基于ZigBee的貝雷橋變形監測研究

鐘勝華，何 鳳 ，鄧樹密

(1. 成都交投智慧停車產業發展有限公司，四川成都 610042； 2.中國水利水電第十工局有限公司, 四川成都 610072)

為保證橋梁運營安全，運營過程中橋梁撓度和橋墩水平位移監測至關重要。傳統意義上的工程變形監測通常采用水準儀、全站儀、激光撓度儀等方法人工操作，費時費力，并且數據處理結果在時間上具有一定的滯后性。相關研究表明，基于智能型測量的變形監測系統具有自動化程度高、實用性強、高效、準確、實時等特點。并且，測量人員可以在計算機上開發特定需求的軟件，實現對工程變形體的自動變形監測[1-3]。本文結合錦城廣場P+R地下停車場項目2×21 m貝雷梁的自動變形監測工程實例，對基于ZigBee技術傳輸技術、系統組成和實現方法等方面進行了詳細的研究和探討。

1 工程實例

1.1 工程概況

P+R地下停車場項目位于繞城高速以北、錦悅東路以南、天府大道以東、繞城高速天府收費站以西，為地鐵29號線、16號線、18號線換乘綜合樞紐，并以地下通道與地鐵1號線錦城廣場站相連。該橋全長為2×21m=42m，橋面寬為9 m(2.5 m寬人行道+4.0 m寬車行道+2.5 m寬人行道)，由13片加強型貝雷梁組成。橋面分配梁采用I28a工字鋼，間距75 cm。橋面分配梁上方通過縱向10號槽鋼對扣焊接，橫橋向間距25 cm，最上層為1 cm厚花紋鋼板。貝雷梁支撐在下橫梁(雙拼45號工字鋼)上，其中0#、1#采用φ630×10鋼管樁，2#支撐在條形基礎上。橋梁立面見圖1，平面見圖2。

2 監測系統結構

貝雷梁無線監測系統主要利用ZigBee技術，通過使用位移傳感器采集貝雷梁撓度和橋墩的水平位移數據，對貝雷梁進行實時在線監測。貝雷梁無線監測系統主要包括無線傳感器、路由器、協調器、設備、短信報警設備和監測軟件。無線傳感器主要包括LTDV位移傳感器采集撓度和水平位移。無線傳感器設備將采集的數據通過無線射頻模塊發送至路由

圖1 貝雷梁立面

圖2 貝雷梁平面

器，路由器將接收數據轉發至協調器，協調器將接收的數據通過RS232 串口傳輸至GRPS設備，GRPS設備通過ZigBee網絡將數據送至監測軟件中，進行數據顯示，存儲和報警。智能監測系統測點安裝快捷便利，該系統通過無線接收數據，實時監測警報系統做到歷史監測數據可查，操作簡便，功能直觀，提高了工作效率。其功能構成示意圖見圖3。傳感器系統包括：LTDV位移變形測量測量范圍：0～5 cm，分辨力可達0.01 mm，精度為0.01 mm。通信設備包括：通信基站和通信中繼站；軟件系統包括：數據庫軟件和監測軟件。見圖4～圖7。

圖3 貝雷梁變形在線檢測系統構成

3 監測方案

圖4 無線通訊基站設備

圖5 通訊天線、攝像頭 和告警喇叭

圖6 現場主機安裝

圖7 無線通訊基站設備

3.1 監測項目及安裝

監測項目的選取遵循傳感器實時監測的原則，監測內容能覆蓋結構評估的要求。根據以上原則，考慮到支架結構特點并結合支架實際運營狀況，長期監測系統的監測項目見表1。測點布置見圖8。

表1 監測項目

圖8 測點布置

3.2 監測頻率

高支模監測時間為錨桿支護施工開始至錨桿支護完畢。監測頻率為每10 min/次 。

3.3 監測閥值確定

采用Midas Civil建立空間有限元模型，模型中均為梁單元，計算跨徑為21 m，采用加強型貝雷梁(上下弦桿加強)，橋跨為9 m，共13片加強型貝雷梁。橋面通過I28a工字型分配梁與貝雷梁連接。貝雷片通過下層雙拼的I45工字鋼，傳力到鋼管樁上。人群活載通過虛擬梁均布加載于全跨，汽車活載通過分配梁分配到貝雷梁片上。0#、1#支撐在鋼管樁上，并考慮樁土效應，2#支撐在條形基礎上。全橋共6 834個節點，10 527個單元。模型計算中考慮0#、1#及2#處支撐豎桿采用C10槽鋼進行補強，除端部采用標準件進行各片貝雷梁的拼接外，在車行道下側的貝雷梁底部采用C10槽鋼進行橫向聯系的加強。計算中認為橋面分配梁與貝雷片可共同傳力(采用U形螺栓連接)。根據計算要求，貝雷梁橋需通行100 t汽車荷載。Midas整體計算模型見圖9所示，在活載作用下的桿件變形圖見圖10。

圖9 Midas Civil 整體計算模型

(a)變形圖1

(b)變形圖2圖10 活載作用下貝雷梁變形

本文將貝雷梁監測系統進行位移分級、分目標預警，對每一監測方向，采用分級預警方式。一級預警值設立原則為貝雷梁所承受荷載超設計荷載100 %，二級預警值設立原則為鋼管腳手架所承受荷載達到支架極限荷載80 %。根據有限元計算結果，以上臨界荷載值所對應貝雷梁撓度和橋墩的縱向水平位移。應變閥值確定按照構件在活載最不利荷載組合下，撓度為30 mm，水平位移閥值取為2 mm。當監測項目超過其警戒值時，必須迅速停止車輛運行，查明原因后方可繼續運行。

4 監測結果及分析

為了分析貝雷梁撓度和墩頂水平位移，對貝雷梁和橋墩安裝了4個LTDV位移傳感器進行監測?，F場測試軟件顯示如圖11所示。通過連續監測1個月見表2。

圖11 貝雷梁撓度現場測試

通過連續監測貝雷梁撓度，貝雷梁測點應變在一天24 h內(2019-8-19)，在運行條件下的最大撓度25.6 mm，橋墩水平位移為2.92 mm，均小于安全預警值，表明橋梁結構在車輛荷載作用下結構處于正常工作狀態。同時，結合圖9可知，在3個月的監測周期內，撓度和水平位移峰值(最大撓度峰值為39 mm，最大水平位移3.21 mm)超過安全預警值，通過視頻發現，有超載車輛通行橋梁并通過警報器報警后，超載車輛退出橋梁卸載后方能通過橋梁。

表2 位移監測點日峰值列表 mm

5 結論

綜上所述，在貝雷橋的安全風險控制過程中，基于ZigBee技術研發的實時監測警報系統能有效監測位移狀態，該系統成功運用于實際項目中，具有高精度、高效率，且操作簡單，成本可控等優點，值得推廣運用。