TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3331 ~ 33 3 7   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.4933          3331     Re cei v ed O c t ober 1 6 , 201 3; Revi se d Novem b e r  29, 2013; Accept ed De cem b e r  18, 2013   Application of Inclinometer in Arch Bridge Dynamic  Deflection Measurement      Xianlong He * 1 , Xueshan Yang 2 , Lizhe n  Zhao 1,2 Key   Lab orat or y  of Earth q u a ke Eng i n eeri n g and En gi neer ing Vi bratio n, In stitute of Engi neer ing  Mecha n ics, CE A, Harbin 1 5 0 0 80, Chi na, Ph: + 8613 78 477 29 17;   3 Institute of Disaster Preventi o n Scienc e an d T e chnolog y, H e Bei Sh an he, 065 20 1, Chin a,  Ph:+ 8613 78 56 266 23.   Corresp on din g  author, e-mai l : hxl 4 1 28@ 16 3.com* 1 , 5242 45 186 @qq.com 2 ,  hxl 1 2 0 6 26@ 1 63.com 3       A b st r a ct    Dyna mic defl e ction  meas ure m e n t is an i m p o rtant co mp on ent to the bri d g e  loa d i ng ex pe riment or   hea lth  mo nitor i ng. Us ing  h i gh -precisi on  inc l i n o m eters  to  te st the dy na mic  defl e ctio n is  a  go od   metho d   for   High-S p e ed R a ilw ay Brid ge  deflect io n measur e m ent in  this paper,  w e  develo p  a  kind of preci s io n   incli n o m eter w h ich c o mpr ehe nsives th e C a pacitiv e se nsor  techn o lo gy a n d  the S e rvo s ensor t e chn o l o gy   and  has  be en  call ed QY  inc lino m eter. W e  also  der iv a  new  theory  to calc ul ate d e f lection  bas ed  on   incli nati on. Us i ng  elev en  QY incl in o m eters  an d thre C abl e-Dis plac e m e n t se nsors,  w e  hav e d o n e  a   comparis on dy na mic deflecti o meas ur e m e n t  experi m ent o n  an  arch  brid ge. T e st result s ind i cate: us i n g   incli n o m eters to measur e dy na mic d e flecti on can  ac hi ev e the sa me  ac curacy w i th Cabl e-Dis plac e m e n t   sensor w h ic h can ach i ev e 0.1  mm a ccur a cy. T herefore, thi s  experi m ent  h a s prove d  Usi ng hi gh- precis i o n   incli n o m eters to me asur e dy na mic  defl e ctio n of bridg e  ca n satisfy  the dyna mic defl e cti on meas ure m e n requ est of high -spee d railw ay  bridg e . Co mp arin g w i th  other metho d s of d y na mic d e flecti on meas ure m e n t,   usin g hi gh- pre c ision  inc lin o m eters to  meas u r e dyn a m ic  d e flectio n  is very  easy to o per ate, and  als o  do  no t   nee d find a sta t ic reference p o int.     Ke y w ords arc h  brid ge, dyn a m ic d e flecti on, incli n o m eter,  cabl e-dis p lac e ment sensor,  me asure d e flecti o n         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion              As we  kn ow,  dynamic  def lection m e a s urem ent  is v e ry impo rtant  for the op erational  safety an structu r al  dam age  asse ssm ent of  High -Speed  Rail way Bridg e  [1-3], becau se t h e   dynamic defl e ction  ha cl ose  relation ship  with  the  l i ve-load  capa city of span   and  high -spe ed  train d e railm e n t [3]. There  have several  method s to d e tect dyna mi c defle ction  o f  bridg e , mai n ly  inclu d ing: u s ing ca ble-displacement sensor to  me asu r e, usi n g  high accu ra cy GPS rece iver  device to me asu r e, u s ing  l a se r device to measure   [4 ]. It is an easy operation a nd low  co st and   high accu ra cy method to test dynami c  deflectio n by  cabl e-di spl a cement se nsor, but this method   need s find a static pla c e to install the sen s o r , can’t  been used to measure  such b r idg e  which   cro s upon  t he  river  or canyon[5]. Hi g h  p r eci s io GPS re ceive r   can  be en  use d  to te st  the  dynamic d e flection of b r id ge, but  its accuracy  can o n ly rea c h cm  level [1, 6], o n ly been u s e d  to   measure the  defle ction  o f  cabl e-staye d  an su spe n sio n  b r idg e  whi c h  have  long  span   and   signifi cant de flection chan ged. Using l a se r devic e to mea s ure d e flection al so  need s a sta t ic  place to instal l the device, so it can’t test  su ch span s that cro s s rive r or canyon [7 ].      As we  kn o w , prestressed con c ret e   box  beam  bridge s an d st eel tru s s arch bea bridg e s a r e  the m a in  pa rt  of Hig h -Sp e e d  Railway . Such b r idg e s h a ve large stiffness and  stro ng   ability to resi st defo r matio n  and  ca n m eet t he re qui reme nts of  High-Sp eed  Railway. It maybe  has  slight dy namic  defle ction for some  sho r t sp an of  such bri dge s when  Hig h -S peed train ru ns  across. T herefore, the  p r eci s io n of  GPS re ceive r  is not e n ough fo r dy namic defle ction  measurement  of Hi gh-S p e ed  Rail way B r idge.  Many   High -Spe ed  Rail way Brid ges cro s s riv e r o r   canyo n . The r efore, using  cable - di spla ceme nt  sen s or or la se r device to m easure dyn a mic  deflectio of su ch High -Sp eed Rail way Bridge  i s   ve ry difficult, beca u se th ere are  not stati c  pla c near th e bri d ge to install t hese devices. There h a s a nother  sh orta ge of these method s that  can   only test one  point’s dyna mic defle ctio n at the sam e  time [8-10]. Therefo r e, it is a significa nce  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3331 – 33 37   3332 resea r ch  to  develop   a n e w dynami c   defle ct ion   measurement  metho d  fo r the  Hig h -S peed   Rail way Bridg e  [11-14].      In this pa pe r, we  develo p  a n e dynamic defle ction mea s u r e m ent metho d  whi c h   basi ng high -pre cisi on in cl inomete r s to test all pos iti on’s dyna mic deflection of  bridge s [5]-[6].  Based o n  this method, we have use d  Q Y  inclinom ete r s to test the dynamic d e flection of on a r ch   bridg e  su c c e ssf ully .        2. The Principle of QY Inclinometer    QY inc linometer inc l udes t he tec hnology of elec tric  c a pac i ty  dis p lace s e ns or and  electroma gne tism feedba ck sen s o r , as sho w n in  Figure 1. We use the  technolo g y of  electroma gne tism feedba ck to chan ged  the  dampin g  coeffici ent of pendulu m  and develop  a  differential m o tion ele c tric  cap a city displ a ce  sen s o r  to resp on se the  displa cem e n t  of pendulum           Figure 1. QY Inclinom eter      The pri n ci ple  of QY inclino m eter ha s sh own in Fig u re  2 and 3.      Parameter   k  is the stiffness of me ch an ical sprin g , defines b as d a m p ing coefficie n t,  G is  an ele c tri c -fe edba ck dam ping  coeffici e n t,  12 GB L L , 1 B L is m e chanical  coupling factor,   2 L is  the len g th of  pen dulum,  g  is  an  small   electri c -feed b a ck d a mpin g  co efficient  which  is  used  to   adju s t to lev e l of p end ulu m is th e in clination  of pe ndulum,  c k is the sensitivity of electric  cap a cit y  s e n s or,   X is the d i spla ce of el ectri c  capa ci ty sensor, R is t he re sist a n c e  of  coil .   Equation (1) i s  the motion  equatio n of mass blo c k m         ( 1 )     1 k  is moment o f  inertia, 13 4 k L Lm , 3 L is the equivalent l ength of pen dulum,  4 L is the  length of   the movin g   center of p e n dulum   to the  ce nter of m a ss bl ock m , 1 is t he ve rtical  in clinatio n of   measuri ng po int, M is the q uality of QY  Inclin om ete r . Solving Equa tion (1), we can get Equation   (2):                                                        (2)  11 02 cc k bk G i M g uk x k L     0 1 2 1 2 2 1 2 1 1 2 (1 ) c u B sD s nn kL M g B nk  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Applicatio n of Inclinom eter  in Arch Bri d g e  Dynam ic Deflection Me a s urem ent (Xianlon g He 3333 s is ope rato r.  n  is the inhe rent  circula r  frequ ency of pen d u lum,  1 n k k D  is the damping  coeffici ent wh ich calculated  from b and G 2 1 2 D G kn R .       m x G 1 g i R k 0 u 1 M g     1 1 a b a b M g 1 F   Figure 2. The  Structure Pri n cipl e of QY  Inclinom eter  Figure 3. The  Force Balan c e of YQ  Inclinom eter      If  1 D and 22 s n  , we ca n get the sen s itivity of  sensor, ju st like  Equation (3).     0 1 1 u B                                                              (3)      3. The Theor y   of Deflec tion Calcula t ion from Inclination   We defin e the length of on e spa n  of brid ge is L mete r, and install  1 N  inclinom eters o n   this  s p an.   So we ca n ge 1 N  positio n’s in clinatio n data  and define th em as Mat r ix (4):     1 12 N Qq q q                                     (4)    i q is the  i po sition ’s incli nation  data.  We defin e the static defle ction function  as:     1 () () () s i n ( ) c o s ( ) N i i ii i i i yx c f x f xa w x b w x                ( 5 )     x is a n y po sitio n  of the  bea m.  () i f x  is  define d  a s  the  i  mo dal fun c tion  of the b eam.   i w  is  defined as  th i  modal freq uen cy, i a and i b are  co efficient of functio n   () i f x . c  is  th e co rr ec te d   coeffici ent of deflectio n.  As we kno w , there  have  not defle ction  cha nge d ne ar pi ers. So  we  can  calcu l ate the   followin g  equ ations:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3331 – 33 37   3334 1 11 s i n( ) c os ( ) N i i NN ii i i ii bc aw l b w l c                                (6)    Definin g  the inclin ation fun c tion of beam  as  () p x , and getting the followi ng equ ation:     11 () () c o s ( ) s i n ( ) NN ii i i i i ii yx p xa w w x b w w x x                    (7)    If we discrete  param eter  x we can get th e followin g  eq uation:     11 () c o s ( ) s i n ( ) NN ji i i j i i i j ii p xa w w x b w w x                         (8)    So we nee d solve 3N num ber pa ram e te rs. We define  function:     1 2 12 1 2 1 2 1 ( , ,, , , ,, , , ,, ) ( ( ) ) N NN N j j j za a a w w w b b b p x q              (9)    Acco rdi ng the  rule of least  squ a re m e tho d , we ca n get  N sets of foll owin g equati ons:     0 01 , 2 , 0 i i i z a z iN w z b                                        (10)    Expanding E quation (10 ) , we can get N  sets of follo wi ng equ ation s   1 1 11 11 (( c o s ( ) s i n ( ) ) c o s ( ) 0 ( c o s ( ) sin( ) ) ( c os( ) sin( ) ( sin ( ) c os( ) ) 0 ( ( c o s( ) s in ( ) ) s in( N N tt t j tt t j j i i j jt N N tt t j tt t j j i i j i i j jt i i j i j i ij ij tt t j tt t j j i aw wx b w wx q w w x a w wx b w wx q a w x b w x awx w x b wx wx a w wx b w wx q w w         1 11 )0 N N ij jt x            (11)    As we kno w , all mode l function s are o r thog o nal functio n s . So we can al so d e fine 12 (( ) , ( ) , , ( ) ) N f xf x f x are o r thog on al function s, and get N-1 sets of followin g  equatio ns:     0 0 ( s in ( ) c o s( ) ) ( sin( ) c o s ( ) ) l ii i i t t t t i it a w xb w x a w xb w x d x ki t              (12)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Applicatio n of Inclinom eter  in Arch Bri d g e  Dynam ic Deflection Me a s urem ent (Xianlon g He 3335 If  1 3 NN ³ we can  so lve  paramete r 11 1 [, , , , , , ] N NN ab w a b w L  from Equ a t ion (1 1) an (12 ) then we  ca n solve pa ram e ter  c from eq ua tion (6). So  we solve a ll p a r amete r of static defle ction  function () yx If we define  all paramet ers  have  ch ange d followi ng time, we  can g e t the  dynamic  deflectio n fun c tion:     1 (, ) ( , ) ( , ) ( )( s i n ( ) ( )c o s ( ) N ti i ii i i i yx t c f x t f x t a t wx b t wx                                (13)      4. Application in Arch Bri dge  We  have  used QY i n cli n ometer an other  se nsors to te st dy namic defle ction of  HUA NG HE River High -Spe ed Rail way bridge s. This b r idge ha s 13 6 0 meters lon g  and 23  spa n s.  We have  cho s en a 1 00 me ter long a r ch bridg e  to  test. Its shape i s  shown as Fig u re 5.           Figure 5. The  Picture of Arch Brid ge whi c h We Te st      We  have  use d  eleve n  QY i n clin omete r to test  thi s  b r i dge. Th e p o si tion of in stalli ng QY  inclin omete r s are sh own a s  Figu re 6.           Figure 6. Installing Positio n s of QY Incli nomete r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3331 – 33 37   3336 At the sam e  time, we  have  installe d thre Ca ble-Di spl a cem ent sen s ors nea 25  and  5 0   and 7 5  mete r long to te st  the dynami c  deflectio n of  this bri dge.  QY inclin ome t ers h a ve be en  installe d in  th e ri ght  side  o f  box b eam.  We  used  the  sa me t r ain  runnin g  a c ross  with  differe nt  spe ed  as dyn a mic l oad s. T he te st re sult s a r sh ow n i n  table  on e t o  table  thre e, and  Figu re  7  to  Figure 9.    Table 1. The  Max Measure m ent Defle c tion of Two System s at 25 meter Lo ng   Train-speed km/h   inclinometer  D1  Cable-Displacement D2   (D1- D2)/D 2   3.78mm   3.69mm   2.5%   60  3.67mm   3.73mm   -1.7%   120  3.86mm   3.75mm   2.9%     Table 2. The  Max Measure m ent Defle c tion of Two System s at 50 meter Lo ng   Train-speed km/h   inclinometer  D1  Cable-Displacement D2   (D1- D2)/D 2   3.28mm   3.49mm   -6.1%   60  3.39mm   3.56mm   -4.7%   120  3.69mm   3.55mm   3.9%     Table 3. The  Max Measure m ent Defle c tion of Two System s at 75 meter Lo ng   Train-speed km/h   inclinometer  D1  Cable-Displacement D2   (D1- D2)/D 2   3.52mm   3.67mm   -4.1%   60  3.57mm   3.78mm   -5.6%   120  3.65mm   3.82mm   -4.5%         Figure 7. The  Dynamic  Def l ection  Curve  of 25  meter Point when Train Ru ns Acro ss  with  5Km/h spe e d   Figure 8. The  Dynamic  Def l ection  Curve  of 50  meter Point when Train Ru ns Acro ss  with  5Km/h Speed                          Figure 9. The  Dynamic  Def l ection  Curve  of 75 me ter P o int when Train Runs  Acros s   with 5Km/h  Speed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Applicatio n of Inclinom eter  in Arch Bri d g e  Dynam ic Deflection Me a s urem ent (Xianlon g He 3337 Comp ari ng wi th cable - di spl a cem ent sen s or, te st re sul t s of using  Q Y  inclinom ete r  to test  dynamic d e flection have  smaller than 7  percent er ro rs, and also h a ve similar d y namic defle ction   curv e s .        5. Conclusio n   Acco rdi ng in clination to  cal c ulate  dynam ic d e flection   of Hig h -Spe e d  Railway B r i dge i s  a   good m easurement metho d . We have  develop ed a  new   kind of  pre c isi on in cl inomete r  and  a  new th eo ry to fast  cal c ula t e dynami c  d e flection f r om  dynami c  in cl ination d a ta,  and h a ve u s ed  eleven i n clin ometers to  test the  dyna mic d e flecti o n  of o ne  arch bri dge  whi c h i s   a p a rt  of   HUA NG HE River Hi gh-S peed Railwa y  Bridge with  a same trai n runni ng a c ross with different   spe ed  as the  dynamic loa d s . Comp arin g  with te st  re sults  of ca ble - displ a cement   se nsors, we can  get so me  con c lu sion: u s in g  eleven in clin ometers to  te st dynami c  d e flection  of arch b r id ge s h a s   smalle r tha n  7% error; a nd can g e t simila r dy na mic d e flectio n  cu rve s , an d ca n a c hiev e a   pre c isi on of 0 . 1mm.  Usi ng i n cli n o m eters to  me asu r or mon i tor  dyna mic  deflectio n of  bridg e s is a  g ood  and   easy op eratio n method, be cau s e in clin o m eters ca b e  installe d into box beam o r  on the de ck of  bridg e , and d o  not need a  static refere n c e poi nt.      Ackn o w l e dg ements   Suppo rted b y  Key Labo ratory of Ea rthqua ke   E ngi neeri ng and Enginee ring  Vibration,   Institute of Enginee ring Me cha n ics, CEA  Based Fu nd:  2013B08       Referen ces   [1]  Z hou Z h e n ji an g. Compar in g w i t h  sever a w a y s   of brid ge d e flectio n  testin g.  Road J ourn a l.  199 5; 46( 7) :   20-2 5 [2] Yang  Xu ans ha n.  Engin eer ing  vibrati on testin g and d e vic e s techn o lo gy.  Chi nese me asure  press. 200 1.  [3]  Charl e s W  Ro eder.  T he re po rt of impr ovin live l o a d  def l e c t ion criteri a  for  steel bri d g e s.  Univers i t y   of  W a shin gton. 2 002.   [4]  Xi an lo ng H e T i anli She, Li zhen Z h a o . A Ne w   S y stem  for Dynamic  Deflecti on Me asurem ent of   H i g hw ay  B r i d g e .   Appli ed Mec han nics a nd M a terica ls . 201 2; 226-2 28: 16 45 -165 0.  [5]  QI F angxi ao. D y n a mic R e spo n se of Rai l w a y.   Science a nd t e chn o lo gy pres s . 2007.   [6]  Xi an lo ng He. T he  research  on brid ge defl e ction and   slo p e   a ngl mo nito red  w i t h   S e rvo - slop se nsor.  Herbi n : chin a e a rthqu ake pr es s. 2012.   [7]  Yang  Xu ans ha n. A ne w   w a y for brid ge d e fle c tion test.  Civil eng ine e ri ng  jo urna l . 200 2; 35 (2): 92–9 6.  [8]  Yang  Xua n sh an. T he rese arch o n   inc lin ometer trans ie nt reacted.  E a rthqu ake E n gin eeri ng  an d   Engi neer in g Vi bratio n . 200 2; 22(2): 97 –1 00.   [9]  Harik IE, Sha aba n AM. Uni t ed States Bri dge F a i l ures.  Journ a l of Pe rformance of  Constructe Facilities. 1 990 ; (7): 272-277.   [10]  Kumal a sari W a rdh ana, F a hi an C. Ha di pri ono. An al ysis  of Rece nt Bri dges  F a ilur e in the U n ite d   States.  Journa l  of Performa nc e of  Constructe d Faciliti e s . 20 03; (8): 144-1 5 0 [11]  F ountai n R S T hunman CE.   Deflecti on  Crit eria  for Ste e Highw ay  Brid g e . Proce e d i ngs  of the  AISC   Natio nal En gi n eeri ng Co nfere n ce in N e w  Orl eans. 20 01: 21 -24.  [12]  F o ster GM, oEHLER  LT . Vi bratio n an d D e flecti o n  of Ro lled  Beam  an d  Plate Gird er  T y pe Br id ges.   Michig an State :  Michiga n  State Hig h w a y  D e p a rtment. 199 5.  [13]  Investigati on o f  Cracking  in  Concr e te Brid g e   Decks at Ea rl y  A ges[J].Jou rnal of Bri dge  Engi neer in g.   199 9; 4(2): 116 -124.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.