结构变形监测

随着现在工程建筑物规模的扩大，结构类型日益复杂，施工技术难度增加，建筑结构可能会因施工期间构件安装误差、服役期间地基沉降、环境侵蚀及自然灾害的破坏而导致结构变形过大，使其无法满足施工阶段的变形控制以及服役阶段的正常使用要求，所以对结构施工期间与服役期间进行变形监测是必要的。

结构变形监测是指对建筑物、桥梁、大坝等工程结构进行实时监测和评估，以检测结构的变形情况和健康状况。这种监测通常使用传感器和监测仪器来测量结构的位移、变形、振动、温度等参数，并通过数据分析和处理来判断结构是否存在异常变形或损伤。常用的结构监测仪器包括位移计、测斜仪、连通管全球定位系统（global positioning system,GPS）、高精度全自动全站仪和沉降仪等。

一、位移计

位移计是一种用于测量物体位移或移动的测量仪器。它广泛应用于土木工程、结构工程、地质勘探和其他领域中，用于监测结构物、地表或仪器设备等的位移变化。可分为钢丝式位移计、钢弦式位移计、差动电阻式位移计、划线电阻式位移计、多点位移计等。

1、钢丝式位移计

钢丝位移计又称钢丝绳传感器或钢丝测量装置，常用于测量物体或结构体的位移变化。钢丝式位移计主要由锚固板、钢丝绳、伸缩节、位移传感器等组成。它基于弹性原理，通过一段固定在锚固板上的钢丝绳将锚固点在水平方向上发生的位移传递给位移传感器，从而得到测点的水平位移。

2、钢弦式位移计

钢弦式位移计又称光栅位移计，它的工作原理基于钢弦在受力后的弹性变形。该位移计通常由一个固定的支架和一根拉紧的钢弦组成，钢弦的一段固定在支架上，另一端则连接到需要测量位移的物体上。当物体发生位移时，钢弦受到拉伸或压缩的力，导致钢弦发生弹性形变。这种形变会改变钢弦的长度和张力，从而可以通过测量这些参数的变化来获得位移信息。

3、差动电阻式位移计

差动电阻式位移计的工作原理基于电阻的变化和差分信号的测量。差动电阻式位移计由两个测量电阻组成，分别连接到需要测量位移的物体上，当物体发生位移时，两个电阻的长度会发生微小变化，导致其电阻值产生相应的变化。两个测量电阻组成一个电桥，当物体位移时，电桥中的电阻发生变化，产生差分电压信号。通过放大和处理这个信号，就可以获得位移的测量结果。

二、测斜仪

测斜仪常用于测量物体或结构的倾斜角度，可以被广泛应用于工程、建筑、地质、航空等领域。测斜仪根据测量原理和使用方法的不同，可以分为伺服加速度计式、振弦式、激光式等。

1、伺服加速度计式测斜仪

伺服加速度计式测斜仪使用加速度传感器和伺服反馈控制系统测量物体的倾斜角度。传感器检测到倾斜角度后，反馈给控制系统，控制系统通过调整伺服电机使测斜仪保持垂直姿态。这样，测斜仪可以实时测量并提供准确的倾斜角度信息。

2、振弦式固定测斜仪

振弦式固定测斜仪通过在被测结构物上安装振弦传感器来测量倾斜角度。传感器由一个张紧的弹性振弦组成，当结构物发生倾斜时，振弦的张紧度发生变化。这导致振弦的振动频率和振幅发生变化。测斜仪通过监测振弦的振动信号，并通过分析和处理这些信号来计算倾斜角度。振弦式固定测斜仪适用于对固定结构物的倾斜角度进行监测，如建筑物、桥梁、坝体等。它具有高灵敏度、精确度高、不受温度和湿度等环境因素影响等优点，可提供可靠的倾斜角度测量结果，用于结构安全监测和工程控制。

3、激光式测斜仪

激光式测斜仪利用激光束的偏转原理来测量倾斜角度。它通过发射激光束，并接收和测量反射回来的激光束的偏差量。根据偏差量的测量结果，可以计算出目标物体的倾斜角度。激光式测斜仪具有高精度和快速响应的特点，适用于各种倾斜监测和测量应用。

三、连通管

在大跨度桥梁挠度监测中，常使用连通管法进行静态挠度监测，连通管法测量桥梁挠度的原理是，在挠度测定和基准点之间安装连通管，利用同一系统保持水平液面的远离江两点间竖直方向上的相对变化转换成连通管内液面的变化，然后利用连通管原理算出测点相对于基准点竖直方向的位置变化，即挠度。在实际工程中常见的基于连通管法进行变形监测的仪器为静力水准仪。

静力水准仪的工作原理基于液压平衡。首先，在已知高程的参考点上建立一个参考水平面。然后，静力水准仪通过液压管路系统和垂直管道连接起始点和目标点。通过加压使液体在管道中形成平衡的液柱，然后将垂直管道中的液面与参考水平面的液面进行对比。当两者平衡时，就可以读取起始点和目标点之间的高差。根据液柱的高度差，结合测量仪器的刻度或读数装置，可以计算出起始点和目标点的高程差。静力水准仪常用于桥梁、基坑、隧道、地铁、管廊、大坝、核电站、高层建筑等垂直位移和倾斜的监测。

四、GPS

GPS（全球定位系统）是一种基于卫星导航技术的定位系统。它由一组卫星、地面控制站和接收器组成，用于确定地球上任意点的精确位置。其通过接收来自卫星的无线信号，计算信号传播的时间差和距离，利用三角测量原理确定接收器位置。通过校正和处理数据，提供精确的位置信息，广泛应用于各类变形监测中，如城市地面沉降变形监测、大坝变形监测、桥梁变形监测、滑坡监测等。

五、高精度全自动全站仪

高精度全自动全站仪也称测量机器人，全站仪利用内置的测距和角度测量装置获取目标点的距离、水平角和垂直角数据。通过数据处理和计算，包括校正、三角测量和几何原理，得出目标点的三维坐标。这些测量结果可以实时显示在仪器屏幕上，并可记录在内存或外部设备中。全站仪可用于定位和导航，广泛应用于建筑、工程、测绘、矿业等领域，提供高精度的地理信息数据。

六、沉降仪

沉降仪是一种在恒定离心力场下测定样本颗粒沉降速度的仪器，主要应用在土坝、边坡、开挖和填方等岩土工程的沉降监测中。它通过安装在基准点上的传感器，感知地面或结构物的沉降变化，并将数据采集和记录下来。通过对数据的分析和比较，可以确定沉降量、速率和趋势等信息。