论文摘要
桥梁挠度测量是桥梁检测的重要组成部分,是桥梁安全性评价的一项重要指标,与桥梁的承载能力及抵御地震等动荷载的能力有密切关系。因此,桥梁动、静挠度测量方法的研究和相关仪器设备的开发研制对桥梁承载能力检测和桥梁的防震减灾有着重要意义。近年来,基于连通管原理的静力水准仪在地面沉降、大坝变形监测中已经有实际工程应用,连通管式位移测量系统由于具有多测点同步检测、精度高、适应范围广、受环境干扰小、性价比高等优势,近年来广泛应用于大坝、桥梁等大型建筑结构的变形监测中。连通管法的原理是在被测结构和基准点之间安装连通管,将两点间竖直方向上的相对位置变化（即挠度）转换成连通管内液位的变化,根据连通管基本原理,由测得的液位变化推算出被测结构相对于基准点竖直方向的位置变化。然而,连通管内液面由于结构变形发生变化后,同时会出现液位振荡现象,液位达到新的平衡状态往往需要等待很长的时间,这对连通管式位移测量系统的精准性和适用性都会造成不利影响。由于液位振荡在测量系统中属于干扰信号,因此液位振荡幅度越小、振荡衰减时间越短越好,但目前关于液位振荡现象的理论研究尚显不足。本文通过数值求解流体动力学方程,采用液面跟踪模型（VOF）,对多通道连通管液位振荡进行数值模拟,并对不同参数条件下的模拟结果进行定量分析;对初始振荡信号（即初始液位差）正负、液体粘性、连通管管径、管径比、管间距、平衡位置高度和初始液位差大小等因素对连通管内液面液位振荡规律的影响作了定量分析;此外,应用拉格朗日积分进一步对典型情形连通管内液面液位振荡规律进行了理论分析;然后对典型情形进行拓展,再与基于VOF方法的数值模拟结果进行对比分析。得出以下主要结论:①典型情形下三连通管内液面液位振荡波形可以按照单自由度阻尼自由振动理论进行分析,其数学描述为y=y0+Aexp（-δt）sin（ωdt+θ）通过数值模拟对液位振荡波形进行FFT频谱分析和应用单自由度阻尼自由振动理论进行波形拟合,发现拟合所得频率和FFT分析所得频率的误差范围为0.59%-3.23%,说明了该理论模型的有效性。②连通管内液面液位振荡的阻尼系数受液体粘性、连通管管径比、管间距和初始液位差大小影响比较明显,随液体动力学粘度和管间距增大而减小,随连通管管径比和初始液位差增大而增大;当连通管管径小于0.06m时,阻尼系数随管径增大而减小,而继续增大管径,阻尼系数基本不再变化;此外,平衡位置高度增加,阻尼系数也稍稍增大。③液位振荡的频率受连通管管径比和管间距影响比较明显,随连通管管径比增大而增大,随管间距增大而减小;随平衡位置高度增加,振荡频率略有减小;其他诸如液体粘性、管径和初始液位差等因素基本对振荡频率无影响。④液位振荡的整体衰减过程受液体粘性和管间距影响比较明显,随液体粘性增加而减小,随管间距增加而增大;当连通管管径小于0.06m时,总体衰减时间随管径增加而增大,而继续增大管径,总体衰减时间基本不再变化;此外,随连通管管径比增加,总体衰减时间略有减小;随平衡位置高度增加,总体衰减时间略微增大;而改变初始液位差基本对总体衰减时间无影响。⑤典型情形连通管管内液面液位振荡规律可由拉格朗日积分得到的解析表达式基本描述,由此得到在不同管间距L条件下计算所得频率f ’同FFT分析所得频率f0和拟合所得频率f的相对误差分别为0.04%～6.09%和0.58%～2.79%;在不同平衡位置高度h条件下计算所得频率f ’同FFT分析所得频率f0和拟合所得频率f的相对误差分别为0.33%～2.90%和0.92%～1.18%;但计算所得阻尼系数δ’与数值模拟所得阻尼系数δ存在较大偏差,且偏差随管间距增加而减小,说明沿程水头损失并不是主要的阻尼因素,随管间距增加,沿程水头损失影响增大;同时,各管角部速度矢量图显示,在各管角部存在明显的涡旋流动,从而产生局部能量消耗,构成阻力水头损失的一部分。⑤拓展情形Ⅰ（d2=0.04m）亦可应用拉格朗日积分进行理论分析,按解析解计算所得频率f’与FFT分析所得频率f0的相对误差小于0.01%,与拟合所得频率f的相对误差仅为0.35%左右;此时还可将该情形按双连通管道系统进行分析。⑥拓展情形Ⅱ（n=4）仍可应用拉格朗日积分进行理论分析,按解析解计算所得频率f ’与FFT分析所得频率f0的相对误差仅为1.75%左右,与拟合所得频率f的相对误差仅为1.28%左右;改变中心管间距L23,并不影响典型情形拓展Ⅱ（n=4）连通管内各液面液位振荡的频率特征;此时亦可将该情形按双连通管道系统进行分析。以上结论可以为减小和消除液位振荡对测量系统的干扰提供参考依据,从而进一步优化连通管式位移测量系统的设计。