液-气联动差压连通管式桥梁竖向位移监测方法研究

摘要

本文依托国家重点基础研究发展计划项目“桥梁结构行为演化理论与安全监测方法研究(2012CB723305)”和中铁大桥局股份有限公司科研开发项目“液-气耦合压差式桥梁挠度仪的研制及产品开发(K2009-35)”，针对目前广泛采用的液位连通管式位移测量方法存在的主要问题，提出了测量系统的改进技术，开展了相应的试验研究和理论分析，主要研究工作如下:
　　(1)在分析多种开放式连通管液位获取方法适用性的基础上，根据管内流体的几何、物理及平衡条件，研究了计入液体粘性和两端竖管倾角等多因素的液位连通管内流体动力学特性，探讨了其对位移测量结果的影响规律。
　　(2)针对液位连通管位移测量存在的液体流动造成能量摩阻损失、易受测点处倾角影响、量程的设备尺寸效应以及环境适应性较差的问题，提出将连通管竖管端部封闭一定体积气体的液-气联动差压连通管竖向位移测量方法，开展了多种构造方式下的差压-位移转换原理和位移测量适应性研究;进行了系统软硬件设计，完成了可行性和适用性试验研究，验证了该方法的正确性。
　　(3)自主设计并制作了液-气联动差压连通管竖向位移测量系统动静态性能试验平台，结合有限幅值浅水重力波理论和流体力学理论，研究了被测桥梁主梁三向振动对位移监测系统静动力响应特性的影响规律，提出相应的处理对策。
　　(4)采用理论与试验相结合的方法，分析了位移测量系统的水平管内液体中的气泡、测区海拔及纬度、液体密度、系统温度效应和自然风场对位移监测结果的影响特点，提出了相应的处理方法。
　　(5)针对人为因素导致液面初始高度偏差对测量结果的影响，提出在竖管一定高度对称设置可开闭式溢流口进行液位控制的方法;针对挠度长期监测时基准液位蒸发后自动补偿的问题，提出基准液位自动补偿改进方法;针对大高差结构小变形的高精度自动监测难题，提出对称封闭式液-气联动差压连通管测量方法;开展了相应理论研究和系列试验验证工作。
　　(6)将改进后的液-气联动差压连通管竖向位移测量系统应用于多座大型实体桥梁的短期竖向位移测量和长期挠度监测，并与既有测量方法和设备进行了对比验证。结果表明，本位移测量系统具有较好的准确性和工程环境适应性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 桥梁的安全监测方法

1．1．1 桥梁安全监测的意义

1．1．2 桥梁安全监测系统构成

1．2 主要监测传感原理

1．2．1 环境参数及荷载输入监测

1．2．2 结构动力参数监测

1．2．3 结构静力参数监测

1．3 竖向位移测量研究现状

1．3．1 竖向位移短期测量方法

1．3．2 竖向位移长期监测方法

1．3．3 挠度监测的工程应用

1．4 本文主要研究内容

第二章 液-气联动差压连通管竖向位移测量方法

2．1 既有连通管位移测量方法

2．1．1 液位连通管位移测量

2．1．2 半封闭式连通管位移测量

2．1．3 测点处倾角对测量的影响

2．2 提高连通管位移测量精度的探讨

2．2．1 理论精度分析

2．2．2 连通管内液体的比选

2．2．3 结构位移特性对测量精度的影响

2．3 液-气联动差压连通管竖向位移测量原理

2．3．1 半封闭式差压-位移转换原理

2．3．2 Ⅰ型-封闭式差压-位移转换原理

2．3．3 Ⅱ型-封闭式差压-位移转换原理

2．3．4 Ⅲ型-封闭式差压-位移转换原理

2．4 不同封闭方式及环境下的位移测量适应性

2．4．1 半封闭式系统的适应性

2．4．2 全封闭式系统的适应性

2．4．3 连通管布置方式对位移计算的影响

2．4．4 竖管容许倾角

2．5 本章小结

第三章 振动对液-气联动差压连通管竖向位移测量的影响

3．1 桥梁挠度测量的性能需求

3．1．1 风荷载下的挠度测量需求

3．1．2 结构安全评估的挠度测量要求

3．1．3 移动荷载识别对桥梁挠度测量的要求

3．2 管内液体振荡对液-气联动差压连通管竖向位移测量的影响

3．2．1 横桥向振动的影响

3．2．2 竖桥向振动的影响

3．2．3 顺桥向振动的影响

3．3 振动环境下的连通管内液体压强分布规律

3．3．1 振动环境下的连通管内液体压强分布

3．3．2 液体压强分布求解方法

3．4 液-气联动差压连通管竖向位移测量系统的适用范围

3．5 本章小结

第四章 液-气联动差压连通管竖向位移测量误差分析与修正

4．1 环境温度对测量结果的影响

4．1．1 液体密度的温度相关性

4．1．2 差压传感器的温度效应

4．1．3 半封闭／封闭系统的温度效应

4．1．4 基于数据预压缩-迭代改进核函数的温度补偿

4．2 管内气泡对测量结果的影响

4．2．1 管内气泡的影响机理分析

4．2．2 管内气泡影响的试验研究

4．3 测区重力加速度的影响

4．3．1 测区纬度的影响

4．3．2 测区海拔的影响

4．4 连通管压力-形变效应的影响分析

4．5 本章小结

第五章 液-气联动差压连通管竖向位移监测系统设计与验证

5．1 液-气联动差压连通管竖向位移监测系统设计

5．1．1 系统硬件构成

5．1．2 系统测量算法与程序实现

5．2 系统的准确性与重复性验证

5．2．1 准确性试验

5．2．2 重复性试验

5．3 系统的稳定性验证

5．3．1 温度稳定性试验

5．3．2 外界干扰的影响

5．3．3 “U”型单连通系统稳定性测试

5．3．4 总管并联式系统的各测点相互影响试验

5．4 本章小结

第六章 液-气联动差压连通管在实桥中的应用研究

6．1 竖向位移监测／测量的工程应用概况

6．2 基准液位自动补偿的改进方法

6．2．1 基准液位自动补偿的改进方法

6．2．2 试验验证

6．3 大高差结构的小变形测量方法

6．3．1 实际问题与解决方法

6．3．2 试验验证

6．4 短期竖向位移测量的工程应用

6．4．1 桥梁静载试验挠度测量

6．4．2 基桩承载力试验位移测量

6．4．3 钢混结合段受载变形测量

6．5 长期竖向位移测量的工程应用

6．6 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果