LVDT如何破解中小橋梁動撓度監(jiān)測難題

規(guī)范要求及監(jiān)測設(shè)備情況介紹

主梁撓度應(yīng)測項要求

《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(JT/T 1037-2022)，中明確了主梁豎向位移（主梁撓度）是懸索橋、斜拉橋、梁橋、拱橋等各種橋型的應(yīng)測項。如下圖所示：

采集頻率要求

同時技術(shù)規(guī)范中也對位移監(jiān)測項的采集頻率做出了明確要求：

撓度監(jiān)測設(shè)備

對于不同橋型的撓度監(jiān)測設(shè)備，規(guī)范中列舉了采用GNSS以及壓力變送器進行橋梁撓度監(jiān)測。

GNSS簡單介紹：

GNSS是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）的簡稱。GNSS定位原理，主要依靠衛(wèi)星發(fā)射的信號來計算監(jiān)測站的位置。

參數(shù)如下表

由表中參數(shù)可知，在安裝工藝、安裝環(huán)境、衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量理想的情況下，GNSS靜態(tài)測量實驗室精度為水平： ± (2.5 +1× 10-6× D)mm，垂直： ± (5 + 1× 10-6× D)mm，數(shù)據(jù)更新率，1Hz、 5Hz、20Hz。實際安裝過程中，根據(jù)多年的現(xiàn)場安裝經(jīng)驗，受到施工現(xiàn)場各種客觀因素的影響，GNSS監(jiān)測的精度基本在厘米級，定位輸出頻率也難以實現(xiàn)規(guī)范中動位移監(jiān)測的頻率要求達到20赫茲。

尤其是橋梁健康監(jiān)測行業(yè)正在朝著輕量化、重實時報警、中小跨徑橋梁覆蓋等方向發(fā)展。中小跨徑橋梁撓度變化是小于毫米級別，并要求進行動態(tài)撓度監(jiān)測，撓度超閾值后還需要聯(lián)動報警抓拍。所以我們在實際項目中，使用GNSS進行主梁豎向位移監(jiān)測無論是從精度、頻率、行業(yè)趨勢等方面來說還是從現(xiàn)場安裝工藝、成本、施工可行性方面都存在一定的不適用性。

壓差變送器簡單介紹

壓差變送器是通過連通管內(nèi)液體的壓力差來監(jiān)測結(jié)構(gòu)物的豎向位移變化的設(shè)備。常被用于橋梁撓度的長期自動化監(jiān)測，由其特性決定此類設(shè)備無法實現(xiàn)動撓度監(jiān)測。此類設(shè)備在環(huán)境溫度相對平穩(wěn)、安裝位置相對靜止沒有車輛載荷沖擊導(dǎo)致的劇烈振動、連通管距離較小、安裝環(huán)境高差不大的情況下尚可使用。

在實際應(yīng)用中，難以適應(yīng)橋梁環(huán)境陽光直曬溫差大、重車沖擊振動強等狀況。實際數(shù)據(jù)誤差較大。具體實驗室參數(shù)如下

優(yōu)點：

原理簡單，設(shè)備成本較低；可實現(xiàn)自動化測量。

不足：

● 需要部署水管、氣管、水箱、閥門、基準(zhǔn)點等部件安裝布設(shè)繁瑣；

● 連通管系統(tǒng)需要定期補充液體維護繁瑣；

● 水管中有氣泡時，氣泡接觸壓力傳感器后，監(jiān)測誤差較大；

● 連通管受環(huán)境溫度影響非常大，溫差導(dǎo)致的誤差，無法滿足監(jiān)測規(guī)范要求；

● 當(dāng)液體連通管距離較長、高差較大、轉(zhuǎn)彎角較多時測量數(shù)據(jù)誤差較大；

● 不太適用于跨徑大、縱坡較大的橋梁；

● 當(dāng)測量環(huán)境振動較大時，測量誤差較大；

● 受連通管內(nèi)液體響應(yīng)時間限制，只能用于低頻靜撓度監(jiān)測；

● 無法進行動態(tài)高精度撓度監(jiān)測；

● 在箱梁內(nèi)安裝時，監(jiān)測撓度為墩柱頂部與主梁各測點的相對豎向位移。

適用場景：

適用于一些對測量精度要求不高、監(jiān)測環(huán)境溫度變化較小、跨徑較小、縱坡較緩、安裝環(huán)境振動小的橋梁，如城市中的小型景觀橋、小型互通立交匝道橋等的靜撓度長期監(jiān)測。

單個產(chǎn)品在實驗室環(huán)境下的監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差可達到0.2毫米或更優(yōu)，但是實際安裝現(xiàn)場的系統(tǒng)精度往往難以令人滿意。一旦發(fā)現(xiàn)誤差較大時，數(shù)據(jù)驗證非常困難、維修難度、維修成本非常大，難以滿足用戶驗收要求。

創(chuàng)新應(yīng)用LVDT動撓度儀

如何克服GNSS、壓差變送器等設(shè)備的不足之處，并且能夠滿足動態(tài)撓度監(jiān)測的項目需求。我們結(jié)合項目實際情況并與行業(yè)內(nèi)的專家進行了求教，經(jīng)過大量的溝通，LVDT位移傳感器成為我們研究的的對象。

橋梁行業(yè)的橋型規(guī)范中分為四種：懸索橋、斜拉橋、梁橋、拱橋。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，因為監(jiān)測精度不同、采集頻率不同、橋型不同、現(xiàn)場施工環(huán)境不同、業(yè)主監(jiān)測功能要求完全不同，不同項目中采用的撓度監(jiān)測方法也不盡相同。

我們采用LVDT位移傳感器進行動撓度監(jiān)測，聚焦在對梁橋進行撓度監(jiān)測。梁橋按承重結(jié)構(gòu)的靜力體系劃分，可分為簡支梁橋、懸臂梁橋、連續(xù)梁橋。這些橋型在單跨120跨徑以內(nèi)，都可以使用我們研發(fā)的LVDT動撓度儀進行主梁豎向位移監(jiān)測。其實驗室精度高達0.01毫米，系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測精度達到0.1毫米，監(jiān)測頻率20赫茲，分辨率高達1μm。該LVDT動撓度儀基于磁感應(yīng)原理，監(jiān)測數(shù)據(jù)基本不受室外溫度變化影響。因為此設(shè)備實時性高、監(jiān)測數(shù)據(jù)分辨率高、誤差小，常與高清攝像機聯(lián)動，可實現(xiàn)重車過境撓度實時監(jiān)測和重車視頻抓拍功能。LVDT動撓度儀出色的功能和數(shù)據(jù)表現(xiàn)，在眾多撓度監(jiān)測技術(shù)方案中成為最優(yōu)秀的解決方案之一，非常令用戶滿意，完全高于規(guī)范精度及采集頻率要求。

LVDT動撓度監(jiān)測儀系統(tǒng)組成

具體參數(shù)：

安裝示意圖：

LVDT動撓度儀是實時監(jiān)測橋梁動撓度的裝置。具有有高穩(wěn)定性、采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、施工簡單、易操作等特點。適用于橋下空間或箱梁橋內(nèi)，橋梁跨徑范圍為50～120米。

實際工程曲線展示

數(shù)據(jù)解讀：

1.測量精度高?
系統(tǒng)采用24位數(shù)據(jù)A/D,采樣精度較高。撓度重復(fù)精度可達0.01毫米。?

2.動態(tài)響應(yīng)準(zhǔn)確??
動撓度曲線真實反映橋梁在荷載作用下的瞬態(tài)響應(yīng)特性，曲線形態(tài)完全符合橋梁力學(xué)特性。?

3.數(shù)據(jù)完整性強???
曲線無數(shù)據(jù)缺失，完整率100%。?

4.動態(tài)歸零算法????
軟件平臺具備VOE動態(tài)歸零算法，確保有效擬合載荷及結(jié)構(gòu)響應(yīng)工況。?

5.抗環(huán)境干擾能力強?????
本系統(tǒng)采用LVDT原理，溫漂小，不受環(huán)境溫差變化影響。
系統(tǒng)選取2毫米直徑不銹鋼鋼絲，張拉數(shù)據(jù)多次試驗，系統(tǒng)不受風(fēng)致影響。
另外，在野外安裝時，未發(fā)現(xiàn)鳥類對系統(tǒng)的影響。

6.適用性?????
本系統(tǒng)適用于單跨120米以內(nèi)的橋梁。安裝現(xiàn)場需通視，鋼絲張拉沒有障礙物遮擋。

安裝方法

安裝前準(zhǔn)備

材料準(zhǔn)備：

確認(rèn)所有材料及配件符合規(guī)格要求，每套裝置含：恒力彈簧裝置、鋼絲拉力裝置、LVDT傳感器及其他所需支架和輔料。

安裝支架及輔料明細如下：

工具準(zhǔn)備：

確保所有安裝工具齊全，包括激光水平儀、切割工具、扳手、測量工具等。

安全準(zhǔn)備：

準(zhǔn)備必要的安全設(shè)備，如安全帽、安全帶、手套等。

安裝步驟

位置測量：

1.采用激光水平儀測量出監(jiān)測點的位置，在橋跨中1/2位置選定安放水平儀支架。

2.調(diào)整水平儀，確保水平端點指示點正常，水平儀距橋梁頂板保持1米左右。

標(biāo)記安裝點：

1.打開水平儀開關(guān)，選定水平線可得到安裝點的水平位置，用記號筆標(biāo)注安裝點。

2.轉(zhuǎn)動水平儀設(shè)備，可看到橋另一端安裝點的位置，用記號筆標(biāo)注安裝點。

打孔與固定：

1.用設(shè)備安裝樣板根據(jù)水平線居中畫出設(shè)備安裝孔，根據(jù)拉力要求選擇合適的脹栓，配好電錘錘頭，開始打安裝孔，每個設(shè)備安裝點位不低于4個固定點。

2.打好安裝孔后，植入膨脹螺栓，把設(shè)備安裝上去，用電動風(fēng)炮擰緊，保證無松動。震動量大的地方，安裝2個螺母以防松動脫落。

鋼絲安裝：

1.兩端裝置都安裝完成后，開始張拉鋼絲。先固定彈簧裝置一端，給設(shè)備固定環(huán)上增加固定鋼絲專用的雞心環(huán)，防止死結(jié)導(dǎo)致鋼絲折斷。

2.將鋼絲穿入雞心環(huán)，用專用鋼絲卡扣固定，鋼絲來回多折幾圈卡入鋼絲卡扣，擰緊螺母確保無松動。

3.按要求轉(zhuǎn)動拉力絞盤，觀察彈簧拉力裝置設(shè)備上的刻度，轉(zhuǎn)動至刻度5（240kg）的位置，再去檢查橋梁跨中鋼絲拉緊力度，如未達到拉緊效果，可適當(dāng)再搖動轉(zhuǎn)盤至刻度6（260kg），但不宜超過極限值（300kg）以防止鋼絲斷裂。

LVDT固定支架安裝：

1.鋼絲拉緊后，根據(jù)鋼絲拉緊位置橫向偏移100~150mm，畫出測點安裝位置，準(zhǔn)備安裝型鋼底座。

2.取出型鋼底座放置橋梁頂部位置，選好方向確保垂直，畫出安裝點位準(zhǔn)備打孔安裝LVDT型鋼固定支架。

3.型鋼底座通過膨脹螺栓固定在橋梁混凝土面，安裝完成后，用盒尺測量鋼絲到頂部型鋼底座的長度，減去100～150mm裁切對應(yīng)長度的型鋼，通過塑翼螺母與螺栓將型鋼與底座固定。

4.為保證型鋼的垂直穩(wěn)定性，需增加1個斜支撐，通過45度連接件將型鋼組裝成斜拉件,分別固定在橋梁混凝土面和垂直型鋼約1/4處，安裝完成后用水平尺測量，確保型鋼垂直。

LVDT傳感器固定：

1.在支架上安裝兩個管束，通過管束將LVDT設(shè)備固定，再調(diào)整垂直與水平距離。水平距離通過管束背部通絲來調(diào)整，并確保鋼絲在LVDT設(shè)備吊環(huán)內(nèi)自由活動。

電氣連接：

1.設(shè)備安裝完成后，按照下圖所示連接電源線和設(shè)備線連接情況，將電流轉(zhuǎn)電壓模塊紅色接+輸入3，黑色接輸入4-。5+接采集儀+，6接采集儀-。7接DC24V+，8接DC24V-。

2.線纜對接根據(jù)廠家設(shè)備定義為準(zhǔn)，接線完成后，另一端接動態(tài)采集儀,準(zhǔn)備動態(tài)數(shù)據(jù)采集。

設(shè)備調(diào)試：

打開筆記本動態(tài)數(shù)據(jù)采集軟件，首先設(shè)置動態(tài)采集儀IP地址與電腦同一網(wǎng)段，例如：192.168.1.156，鏈接后觀察電腦數(shù)據(jù)變化，即可采集得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。以下為采集數(shù)據(jù)示意圖：