壓力變送器的主梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)性能

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

1引言

豎向位移監(jiān)測是邊坡滑移[1]、路基和地基沉降[幻]、橋梁主梁線形及撓度[3]等監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測內(nèi)容,其幅值、時變特性在不同應(yīng)用場景中有較大差別,對應(yīng)的監(jiān)測方法也各不相同[4-7]。大跨徑橋梁在地基沉降、溫度作用、風(fēng)荷載及運營活載等因素作用下的主梁豎向位移具有明顯的時變特性和大幅值。因此,大跨徑橋梁是檢驗豎向位移監(jiān)測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)測方法之一,主要用于大跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中對主梁線形及撓度的監(jiān)測。其原理是利用設(shè)置在固定處的水箱提供基準(zhǔn)液面，測點處安裝壓力變送器,水箱與壓力變送器之間用水管連接,通過壓力變送器測得水柱高度并換算出測點與基準(zhǔn)點的相對高差,從而得到測點的豎向位移。針對監(jiān)測系統(tǒng)對豎向位移時變特性的適應(yīng)性問題,鑒于液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性,目前一般通過室內(nèi)試驗進(jìn)行研究。程景揚等[8]通過激振使鋼質(zhì)水管發(fā)生振動(壓力變送器靜止),研究水管振動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)振動加速度、水管布置縱向傾角正相關(guān)。

相關(guān)研究的試驗?zāi)Ｐ蛢H模擬了監(jiān)測系統(tǒng)的一- 部分，與實際橋梁中應(yīng)用的監(jiān)測系統(tǒng)有較大區(qū)別,且對系統(tǒng)的動態(tài)特性研究不充分。本文以橋梁健康監(jiān)測中常用的主梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)為對象進(jìn)行試驗,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)測系統(tǒng)的動態(tài)特性。

2試驗概況

2.1試驗布置

在臺座上布置水箱,水箱內(nèi)灌注自來水,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)連接。水箱內(nèi)液面高度根據(jù)所需水柱高度及臺座高度確定,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機(jī)作動器上,隨作動器運動。壓.力變送器輸出信號采用標(biāo)準(zhǔn)電流電壓信號采集模塊讀取，并傳送給.上位機(jī)。試驗布置見圖1,現(xiàn)場試驗見圖2。

2.2試驗 方法

試驗采用正弦波加載,通過掃頻方式確定系統(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,單次加載是指作動器快速運動到指定位移后保持不動，用于確定系統(tǒng)誤差及讀數(shù)穩(wěn)定所需時間;連續(xù)加載是指作動器以給定的振幅和頻率做正弦運動的往復(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機(jī)實際加載振幅的比值)。同一加載步驟內(nèi)各頻率依次、不間斷加載,并確保每個頻率有足夠的加載時間。

2.3試驗工況

針對水管長度、水管材質(zhì)、水柱高度、位移幅值等因素,設(shè)計多個試驗工況,測試不同加載頻率下位移監(jiān)測系統(tǒng)的響應(yīng)，確定影響監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)特性的主要因素,并進(jìn)一步研究位移監(jiān)測系統(tǒng)的幅頻曲線、時滯常數(shù)等關(guān)鍵動態(tài)特性參數(shù)。

(1)水管長度影響對比試驗。水管采用內(nèi)徑16mm.的PVC透明軟管,長度分別取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)影響對比試驗。水管分別采用PVC透明軟管.PE硬管、鐵管,長度為5 m,內(nèi)徑為16mm。加載頻率0. 01~0.5 Hz,加載振幅70 mm。

(3)水柱高度影響對比試驗。水管采用PVC透明軟管,長度為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)位移幅值影響對比試驗。水管采用PVC透明軟管,長度為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水管長度對振幅比的影響

水管長度對振幅比的影響見圖3。由圖3可知:同一加載頻率下水管不同長度時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。說明水管長度對振幅比測試結(jié)果的影響較小。實橋監(jiān)測系統(tǒng)中與同一水箱連接的豎向位移測點一般有多個，該試驗結(jié)果說明各測點的振幅比受距離水箱遠(yuǎn)近的影響較小。

3.2水管材質(zhì)對振幅比的影響

水管材質(zhì)對振幅比的影響見圖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。說明水管材質(zhì)對振幅比測試結(jié)果的影響較小。實橋監(jiān)測系統(tǒng)中一般采用PE硬管。

3.3水柱高度對振幅比的影響

水柱高度對振幅比的影響見圖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。說明水柱高度對振幅比測試結(jié)果的影響較小。實橋縱坡會導(dǎo)致各測點的水柱高度不一致，該試驗結(jié)果說明各測點的振幅比受橋梁縱坡的影響較小。

3.4位移幅值對振幅比 的影響

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

綜合以上分析可知,水管長度、水管材質(zhì)、水柱高度、位移幅值等因素對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動態(tài)特性參數(shù)分析

試驗機(jī)正弦運動輸入x(t)與位移監(jiān)測系統(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為時滯常數(shù)。將式(1)按照幅值與相位差方式表示為:

此時振幅減少到1/fτ倍,相位角落后π/2。

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

加載頻率小于0.2 Hz時,時滯常數(shù)平均值為13.3 s。 據(jù)此計算各加載頻率對應(yīng)的振幅比,并與實測振幅比進(jìn)行對比。實測幅頻曲線與計算幅頻曲線見圖8。由圖8可知:加載頻率小于0.2Hz時，振幅比的實測值與計算值吻合較好;加載頻率大于0.2 Hz時,振幅比的實測值比計算值偏小,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)測系統(tǒng)為對象,通過正弦波加載試驗研究該監(jiān)測系統(tǒng)的動態(tài)特性,主要結(jié)論如下:

(1)水管長度、水管材質(zhì)、水柱高度、位移幅值等因素對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)時滯常數(shù)隨被測豎向位移動態(tài)頻率的增大而增大,頻率小于0.2 Hz時可按13.3 s考慮。

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