精度。
2.2 傾角儀法
使用傾角法測(cè)量橋梁的撓度，并不同于傳統(tǒng)的方法如百分表法、水準(zhǔn)儀法直接測(cè)得橋梁某一點(diǎn)的撓度值，而是首先使用傾角儀測(cè)得橋梁變形時(shí)幾個(gè)截面的的傾角，根據(jù)傾角擬合出傾角曲線，進(jìn)而得到撓度曲線，這樣就可以求得橋梁上任意一點(diǎn)的撓度值。傾角法實(shí)際上是一種間接地利用傾角儀測(cè)量得到橋梁撓度的方法。
特點(diǎn)：橋梁不需要靜止的參考點(diǎn)，特別適于測(cè)量跨河橋、跨線橋、大型的跨海、跨峽谷橋梁和高橋，大大提高了測(cè)量效率。
2.3 激光圖像撓度測(cè)量
激光圖像撓度測(cè)量利用了激光良好的方向性。隨著橋梁不同程度的變形，照射在被測(cè)點(diǎn)固定不動(dòng)的光電接收器上的激光光斑中心發(fā)生等量變化，因此只要獲取光斑中心位置就可得到橋梁撓度。
特點(diǎn)：具有很高的測(cè)量精度，可達(dá)到0.1 mm，且采樣速率高、成本較低；適合于跨度不大的中小型橋梁。
2.4 GPS撓度測(cè)量
利用一臺(tái)接收機(jī)(基準(zhǔn)站)安在參考點(diǎn)(岸基)上固定不動(dòng)，另一臺(tái)接收機(jī)(移動(dòng)站)設(shè)在橋梁變形較大的點(diǎn)，2臺(tái)接收機(jī)同步觀測(cè)4顆或更多衛(wèi)星，以確定變形點(diǎn)相對(duì)岸基的位置。實(shí)時(shí)獲取變形點(diǎn)相對(duì)參考點(diǎn)的位置，可直接反映出被測(cè)點(diǎn)的空間位置變化從而得到橋梁結(jié)構(gòu)的撓度值。
特點(diǎn)：具有全球性、全天候、連續(xù)的精密三維導(dǎo)航與定位能力；具有良好的抗干擾性和保密性。
2.5 光電成像撓度測(cè)量
光電成像撓度測(cè)量是在橋梁的測(cè)點(diǎn)上安裝一個(gè)目標(biāo)靶，并在靶上制作一個(gè)光學(xué)標(biāo)志點(diǎn)(光標(biāo))。通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)(光學(xué)鏡頭)把標(biāo)志點(diǎn)成像在CCD接收面陣上，當(dāng)橋梁產(chǎn)生撓度/位移時(shí)，目標(biāo)靶也隨之移動(dòng)。通過(guò)測(cè)出靶上光標(biāo)點(diǎn)在CCD接收面上成像位置的變化值，就可計(jì)算出橋梁實(shí)際的撓度/位移量。
撓度測(cè)量方法的比較圖
3、橋梁撓度監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向
(1)長(zhǎng)期在線自動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)量
現(xiàn)在和未來(lái)，人們對(duì)橋梁，尤其是大型橋梁的安全評(píng)估不僅要求在施工過(guò)程中進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)，而且，更加注重成橋后在正常載荷下的長(zhǎng)期在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)。成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使人們不再局限于對(duì)一座橋梁進(jìn)行集中監(jiān)控，而逐步要求實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多座大型橋梁的集群式監(jiān)控。
(2)大量程測(cè)量
隨著建筑材料和工藝的不斷成熟，現(xiàn)代橋梁呈現(xiàn)出/跨度大、結(jié)構(gòu)柔等特點(diǎn)，這就造成橋梁結(jié)構(gòu)本身在各種外界環(huán)境的影響下，會(huì)出現(xiàn)較大的形變，將來(lái)?yè)隙葴y(cè)量的量程相應(yīng)地要求成倍提高。
總之，隨著計(jì)算機(jī)等級(jí)的提高、數(shù)據(jù)采樣技術(shù)的進(jìn)步，今后橋梁的撓度測(cè)量將在此方法基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善。未來(lái)橋梁撓度監(jiān)測(cè)將會(huì)沿著/高度集中自動(dòng)化、大量程測(cè)量的方向繼續(xù)發(fā)展.
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