靜力水準(zhǔn)儀自動采集系統(tǒng)檢測鋼梁撓度

（常州市建筑科學(xué)研究院股份有限公司）

[摘要]本文介紹了靜力水準(zhǔn)儀自動采集系統(tǒng)的工作原理，并通過一個鋼結(jié)構(gòu)酒店的鋼梁撓度檢測的工程實(shí)例，對靜力水準(zhǔn)儀自動采集系統(tǒng)的安裝、測量過程及數(shù)據(jù)采集作了說明分析，證明了靜力水準(zhǔn)儀在檢測鋼梁撓度時的可靠性。為類似的工程，在傳統(tǒng)的檢測方法受到限制而無法使用時，利用靜力水準(zhǔn)儀檢測提供經(jīng)驗(yàn)積累。

[關(guān)鍵詞]鋼梁 撓度 靜力水準(zhǔn)儀 自動采集系統(tǒng)

1 前言

靜力水準(zhǔn)儀因?yàn)槟茉谌斯o法測量的環(huán)境中長期的、準(zhǔn)確的自動測得被測構(gòu)體的微小變化，而越來越多的被運(yùn)用到工程中去。目前，靜力水準(zhǔn)儀已被廣泛用于地鐵、隧道等不適宜人工測量的工程中去。

本文將通過一個工程實(shí)例的運(yùn)用，說明靜力水準(zhǔn)儀及自動傳輸系統(tǒng)被用來檢測一個鋼梁撓度，可即方便又準(zhǔn)確實(shí)時的得到測量結(jié)果。以期為類似的工程在無法使用傳統(tǒng)的測量方法進(jìn)行測量時，采用其他方法思路提供經(jīng)驗(yàn)。

2靜力水準(zhǔn)儀工作原理

靜力水準(zhǔn)儀依據(jù)連通管原理的方法，用電容傳感器，測量每個測點(diǎn)容器內(nèi)液面的相對變化，再通過計(jì)算求得各點(diǎn)相對于基點(diǎn)的相對沉陷量。

圖1 靜力水準(zhǔn)儀原理圖

如圖1所示，設(shè)共布設(shè)有n個測點(diǎn)，1號點(diǎn)為相對基準(zhǔn)點(diǎn)，初始狀態(tài)時各測量安裝高程相對與（基準(zhǔn)）參考高程面▽H0間的距離則為：Y01、Y02……Y0i…Yon（i為測點(diǎn)代號I=0，1……n）；各測點(diǎn)安裝高程與液面間的距離則為h01、h02、h0i…h(huán)on則有：

Y01+h01=Y02+h02=…Y0i+h0i=…Yon+hon （1）

當(dāng)發(fā)生不均勻沉陷后，設(shè)各測點(diǎn)安裝高程相對于基準(zhǔn)參考高程面▽H0的變化量為：Δhj1、Δhj2…Δhji…Δhjn （j為測次代號，j=1，2，3……）；各測點(diǎn)容器內(nèi)液面相對于安裝高程的距離為hj1、hj2、…、hji、…、hjn。由圖可得：

（Y01+Δhj1）+hj1

=（Y02+Δhj2）+hj2=（Y0i+Δhji）+hji

=（Y0n+Δhj）+hjn （2）

則j次測量i點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)1的相對沉陷量Hi1

Hi1=Δhji-Δhj1 （3）

由（2）式可得：

Δhj1-Δhji=（Y0i+hji）-（Y01+hj1）

=（Y0i-Y01）+（hji-hj1） （4）

由（1）式可得：

（Y0i-Y01）=-（hoi+h01） （5）

將（5）式代入（4）得：

Hi1=（hji-hj1）-（hoi-h01） （6）

即只要用電容傳感器測得任意時刻各測點(diǎn)容器內(nèi)液面相對于該點(diǎn)安裝高程的距離hji（含hj1及首次的h0i），則可求得該時刻各點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)1的相對高程差。如把任意點(diǎn)g（1，2…i，n）做為相對基準(zhǔn)點(diǎn)，將f測次做為參考測次，則按（7.3-6）式同樣可求出任意測點(diǎn)相對g測點(diǎn)（以f測次為基準(zhǔn)值）的相對高程差Hij：

Hig=（hij-hig）-（hfj-hfg） （7）

由圖2所示，儀器由主體容器、連通管、電容傳感器等部分組成。當(dāng)儀器主體安裝墩發(fā)生高程變化時，主體容體相對于位置產(chǎn)生液面變化，引起裝有中間極的浮子與固定在容器頂?shù)囊唤M電容極板間的相對位置發(fā)生變化，通過測量裝置測出電容比的變化即可計(jì)算得測點(diǎn)的相對沉陷。

圖2 靜力水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)原理圖

圖3自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)由電容感應(yīng)式靜力水準(zhǔn)儀、數(shù)據(jù)采集智能模塊、監(jiān)控主機(jī)、管理計(jì)算機(jī)、DAMS-IV數(shù)據(jù)采集軟件構(gòu)成。具有監(jiān)測、顯示、操作、數(shù)據(jù)存儲、綜合信息管理、系統(tǒng)自檢、遠(yuǎn)程控制、防電、抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高。

3靜力水準(zhǔn)儀檢測鋼梁

3.1 工程概況

本工程為一3層樓的鋼結(jié)構(gòu)酒店，酒店大廳長約40米，寬約25米，廳內(nèi)無柱，僅四周邊墻有柱以承重。樓面有2根豎向跨梁，長40米，4根橫向跨梁，長25米。

3.2 檢測方法的選擇

應(yīng)客戶委托，要求在當(dāng)大廳滿座（約70桌人）時，對樓面的鋼梁進(jìn)行撓度檢測，以觀察鋼梁承受荷載后的撓度變形能否滿足設(shè)計(jì)要求。

檢測時，酒店已裝修結(jié)束，樓面吊有天花板、水晶燈等各種裝飾物，無法對鋼梁直接進(jìn)行觀測。只能通過大廳門口上方一個50cm×50cm的檢修孔，通往吊頂上部；而甲方要求的檢測時機(jī)需在大廳內(nèi)坐滿人的同時進(jìn)行，故而更無法架設(shè)大型儀器。因此，傳統(tǒng)的用水準(zhǔn)儀及水準(zhǔn)尺的測量方法不適用本工程。

綜合考慮到以上因素，最終決定采用靜力水準(zhǔn)儀及自動采集系統(tǒng)的方法對大廳中央的鋼梁進(jìn)行撓度檢測。

3.3 靜力水準(zhǔn)點(diǎn)的安裝

鋼梁及靜力水準(zhǔn)點(diǎn)的布置如下圖所示。

鋼梁實(shí)際跨度25米，高1米，寬0.4米。如圖4，在鋼梁橫跨上均勻布置5個靜力水準(zhǔn)點(diǎn)：端部測點(diǎn)設(shè)置在大廳邊柱上，兩個1/4處及鋼梁中央各設(shè)置一個測點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在距離端部測點(diǎn)約5米遠(yuǎn)的邊墻上，從而測點(diǎn)鋼梁在受荷之后相對于邊墻的撓度變化。

測點(diǎn)用鐵底座焊接在鋼梁側(cè)面固定，距離鋼梁底部50cm，統(tǒng)一安裝高度。固定好靜力水準(zhǔn)儀的支座后，連接水管、電纜線及浮子，并從基準(zhǔn)點(diǎn)開始灌水，調(diào)平，直至各個主體筒體中的液面高度大約一致為止。

完成測點(diǎn)的安裝后，聯(lián)通電纜線及無線發(fā)射器，調(diào)試靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)的自動采集及發(fā)射系統(tǒng)。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

3.4 數(shù)據(jù)采集

自動采集系統(tǒng)可進(jìn)行實(shí)時的信號采集，共進(jìn)行3次測量，數(shù)據(jù)采集及滿座率如下表及下圖所示：

表1 第一次測量數(shù)據(jù)

時間滿座率1

（mm）2

（mm）3

（mm）4

（mm）5

（mm）

17：33：170%0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

18：13：1725%0.1 -0.1 -0.2 -0.1 0.1

18：33：1750%0.0 -0.4 -0.7 -0.3 0.0

18：53：0675%-0.1 -0.7 -1.1 -0.5 -0.1

19：02：20100%-0.1 -0.9 -1.3 -0.7 -0.1

圖5 第一次測量數(shù)據(jù)曲線圖

表2第二次測量數(shù)據(jù)

時間滿座率1

（mm）2

（mm）3

（mm）4

（mm）5

（mm）

17：33：1725%0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

18：13：1725%0.1 -0.1 -0.2 -0.1 0.1

18：33：1750%0.0 -0.5 -0.8 -0.2 0.0

18：53：0675%-0.1 -0.7 -1.3 -0.3 -0.1

19：02：20100%-0.1 -1.0 -1.4 -0.7 -0.1

圖6 第二次測量數(shù)據(jù)曲線圖

表3第三次測量數(shù)據(jù)

時間滿座率1

（mm）2

（mm）3

（mm）4

（mm）5

（mm）

17：31：330%0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

17：51：3325%0.1 -0.2 -0.4 -0.3 0.1

18：01：3350%0.0 -0.3 -0.6 -0.4 0.0

18：21：3375%-0.1 -0.5 -1.0 -0.7 -0.1

18：31：33100%-0.1 -0.5 -1.1 -0.7 -0.1

圖7 第三次測量數(shù)據(jù)曲線圖

如以上數(shù)據(jù)所示，數(shù)據(jù)變化規(guī)律極其明顯：當(dāng)滿座率為30%時，數(shù)據(jù)開始逐漸有變化，且跨梁中部的測點(diǎn)變化明顯最大，2個1/4處的測點(diǎn)變化量次之，而兩端部測點(diǎn)幾乎未發(fā)生明顯變化；隨著滿座率的升高，鋼梁整體變形越來越明顯，且依然保持中央大，兩端小的形狀，甚至兩端端部測點(diǎn)亦略有撓度發(fā)生。直至滿座時，鋼梁跨中部位的測點(diǎn)最大撓度為1cm。

以上分析顯示，利用靜力水準(zhǔn)儀測得的鋼梁撓度與設(shè)計(jì)的鋼梁變形規(guī)律相符，且未達(dá)報警值。

4結(jié)論

（1）傳統(tǒng)測量撓度的方法有吊錘法、全站儀法、水準(zhǔn)儀法等，但當(dāng)測量空間、測量時機(jī)、測量位置等受到限制時，可用其他方法代替。

（2）測量已裝飾完畢的工程，鋼梁無法直接用全站儀及水準(zhǔn)儀測量時，在鋼梁上安裝靜力水準(zhǔn)儀，并通過無線傳輸系統(tǒng)，直接用電腦接收信號數(shù)據(jù)，即準(zhǔn)確方便又能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性及可靠性。

（3）通過對該鋼結(jié)構(gòu)建筑物鋼梁的撓度測量發(fā)現(xiàn)，鋼梁的撓度與其承受荷載的規(guī)律明顯：承受荷載越大，撓度變形越大，且鋼梁無柱子支撐時，跨中撓度最大，變形最為明顯。

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