壓力變送器的主梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能

摘要: 為研究基于壓力變送器的豎向位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)的適用性,以橋梁健康監(jiān)測(cè)中常用的主梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為對(duì)象，采用正弦波位移加載方式,研究影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位移振幅比的因素,并根據(jù)一階系統(tǒng)傳遞函數(shù)分析其時(shí)滯常數(shù)和幅頻曲線。結(jié)果表明:水管長(zhǎng)度、水管材質(zhì)、水柱高度、位移幅值對(duì)位移振幅比的影響很小,加載頻率是主要影響因素;時(shí)滯常數(shù)隨被測(cè)點(diǎn)豎向位移動(dòng)態(tài)頻率的增大而增大,頻率不大于0.2 Hz時(shí),時(shí)滯常數(shù)可按13.3 s取值;要求振幅比不小于0.95時(shí),頻率不應(yīng)大于0. 025 Hz。

1引言

豎向位移監(jiān)測(cè)是邊坡滑移[1]、路基和地基沉降[幻]、橋梁主梁線形及撓度[3]等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容,其幅值、時(shí)變特性在不同應(yīng)用場(chǎng)景中有較大差別,對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法也各不相同[4-7]。大跨徑橋梁在地基沉降、溫度作用、風(fēng)荷載及運(yùn)營(yíng)活載等因素作用下的主梁豎向位移具有明顯的時(shí)變特性和大幅值。因此,大跨徑橋梁是檢驗(yàn)豎向位移監(jiān)測(cè)方法有效性的重要領(lǐng)域。

基于壓力變送器的封閉式連通管系統(tǒng)是豎向位移的監(jiān)測(cè)方法之一,主要用于大跨徑橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)主梁線形及撓度的監(jiān)測(cè)。其原理是利用設(shè)置在固定處的水箱提供基準(zhǔn)液面，測(cè)點(diǎn)處安裝壓力變送器,水箱與壓力變送器之間用水管連接,通過(guò)壓力變送器測(cè)得水柱高度并換算出測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)高差,從而得到測(cè)點(diǎn)的豎向位移。針對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)豎向位移時(shí)變特性的適應(yīng)性問題,鑒于液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性,目前一般通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行研究。程景揚(yáng)等[8]通過(guò)激振使鋼質(zhì)水管發(fā)生振動(dòng)(壓力變送器靜止),研究水管振動(dòng)加速度與壓力變送器壓差的關(guān)系發(fā)現(xiàn),連通管壓強(qiáng)與結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度、水管布置縱向傾角正相關(guān)。

相關(guān)研究的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H模擬了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一- 部分，與實(shí)際橋梁中應(yīng)用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有較大區(qū)別,且對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究不充分。本文以橋梁健康監(jiān)測(cè)中常用的主梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn),采用正弦波位移加載,研究基于壓力變送器的封閉式連.通管豎向位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

2試驗(yàn)概況

2.1試驗(yàn)布置

在臺(tái)座上布置水箱,水箱內(nèi)灌注自來(lái)水,水箱底部設(shè)置閥門,出口與水管連接。水管另一端設(shè)置閥門,出口與壓力變送器(采用EJA110型號(hào))連接。水箱內(nèi)液面高度根據(jù)所需水柱高度及臺(tái)座高度確定,灌水完后靜置24 h排除水管內(nèi)氣泡。壓力變送器豎向固定于試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)器上,隨作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)。壓.力變送器輸出信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)電流電壓信號(hào)采集模塊讀取，并傳送給.上位機(jī)。試驗(yàn)布置見圖1,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)見圖2。

2.2試驗(yàn) 方法

試驗(yàn)采用正弦波加載,通過(guò)掃頻方式確定系統(tǒng)的大致頻響曲線,加載頻率為0.01~0.5 Hz,加載振幅為30~ 70 mm。每一加載步驟總體按照單次加載、連續(xù)加載、單次加載的順序進(jìn)行。其中,單次加載是指作動(dòng)器快速運(yùn)動(dòng)到指定位移后保持不動(dòng)，用于確定系統(tǒng)誤差及讀數(shù)穩(wěn)定所需時(shí)間;連續(xù)加載是指作動(dòng)器以給定的振幅和頻率做正弦運(yùn)動(dòng)的往復(fù)加載,用于確定振幅比(連續(xù)加載下壓力變送器輸出振幅與試驗(yàn)機(jī)實(shí)際加載振幅的比值)。同一加載步驟內(nèi)各頻率依次、不間斷加載,并確保每個(gè)頻率有足夠的加載時(shí)間。

2.3試驗(yàn)工況

針對(duì)水管長(zhǎng)度、水管材質(zhì)、水柱高度、位移幅值等因素,設(shè)計(jì)多個(gè)試驗(yàn)工況,測(cè)試不同加載頻率下位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)，確定影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主要因素,并進(jìn)一步研究位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的幅頻曲線、時(shí)滯常數(shù)等關(guān)鍵動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。

(1)水管長(zhǎng)度影響對(duì)比試驗(yàn)。水管采用內(nèi)徑16mm.的PVC透明軟管,長(zhǎng)度分別取200, 100,50,5m。加載頻率0.01~0.5 Hz,加載振幅70 mm。

(2)水管材質(zhì)影響對(duì)比試驗(yàn)。水管分別采用PVC透明軟管.PE硬管、鐵管,長(zhǎng)度為5 m,內(nèi)徑為16mm。加載頻率0. 01~0.5 Hz,加載振幅70 mm。

(3)水柱高度影響對(duì)比試驗(yàn)。水管采用PVC透明軟管,長(zhǎng)度為10 m,水柱高度分別取0.3,3. 26.2 m。加載頻率0.01~0.5 Hz,加載振幅70 mm。

(4)位移幅值影響對(duì)比試驗(yàn)。水管采用PVC透明軟管,長(zhǎng)度為10 m,水柱高度為6.2 m。加載頻率0.1 Hz, 加載振幅分別70,50,40,30 mm。

3位移振幅比影響因素分析.

3.1水管長(zhǎng)度對(duì)振幅比的影響

水管長(zhǎng)度對(duì)振幅比的影響見圖3。由圖3可知:同一加載頻率下水管不同長(zhǎng)度時(shí)的位移振幅比基本一致;隨著加載頻率的提高，振幅比均逐漸減小。說(shuō)明水管長(zhǎng)度對(duì)振幅比測(cè)試結(jié)果的影響較小。實(shí)橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中與同一水箱連接的豎向位移測(cè)點(diǎn)一般有多個(gè)，該試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明各測(cè)點(diǎn)的振幅比受距離水箱遠(yuǎn)近的影響較小。

3.2水管材質(zhì)對(duì)振幅比的影響

水管材質(zhì)對(duì)振幅比的影響見圖4。由圖4可知:同一加載頻率下不同水管材質(zhì)下的振幅比相差不大;隨著加載頻率的提高,振幅比均逐漸減小。說(shuō)明水管材質(zhì)對(duì)振幅比測(cè)試結(jié)果的影響較小。實(shí)橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中一般采用PE硬管。

3.3水柱高度對(duì)振幅比的影響

水柱高度對(duì)振幅比的影響見圖5。由圖5可知:同一加載頻率下不同水柱高度時(shí)的振幅比基本一致;隨著加載頻率的提高,振幅比均逐漸減小。說(shuō)明水柱高度對(duì)振幅比測(cè)試結(jié)果的影響較小。實(shí)橋縱坡會(huì)導(dǎo)致各測(cè)點(diǎn)的水柱高度不一致，該試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明各測(cè)點(diǎn)的振幅比受橋梁縱坡的影響較小。

3.4位移幅值對(duì)振幅比 的影響

位移幅值對(duì)振幅比的影響見圖6。由圖6可知:不同位移幅值下振幅比基本一致,說(shuō)明位移幅值對(duì)振幅比的影響較小。

綜合以上分析可知,水管長(zhǎng)度、水管材質(zhì)、水柱高度、位移幅值等因素對(duì)位移幅值的影響均較小。影響位移振幅比的主要因素是加載頻率。

4動(dòng)態(tài)特性參數(shù)分析

試驗(yàn)機(jī)正弦運(yùn)動(dòng)輸入x(t)與位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出y(t)之間的關(guān)系用一階系統(tǒng)模型表示,其傳遞函數(shù)為:

式中,F(if)為振幅比;f為加載頻率;τ為時(shí)滯常數(shù)。將式(1)按照幅值與相位差方式表示為:

此時(shí)振幅減少到1/fτ倍,相位角落后π/2。

綜合上節(jié)各試驗(yàn)工況的加載頻率與振幅比,代入式(2)的幅值公式中,可求得時(shí)滯常數(shù)。時(shí)滯常數(shù)隨加載頻率變化曲線見圖7。由圖7可知:時(shí)滯常數(shù)隨加載頻率的增大而增大,頻率小于0.4 Hz時(shí)，時(shí)滯常數(shù)緩慢增大;頻率大于0.4 Hz時(shí)，時(shí)滯常數(shù)迅速增大。加載頻率為0.01 Hz 時(shí)，時(shí)滯常數(shù)為12.1 s,滿足式(3)條件,此時(shí)振幅比約為1;加載頻率為0.5 Hz時(shí),時(shí)滯常數(shù)為59. 6 s,滿足式(4)條件,此時(shí)振幅比為0. 034,相位角落后約π/2。

加載頻率小于0.2 Hz時(shí),時(shí)滯常數(shù)平均值為13.3 s。 據(jù)此計(jì)算各加載頻率對(duì)應(yīng)的振幅比,并與實(shí)測(cè)振幅比進(jìn)行對(duì)比。實(shí)測(cè)幅頻曲線與計(jì)算幅頻曲線見圖8。由圖8可知:加載頻率小于0.2Hz時(shí)，振幅比的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合較好;加載頻率大于0.2 Hz時(shí),振幅比的實(shí)測(cè)值比計(jì)算值偏小,且頻率越大兩者相差越大。在要求振幅比不小于0.95的條件下,加載頻率應(yīng)不大于0. 025 Hz。

5結(jié)論

本文以橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中常用的基于壓力變送器的封閉式連通管豎向位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為對(duì)象,通過(guò)正弦波加載試驗(yàn)研究該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,主要結(jié)論如下:

(1)水管長(zhǎng)度、水管材質(zhì)、水柱高度、位移幅值等因素對(duì)位移振幅比的影響均較小,加載頻率是位移振幅比的主要影響因素。

(2)時(shí)滯常數(shù)隨被測(cè)豎向位移動(dòng)態(tài)頻率的增大而增大,頻率小于0.2 Hz時(shí)可按13.3 s考慮。

(3)加載頻率小于0.2 Hz時(shí),振幅比的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合較好;加載頻率大于0.2 Hz時(shí),振幅比的實(shí)測(cè)值比計(jì)算值偏小。要求位移振幅比不小于0.95時(shí),頻率不應(yīng)大于0. 025 Hz。