高速公路橋墩結構安全監測系統設計與實現

摘　要：以銅湯高速公路上毛塔３號橋為研究對象，設計了基于沉降和傾角兩個監測指標的橋墩安全監測系統，重點分析了沉降監測和傾角監測的原理和實現方法，通過分析比較，選擇合適的傳感器和較優的監測方法。將４Ｇ無線數據傳輸方式應用于橋梁結構安全監測系統中，減少了系統的安裝時間和工程設備投入。

０　引　　言

高速公路橋梁作為國民經濟的基礎設施命脈，保證其安全和長期性能，對于高速公路系統的正常運營具有重要意義。然而，隨著這些已建成橋梁的投入運營使用，加上我國現如今交通運輸急劇增長的發展趨勢，相當一部分橋梁在運營使用十幾年便已經出現了較多的病害問題，尤其是墩柱出現沉降及傾斜等問題，嚴重影響高速公路運行安全，墩柱作為橋梁的重要組成部分，其質量管理和日常運維檢測對橋梁整體的穩定性產生深遠的影響［１］。

本文以銅湯高速公路毛塔３號橋的橋梁高墩為研究對象，采用實證研究法和描述性研究法，深入地探討了高速公路橋梁高墩安全監測系統的設計與實現，以期為高速公路橋梁養護的工作者們提供高墩病害監測方面的參考和幫助。

１　設計背景

銅湯高速公路毛塔３號橋為預應力連續箱梁，跨徑組合為２５×３０ｍ，凈寬１１ｍ，橋梁全長７６０．１ｍ。下部結構為柱式墩（圖１）、樁基礎、Ｕ型臺、擴大基礎。通過對Ｒ３承臺檢測，發現有多條結構性裂紋（圖２），且頂面裂縫均相互貫通并向側面延伸。該病害的擴展有可能會導致Ｒ３墩的傾斜和沉降，存在較大的安全隱患。為保證Ｒ３墩在現階段正常運營時的安全可控，需在運營過程對Ｒ３墩進行實時監測，以保障行車和結構安全。

２　沉降監測和傾角監測設計與實現

對Ｒ３墩安裝橋梁健康實時監測系統，主要監測該墩的沉降及雙向傾斜［２］。

２．１　沉降監測

現有的沉降檢測方法通常有電子水準儀法、全站儀法以及連通管法等。水準儀法和全站儀法需要測試人員在橋面來回走動，對交通安全有較大影響。另外，水準儀法和全站儀很難自動化實時監測，且系統精度不足，因此，水準儀法和全站儀法不滿足本次測試要求。

因此本次沉降監測采用精度高且可實現自動化測試的連通管沉降監測系統，連通管沉降監測系統的優點如下：

（１）傳感器和連通管的布置只需要在橋墩和主梁腹板很小的地方，布設方便；

（２）連通管法測量時使用的傳感器精度較高，能符合本次測量；

（３）連通管測量自動化程度高，只需要在固定點采集信號，不需要人員來回讀數，方便本次測量；

（４）對橋面行車無影響，不存在安全隱患。在Ｒ３墩上兩對角處各布設１個單法蘭差壓變送器，在Ｒ４墩上布設水箱和１個單法蘭差壓變送器作為基準點，水管沿主梁腹板將該３個單法蘭差壓變送器進行連接。若Ｒ３墩發生沉降，則布設在Ｒ３墩上的單法蘭差壓變送器所測水壓值變大，換算可得高于０．１ｍｍ精度的橋墩沉降值［３］。

２．２　橋墩雙向傾角監測

目前通常用于角度測量的傾角傳感器主要有電解質型傾角傳感器、電容型傾角傳感器和力平衡伺服型傾角傳感器，幾種傾角傳感器特性比較詳見表１。

由表１可知，電容型傳感器適合于本次橋墩的監測，因此，擬選用電容式傾角傳感器進行Ｒ３墩雙向傾角監測。在Ｒ３墩頂布設一個雙向電容式傾角傳感器，實現對Ｒ３墩縱向和橫向的傾角監測，另外，通過單法蘭差壓變送器對角布設方式，也可實現Ｒ３墩的傾角監測，作為對傾角傳感器監測的校核。

３　采集傳輸

本項目在線監測系統３個單法蘭差壓變送器、１個雙向傾角儀、１個數據采集模塊、一臺主機。其采集系統連接示意圖如圖３所示。

在線監測系統主要分為傳感器和數據采集部分。撓度傳感器為單法蘭差壓變送器，數據采集和傳輸部分主要由工控主機、ＲＳ２３２－４８５轉換器、數據采集模塊、ＤＴＵ模塊以及屏蔽雙絞線組成［５］。采集系統如圖４所示。數據采集模塊用來響應主機發出的命令，將單法蘭差壓變送器和傾角傳感器傳輸的電流信號轉換為數字信號并將其傳送到主機上。數據采集軟件實現系統數據的處理、存儲、查詢和圖形化顯示功能，根據信號與壓力的線性對應關系，將水位和信號之間建立對應的線性關系，遇到問題可以遠程操作。此外，數據采集軟件還可以實現系統的自檢，報警功能，為人工快速檢修提供高智能的準確信息［６］。

采用自動化監測系統對橋墩安全狀態進行在線監測。監測數據的采集傳輸采用集中控制、無線傳輸的方案。（圖５）現場采集站采集傳感器數據，由無線ＤＴＵ進行數據的轉發，數據通過界面顯示軟件分析后以圖形化的方式展示在網頁上，預警數據可通過短信方式推送給管養部門［７］。

４　監測數據分析

沉降監測數據如圖６～圖９所示，相對應的統計值見表２。

從上述監測數據及統計表可以看出，７月至１１月期間，橋墩工作狀況總體比較平穩。沉降監測數據在０．５ｍｍ范圍內波動，兩相對監測點的沉降數值非常接近，說明橋墩不均勻沉降��；傾角數據在１秒角度范圍內波動�？鄢郎囟扔绊懞�，監測期內未出現較大的沉降或傾斜，也未出現具有明顯趨勢的變化。

５　結束語

本文以銅湯高速公路毛塔３號墩的健康監測系統建設為背景，分析應用中傳感器節點的選型布置及系統的設計，監測了橋墩的沉降和傾角兩個關鍵指標，提出可行的實現方案，將無線網絡傳輸應用于橋梁健康監測系統中，采集的數據實時發送到監測平臺，技術人員定期進行數據挖掘分析［８］。采用無線網絡傳輸橋墩數據，減少了系統的安裝時間和工程設備投入，能夠提高整個系統的經濟效益和工作效率，該系統的建設與功能對高速公路橋墩的健康監測具有一定的參考和借鑒意義。