压力变送器的主梁挠度监测系统性能

摘要: 为研究基于压力变送器的竖向位移监测系统进行动态位移监测的适用性,以桥梁健康监测中常用的主梁挠度监测系统为对象，采用正弦波位移加载方式,研究影响监测系统位移振幅比的因素,并根据一阶系统传递函数分析其时滞常数和幅频曲线。结果表明:水管长度、水管材质、水柱高度、位移幅值对位移振幅比的影响很小,加载频率是主要影响因素;时滞常数随被测点竖向位移动态频率的增大而增大,频率不大于0.2 Hz时,时滞常数可按13.3 s取值;要求振幅比不小于0.95时,频率不应大于0. 025 Hz。

1引言

竖向位移监测是边坡滑移[1]、路基和地基沉降[幻]、桥梁主梁线形及挠度[3]等监测系统的主要监测内容,其幅值、时变特性在不同应用场景中有较大差别,对应的监测方法也各不相同[4-7]。大跨径桥梁在地基沉降、温度作用、风荷载及运营活载等因素作用下的主梁竖向位移具有明显的时变特性和大幅值。因此,大跨径桥梁是检验竖向位移监测方法有效性的重要领域。

基于压力变送器的封闭式连通管系统是竖向位移的监测方法之一,主要用于大跨径桥梁健康监测系统中对主梁线形及挠度的监测。其原理是利用设置在固定处的水箱提供基准液面，测点处安装压力变送器,水箱与压力变送器之间用水管连接,通过压力变送器测得水柱高度并换算出测点与基准点的相对高差,从而得到测点的竖向位移。针对监测系统对竖向位移时变特性的适应性问题,鉴于液压系统的复杂性,目前一般通过室内试验进行研究。程景扬等[8]通过激振使钢质水管发生振动(压力变送器静止),研究水管振动加速度与压力变送器压差的关系发现,连通管压强与结构振动加速度、水管布置纵向倾角正相关。

相关研究的试验模型仅模拟了监测系统的一- 部分，与实际桥梁中应用的监测系统有较大区别,且对系统的动态特性研究不充分。本文以桥梁健康监测中常用的主梁挠度监测系统为对象进行试验,采用正弦波位移加载,研究基于压力变送器的封闭式连.通管竖向位移监测系统的动态特性。

2试验概况

2.1试验布置

在台座上布置水箱,水箱内灌注自来水,水箱底部设置阀门,出口与水管连接。水管另一端设置阀门,出口与压力变送器(采用EJA110型号)连接。水箱内液面高度根据所需水柱高度及台座高度确定,灌水完后静置24 h排除水管内气泡。压力变送器竖向固定于试验机作动器上,随作动器运动。压.力变送器输出信号采用标准电流电压信号采集模块读取，并传送给.上位机。试验布置见图1,现场试验见图2。

2.2试验 方法

试验采用正弦波加载,通过扫频方式确定系统的大致频响曲线,加载频率为0.01~0.5 Hz,加载振幅为30~ 70 mm。每一加载步骤总体按照单次加载、连续加载、单次加载的顺序进行。其中,单次加载是指作动器快速运动到指定位移后保持不动，用于确定系统误差及读数稳定所需时间;连续加载是指作动器以给定的振幅和频率做正弦运动的往复加载,用于确定振幅比(连续加载下压力变送器输出振幅与试验机实际加载振幅的比值)。同一加载步骤内各频率依次、不间断加载,并确保每个频率有足够的加载时间。

2.3试验工况

针对水管长度、水管材质、水柱高度、位移幅值等因素,设计多个试验工况,测试不同加载频率下位移监测系统的响应，确定影响监测系统动态特性的主要因素,并进一步研究位移监测系统的幅频曲线、时滞常数等关键动态特性参数。

(1)水管长度影响对比试验。水管采用内径16mm.的PVC透明软管,长度分别取200, 100,50,5m。加载频率0.01~0.5 Hz,加载振幅70 mm。

(2)水管材质影响对比试验。水管分别采用PVC透明软管.PE硬管、铁管,长度为5 m,内径为16mm。加载频率0. 01~0.5 Hz,加载振幅70 mm。

(3)水柱高度影响对比试验。水管采用PVC透明软管,长度为10 m,水柱高度分别取0.3,3. 26.2 m。加载频率0.01~0.5 Hz,加载振幅70 mm。

(4)位移幅值影响对比试验。水管采用PVC透明软管,长度为10 m,水柱高度为6.2 m。加载频率0.1 Hz, 加载振幅分别70,50,40,30 mm。

3位移振幅比影响因素分析.

3.1水管长度对振幅比的影响

水管长度对振幅比的影响见图3。由图3可知:同一加载频率下水管不同长度时的位移振幅比基本一致;随着加载频率的提高，振幅比均逐渐减小。说明水管长度对振幅比测试结果的影响较小。实桥监测系统中与同一水箱连接的竖向位移测点一般有多个，该试验结果说明各测点的振幅比受距离水箱远近的影响较小。

3.2水管材质对振幅比的影响

水管材质对振幅比的影响见图4。由图4可知:同一加载频率下不同水管材质下的振幅比相差不大;随着加载频率的提高,振幅比均逐渐减小。说明水管材质对振幅比测试结果的影响较小。实桥监测系统中一般采用PE硬管。

3.3水柱高度对振幅比的影响

水柱高度对振幅比的影响见图5。由图5可知:同一加载频率下不同水柱高度时的振幅比基本一致;随着加载频率的提高,振幅比均逐渐减小。说明水柱高度对振幅比测试结果的影响较小。实桥纵坡会导致各测点的水柱高度不一致，该试验结果说明各测点的振幅比受桥梁纵坡的影响较小。

3.4位移幅值对振幅比 的影响

位移幅值对振幅比的影响见图6。由图6可知:不同位移幅值下振幅比基本一致,说明位移幅值对振幅比的影响较小。

综合以上分析可知,水管长度、水管材质、水柱高度、位移幅值等因素对位移幅值的影响均较小。影响位移振幅比的主要因素是加载频率。

4动态特性参数分析

试验机正弦运动输入x(t)与位移监测系统输出y(t)之间的关系用一阶系统模型表示,其传递函数为:

式中,F(if)为振幅比;f为加载频率;τ为时滞常数。将式(1)按照幅值与相位差方式表示为:

此时振幅减少到1/fτ倍,相位角落后π/2。

综合上节各试验工况的加载频率与振幅比,代入式(2)的幅值公式中,可求得时滞常数。时滞常数随加载频率变化曲线见图7。由图7可知:时滞常数随加载频率的增大而增大,频率小于0.4 Hz时，时滞常数缓慢增大;频率大于0.4 Hz时，时滞常数迅速增大。加载频率为0.01 Hz 时，时滞常数为12.1 s,满足式(3)条件,此时振幅比约为1;加载频率为0.5 Hz时,时滞常数为59. 6 s,满足式(4)条件,此时振幅比为0. 034,相位角落后约π/2。

加载频率小于0.2 Hz时,时滞常数平均值为13.3 s。 据此计算各加载频率对应的振幅比,并与实测振幅比进行对比。实测幅频曲线与计算幅频曲线见图8。由图8可知:加载频率小于0.2Hz时，振幅比的实测值与计算值吻合较好;加载频率大于0.2 Hz时,振幅比的实测值比计算值偏小,且频率越大两者相差越大。在要求振幅比不小于0.95的条件下,加载频率应不大于0. 025 Hz。

5结论

本文以桥梁健康监测系统中常用的基于压力变送器的封闭式连通管竖向位移监测系统为对象,通过正弦波加载试验研究该监测系统的动态特性,主要结论如下:

(1)水管长度、水管材质、水柱高度、位移幅值等因素对位移振幅比的影响均较小,加载频率是位移振幅比的主要影响因素。

(2)时滞常数随被测竖向位移动态频率的增大而增大,频率小于0.2 Hz时可按13.3 s考虑。

(3)加载频率小于0.2 Hz时,振幅比的实测值与计算值吻合较好;加载频率大于0.2 Hz时,振幅比的实测值比计算值偏小。要求位移振幅比不小于0.95时,频率不应大于0. 025 Hz。