高速公路桥墩结构安全监测系统设计与实现

摘　要：以铜汤高速公路上毛塔３号桥为研究对象，设计了基于沉降和倾角两个监测指标的桥墩安全监测系统，重点分析了沉降监测和倾角监测的原理和实现方法，通过分析比较，选择合适的传感器和较优的监测方法。将４Ｇ无线数据传输方式应用于桥梁结构安全监测系统中，减少了系统的安装时间和工程设备投入。

０　引　　言

高速公路桥梁作为国民经济的基础设施命脉，保证其安全和长期性能，对于高速公路系统的正常运营具有重要意义。然而，随着这些已建成桥梁的投入运营使用，加上我国现如今交通运输急剧增长的发展趋势，相当一部分桥梁在运营使用十几年便已经出现了较多的病害问题，尤其是墩柱出现沉降及倾斜等问题，严重影响高速公路运行安全，墩柱作为桥梁的重要组成部分，其质量管理和日常运维检测对桥梁整体的稳定性产生深远的影响［１］。

本文以铜汤高速公路毛塔３号桥的桥梁高墩为研究对象，采用实证研究法和描述性研究法，深入地探讨了高速公路桥梁高墩安全监测系统的设计与实现，以期为高速公路桥梁养护的工作者们提供高墩病害监测方面的参考和帮助。

１　设计背景

铜汤高速公路毛塔３号桥为预应力连续箱梁，跨径组合为２５×３０ｍ，净宽１１ｍ，桥梁全长７６０．１ｍ。下部结构为柱式墩（图１）、桩基础、Ｕ型台、扩大基础。通过对Ｒ３承台检测，发现有多条结构性裂纹（图２），且顶面裂缝均相互贯通并向侧面延伸。该病害的扩展有可能会导致Ｒ３墩的倾斜和沉降，存在较大的安全隐患。为保证Ｒ３墩在现阶段正常运营时的安全可控，需在运营过程对Ｒ３墩进行实时监测，以保障行车和结构安全。

２　沉降监测和倾角监测设计与实现

对Ｒ３墩安装桥梁健康实时监测系统，主要监测该墩的沉降及双向倾斜［２］。

２．１　沉降监测

现有的沉降检测方法通常有电子水准仪法、全站仪法以及连通管法等。水准仪法和全站仪法需要测试人员在桥面来回走动，对交通安全有较大影响。另外，水准仪法和全站仪很难自动化实时监测，且系统精度不足，因此，水准仪法和全站仪法不满足本次测试要求。

因此本次沉降监测采用精度高且可实现自动化测试的连通管沉降监测系统，连通管沉降监测系统的优点如下：

（１）传感器和连通管的布置只需要在桥墩和主梁腹板很小的地方，布设方便；

（２）连通管法测量时使用的传感器精度较高，能符合本次测量；

（３）连通管测量自动化程度高，只需要在固定点采集信号，不需要人员来回读数，方便本次测量；

（４）对桥面行车无影响，不存在安全隐患。在Ｒ３墩上两对角处各布设１个单法兰差压变送器，在Ｒ４墩上布设水箱和１个单法兰差压变送器作为基准点，水管沿主梁腹板将该３个单法兰差压变送器进行连接。若Ｒ３墩发生沉降，则布设在Ｒ３墩上的单法兰差压变送器所测水压值变大，换算可得高于０．１ｍｍ精度的桥墩沉降值［３］。

２．２　桥墩双向倾角监测

目前通常用于角度测量的倾角传感器主要有电解质型倾角传感器、电容型倾角传感器和力平衡伺服型倾角传感器，几种倾角传感器特性比较详见表１。

由表１可知，电容型传感器适合于本次桥墩的监测，因此，拟选用电容式倾角传感器进行Ｒ３墩双向倾角监测。在Ｒ３墩顶布设一个双向电容式倾角传感器，实现对Ｒ３墩纵向和横向的倾角监测，另外，通过单法兰差压变送器对角布设方式，也可实现Ｒ３墩的倾角监测，作为对倾角传感器监测的校核。

３　采集传输

本项目在线监测系统３个单法兰差压变送器、１个双向倾角仪、１个数据采集模块、一台主机。其采集系统连接示意图如图３所示。

在线监测系统主要分为传感器和数据采集部分。挠度传感器为单法兰差压变送器，数据采集和传输部分主要由工控主机、ＲＳ２３２－４８５转换器、数据采集模块、ＤＴＵ模块以及屏蔽双绞线组成［５］。采集系统如图４所示。数据采集模块用来响应主机发出的命令，将单法兰差压变送器和倾角传感器传输的电流信号转换为数字信号并将其传送到主机上。数据采集软件实现系统数据的处理、存储、查询和图形化显示功能，根据信号与压力的线性对应关系，将水位和信号之间建立对应的线性关系，遇到问题可以远程操作。此外，数据采集软件还可以实现系统的自检，报警功能，为人工快速检修提供高智能的准确信息［６］。

采用自动化监测系统对桥墩安全状态进行在线监测。监测数据的采集传输采用集中控制、无线传输的方案。（图５）现场采集站采集传感器数据，由无线ＤＴＵ进行数据的转发，数据通过界面显示软件分析后以图形化的方式展示在网页上，预警数据可通过短信方式推送给管养部门［７］。

４　监测数据分析

沉降监测数据如图６～图９所示，相对应的统计值见表２。

从上述监测数据及统计表可以看出，７月至１１月期间，桥墩工作状况总体比较平稳。沉降监测数据在０．５ｍｍ范围内波动，两相对监测点的沉降数值非常接近，说明桥墩不均匀沉降小；倾角数据在１秒角度范围内波动。扣除温度影响后，监测期内未出现较大的沉降或倾斜，也未出现具有明显趋势的变化。

５　结束语

本文以铜汤高速公路毛塔３号墩的健康监测系统建设为背景，分析应用中传感器节点的选型布置及系统的设计，监测了桥墩的沉降和倾角两个关键指标，提出可行的实现方案，将无线网络传输应用于桥梁健康监测系统中，采集的数据实时发送到监测平台，技术人员定期进行数据挖掘分析［８］。采用无线网络传输桥墩数据，减少了系统的安装时间和工程设备投入，能够提高整个系统的经济效益和工作效率，该系统的建设与功能对高速公路桥墩的健康监测具有一定的参考和借鉴意义。