基于伺服式倾角仪的桥梁挠度和转角监测技术的研究

何先龙

（中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080）

（作者电子信箱：何先龙：hxl4128＠163．com）

由于塌桥事故的不断出现，各国对桥梁健康监测逐步重视起来。桥梁挠度和转角是桥梁常规检测和健康监测的重要内容，是桥梁健康状态评估的重要指标。虽然现在存在多种测试桥梁动挠度的设备，但是都无法用来长期在线监测一些桥梁的动挠度，特别是横跨较宽江面或深峡谷的大跨度桥梁的动挠度。目前由于没有成熟的、高精度的转角仪器可测试梁端转角，主要是基于测试出的挠度来换算出梁端转角，存在较大误差。在此背景下，本论文研究基于伺服式倾角仪来实现在线同时监测桥梁的动挠度和梁端转角。为此本文主要做了以下几个方面的工作：

（1）分析了基于倾角仪监测桥梁动挠度和梁端转角的可行性。本文对各种桥梁挠度和梁端转角测试技术从原理上进行了分析，指出了各种方法的不足与优势。基于倾角仪测试挠度的方法从原理上看，相比其他方法，可以同时测试挠度和转角，且不需要静态的参考点和安装方便等优点，可用于对桥梁的动挠度和梁端转角进行长期在线监测。

（2）建立了由转角计算梁式桥梁挠度的数学模型，分析了倾角仪的优化布置。基于倾角仪测试挠度的方法是一种间接测试挠度的方法，因此，需要基于所测试桥梁的结构特点，建立相应数学模型来逼近桥梁的挠度曲线函数，然后基于若干测点的转角计算出所测跨的挠度。数学模型能否很好地逼近真实挠度曲线函数直接影响到此方法的测试精度。本文从下面3个准则出发来研究用倾角仪测试梁式桥梁的挠度时，倾角仪的优化布置和数学模型的建立：

（a）使用更少的倾角仪；

（b）重要位置的挠度计算结果误差要小于5%；

（c）基于数学模型计算挠度的计算效率要高，能满足在线计算的要求。

基于以上3条准则，本文通过对一座简支箱梁的有限元分析，提出了采用5台均匀布置的倾角仪和由简单的离散正交多项式函数组构成的数学模型1来测试梁式桥梁的挠度和转角的方法，即采用5台倾角仪分别布置在所测跨的两桥墩附近、L／4、L／2、3L／4处时，以后基于这5个测点的转角由数学模型1计算出所测试跨的挠度曲线。为了检验此方法的可靠性，本文通过对一座预应力混泥土连续箱梁主跨在不同受力情况的挠度和转角的分析，检验了用此方法测试连续箱梁的挠度也是可行的。

（3）建立了由转角计算复杂结构桥梁挠度的数学模型和分析了倾角仪的优化布置。本文基于简单的离散正交正弦和余弦函数建立用于逼近复杂结构桥梁挠度曲线函数的数学模型2，推导了此数学模型的求解方法，然后通过对一座中承式拱桥和一座独塔式斜拉桥的有限元分析，检验了数学模型2的可靠性，分析了倾角仪的优化布置。

（4）综述了小波分析和小波提升分解理论。本文概述了小波分析的基本理论和推导了小波提升分解步骤。由于传统小波分析需要在时域和频域进行大量的计算，无法满足工程上对小波在线分析的需求，而小波提升分解只在时域进行，提高了小波分析的计算效率，可满足对工程测试信号进行小波在线分析的要求。

（5）研究了如何基于小波提升分解从QY倾角仪输出信号里提取出有用的转角信号。QY倾角仪是一种高精度的伺服式倾角仪，但是当动态荷载经过桥梁时，QY倾角仪既能感应到桥梁竖向转角，也能感应到桥梁的纵向振动加速度。因此，需要从QY倾角仪输出信号里消除纵向振动加速度信号，才能得到桥梁的竖向转角信号。本文提出采用小波提升分解技术来实现在线、快速地提取出竖向转角信号。

（6）通过实际桥梁挠度测试的对比实验来检验本文研究结果的可靠性。为了在实际测试中检验本文建立的两个数学模型和转角信号提取方法的可靠性，本文首先基于研究结果开发出实物G01NET桥梁挠度测试和监测系统，然后采用此系统分别做了以下几个实验：

（a）简支梁的静态挠度测试对比实验；

（b）连续铁路桥梁的静态挠度测试对比实验；

（c）预应力混泥土简支箱梁的动态挠度测试对比实验；

（d）预应力混泥土连续箱梁的动态挠度测试对比实验；

（e）下承式拱桥的动态挠度测试实验。

通过以上几个实验，很好地在实际测试中检验了本文研究结果的可靠性，表明了基于本文研究结果所开发的实物G01NET桥梁挠度测试和监测系统可用于实际挠度和转角的测试或监测中。