壓力變送器的主梁撓度監測系統性能

摘要: 為研究基于壓力變送器的豎向位移監測系統進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移監測的適用性,以橋梁健康監測中常用的主梁撓度監測系統為對象，采用正弦波位移加載方式,研究影響監測系統位移振幅比的因素,并根據一階系統傳遞函數分析其時(shí)滯常數和幅頻曲線(xiàn)。結果表明:水管長(cháng)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(shí)滯常數隨被測點(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)滯常數可按13.3 s取值;要求振幅比不小于0.95時(shí),頻率不應大于0. 025 Hz。

1引言

豎向位移監測是邊坡滑移[1]、路基和地基沉降[幻]、橋梁主梁線(xiàn)形及撓度[3]等監測系統的主要監測內容,其幅值、時(shí)變特性在不同應用場(chǎng)景中有較大差別,對應的監測方法也各不相同[4-7]。大跨徑橋梁在地基沉降、溫度作用、風(fēng)荷載及運營(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,大跨徑橋梁是檢驗豎向位移監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是豎向位移的監測方法之一,主要用于大跨徑橋梁健康監測系統中對主梁線(xiàn)形及撓度的監測。其原理是利用設置在固定處的水箱提供基準液面，測點(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)壓力變送器測得水柱高度并換算出測點(diǎn)與基準點(diǎn)的相對高差,從而得到測點(diǎn)的豎向位移。針對監測系統對豎向位移時(shí)變特性的適應性問(wèn)題,鑒于液壓系統的復雜性,目前一般通過(guò)室內試驗進(jìn)行研究。程景揚等[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,連通管壓強與結構振動(dòng)加速度、水管布置縱向傾角正相關(guān)。

相關(guān)研究的試驗模型僅模擬了監測系統的一- 部分，與實(shí)際橋梁中應用的監測系統有較大區別,且對系統的動(dòng)態(tài)特性研究不充分。本文以橋梁健康監測中常用的主梁撓度監測系統為對象進(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.通管豎向位移監測系統的動(dòng)態(tài)特性。

2試驗概況

2.1試驗布置

在臺座上布置水箱,水箱內灌注自來(lái)水,水箱底部設置閥門(mén),出口與水管連接。水管另一端設置閥門(mén),出口與壓力變送器(采用EJA110型號)連接。水箱內液面高度根據所需水柱高度及臺座高度確定,灌水完后靜置24 h排除水管內氣泡。壓力變送器豎向固定于試驗機作動(dòng)器上,隨作動(dòng)器運動(dòng)。壓.力變送器輸出信號采用標準電流電壓信號采集模塊讀取，并傳送給.上位機。試驗布置見(jiàn)圖1,現場(chǎng)試驗見(jiàn)圖2。

2.2試驗 方法

試驗采用正弦波加載,通過(guò)掃頻方式確定系統的大致頻響曲線(xiàn),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)器快速運動(dòng)到指定位移后保持不動(dòng)，用于確定系統誤差及讀數穩定所需時(shí)間;連續加載是指作動(dòng)器以給定的振幅和頻率做正弦運動(dòng)的往復加載,用于確定振幅比(連續加載下壓力變送器輸出振幅與試驗機實(shí)際加載振幅的比值)。同一加載步驟內各頻率依次、不間斷加載,并確保每個(gè)頻率有足夠的加載時(shí)間。

2.3試驗工況

針對水管長(cháng)度、水管材質(zhì)、水柱高度、位移幅值等因素,設計多個(gè)試驗工況,測試不同加載頻率下位移監測系統的響應，確定影響監測系統動(dòng)態(tài)特性的主要因素,并進(jìn)一步研究位移監測系統的幅頻曲線(xiàn)、時(shí)滯常數等關(guān)鍵動(dòng)態(tài)特性參數。

(1)水管長(cháng)度影響對比試驗。水管采用內徑16mm.的PVC透明軟管,長(cháng)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(cháng)度為5 m,內徑為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(cháng)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(cháng)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(cháng)度對振幅比的影響

水管長(cháng)度對振幅比的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知:同一加載頻率下水管不同長(cháng)度時(shí)的位移振幅比基本一致;隨著(zhù)加載頻率的提高，振幅比均逐漸減小。說(shuō)明水管長(cháng)度對振幅比測試結果的影響較小。實(shí)橋監測系統中與同一水箱連接的豎向位移測點(diǎn)一般有多個(gè)，該試驗結果說(shuō)明各測點(diǎn)的振幅比受距離水箱遠近的影響較小。

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(jiàn)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(zhù)加載頻率的提高,振幅比均逐漸減小。說(shuō)明水管材質(zhì)對振幅比測試結果的影響較小。實(shí)橋監測系統中一般采用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(jiàn)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(zhù)加載頻率的提高,振幅比均逐漸減小。說(shuō)明水柱高度對振幅比測試結果的影響較小。實(shí)橋縱坡會(huì )導致各測點(diǎn)的水柱高度不一致，該試驗結果說(shuō)明各測點(diǎn)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(jiàn)圖6。由圖6可知:不同位移幅值下振幅比基本一致,說(shuō)明位移幅值對振幅比的影響較小。

綜合以上分析可知,水管長(cháng)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(dòng)態(tài)特性參數分析

試驗機正弦運動(dòng)輸入x(t)與位移監測系統輸出y(t)之間的關(guān)系用一階系統模型表示,其傳遞函數為:

式中,F(if)為振幅比;f為加載頻率;τ為時(shí)滯常數。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(shí)滯常數。時(shí)滯常數隨加載頻率變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。由圖7可知:時(shí)滯常數隨加載頻率的增大而增大,頻率小于0.4 Hz時(shí)，時(shí)滯常數緩慢增大;頻率大于0.4 Hz時(shí)，時(shí)滯常數迅速增大。加載頻率為0.01 Hz 時(shí)，時(shí)滯常數為12.1 s,滿(mǎn)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)滯常數為59. 6 s,滿(mǎn)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)滯常數平均值為13.3 s。 據此計算各加載頻率對應的振幅比,并與實(shí)測振幅比進(jìn)行對比。實(shí)測幅頻曲線(xiàn)與計算幅頻曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。由圖8可知:加載頻率小于0.2Hz時(shí)，振幅比的實(shí)測值與計算值吻合較好;加載頻率大于0.2 Hz時(shí),振幅比的實(shí)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,加載頻率應不大于0. 025 Hz。

5結論

本文以橋梁健康監測系統中常用的基于壓力變送器的封閉式連通管豎向位移監測系統為對象,通過(guò)正弦波加載試驗研究該監測系統的動(dòng)態(tài)特性,主要結論如下:

(1)水管長(cháng)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(shí)滯常數隨被測豎向位移動(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)測值與計算值吻合較好;加載頻率大于0.2 Hz時(shí),振幅比的實(shí)測值比計算值偏小。要求位移振幅比不小于0.95時(shí),頻率不應大于0. 025 Hz。