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前言

近几年来, 倾斜计已经大量应用于建筑监测, 结构物的试验和桥梁的长期监测中, 在西雅图的新Swing桥上要求用这种设备进行施工和长期监测; 金门桥最近设置了倾斜计系统进行连续地监测; 在完工十多年以后, 对破损的Parrotts Ferry桥进行荷载试验, 倾斜计的监测结果比通常的测量方法要好很多。这三个例子说明, 倾斜计可广泛地应用在桥梁的监测中。

  倾斜计

倾斜计是量测相对于重力矢量而产生的转动位移(位移梯度), 这些位移可能是由于结构物承受荷载, 弯矩或剪力而造成的, 双向的倾斜计可量测两个相互垂直方向的转动, 两个方向读数的矢量和表示结构物倾斜的真正方向和大小。

现代化的电子倾斜计使用一个电解质的水平探头作为它内部的感应元件, 该探头装在部分充填导电溶液的玻璃管中, 随着探头的倾斜, 小气泡将从玻璃管的一端向另一端移动, 覆盖或暴露相对的一对白金电极,用一个电压分流计可检测出探头中电阻的变化, 然后放大和转换成高水平的信号, 最后用标准的记录仪可很容易地量测它们, 没有任何机械式的部件, 故不会产生零漂和磨损, 因此, 这种简单而可靠性高的技术甚至可量测出较小的结构物位移。

为了消除电信号的漂移和噪声, 这种倾斜计由内部的放大器和微型电极所组成, 即没有普通应变计和其它精密探头所存在的这些问题。

用这种倾斜计的技术非常容易地分辩小于1微英寸/每英寸(1微弧度)的变形, 这种明显的灵敏度可使工程师执行很多以前是困难的或不可能的量测任务(详见附录中角度转换系数部分)。

倾斜计的数据可应用到如下的方面:

● 倾斜计可提供普通方法不能得到的变形位置, 大小和是否平衡等信息；
● 转动量的数字积分可反映结构物的变位形态；
● 由倾斜计的量测值可导出结构物的刚度；
● 倾斜计可直接量测那些同沉降与其它基础问题有关的差动位移和剪切应变；
● 倾斜计可容易地进入到全自动的记录系统中, 因此, 它适用于结构物的长期监测中。

金门桥的监测

图1 金门桥的南塔架

  图2 在防水盒中的双向倾斜计

1990年, 在金门桥地区安设了两个双向倾斜计组成监测系统, 它们分别在两个桥塔上(图1), 用不锈钢铆钉将它刚性地固定在塔顶, 特制而密封好的倾斜计有能力抵抗海浪冲刷环境达很多年(图2), 于是就用这种新型的倾斜计代替了30年代修桥时安装的老式水银管式倾斜计(1990年Civil Engineering)。

倾斜计监测系统的目的是监测由于沉降, 冲蚀或地震而引起的永久或长期位移, 特别是要确定一条基线, 以便于将来该地区发生地震以后对桥墩的状态进行对比。实际上, 紧跟着大地震以后, 评价结构物和基础的破坏程度是一件困难的任务, 但人们往往要求立即进行, 而倾斜计系统就可以紧跟地震以后, 立即提供出桥墩完整性与否的明确而定量的信息。

倾斜计的读数自动地记录在每一个塔架桥面标高处的两台数据采集仪中, 然后通过调制解调器将这些数据传输到桥梁管理处中, 在那里进行分析和存储。监测系统中的数据显示, 塔架每天移动约25个微弧度, 相当于他们的热弹性循环(图3), 即600英尺高的塔架顶部有0.2英寸的位移量, 潮汐荷载的影响很小, 没有观测到塔架产生永久性的位移。

 

      图3 西雅图渡桥东翼的港口岛

 
图4 金门桥塔架的位移情况

西雅图渡桥的监测

在西雅图得奖的新渡桥上使6个双轴倾斜计得到了应用, 设计者(ABKJ)用四种不同的方式来使用它们。

该桥(图4)用花瓣状长418英尺的两跨来跨过Duwamish河, 每一个花瓣有7500吨荷载, 放在两个直径12英尺的钢结构轴筒上, 为了打开或关闭桥梁, 用直径9英尺的液压千斤顶使花瓣上升1英寸, 这时, 桥的重量由液体垫来支撑, 而不是通常的金属轴承。

每一个花瓣中心安设三个倾斜计, 一个在支撑轴筒的混凝土底座上, 一个在轴筒自身上, 第三个在桥梁混凝土的内部(图5)。

在施工时, 倾斜计可用来使轴筒达到真正的竖直状态, 起先这个任务试图用普通的光学量测来完成, 但按照ABKJ设计工程师Gary Conner的意见, “当我们发现用倾斜计来执行该任务更快和准确时, 便放弃了这种量测方法”。实际执行这种量测工作还受空间狭窄的限制和需要多次设置方能测量轴筒的各边。

相反地, 将倾斜计简单地固定在轴筒的的边上, 并使轴筒转动360°, 一个非竖直的轴筒将使读数产生正弦曲线的变化, 并同时显示出倾斜的方向(图6), 即轴筒倾斜约1微弧度(5.73×10-5度), 随着轴筒逐渐变得较为竖直时, 正弦波也就消失了, 当到达真正的竖直位置时, 尽管转动轴筒360°, 读数始终保持常数

图5 布置在筒轴上的倾斜计

图6 轴筒的校正数据(偏离竖直线225微弧度) 

              图7：浇筑7~21节时轴筒的倾斜变化

当浇注主跨和边跨时, 使用倾斜计来保证不会产生任何危险的不平衡现象, 图7表示了灌注15节不同的分段(每一节长12～16.5英尺)以后, 所量测的纵向与横向倾斜情况, 图中的锯齿形反映随着主跨和边跨的轮流浇注,轴筒的摇摆情况, 倾斜度将随着跨长而增大, 在240英尺长的主跨末端, 最后一节的浇注引起了约0.5英寸的标高变化。

倾斜计还提供了一项非计划中的特性, 即当施工时, 一艘装满木材的船撞击支撑, 约100英尺长的护桩墙和两根39英尺长的护墩桩被剪出了泥线, 这种撞击就发生在一个轴筒的旁边, 比较严重的是轴筒及其基础已经部分破坏了, 但是, 倾斜计的监测结果显示, 同撞击前没有甚么变化, 于是下定决心按照预定的计划继续工作。

该桥梁与1991年正式启用, 倾斜计将继续工作, 以便在这个地震活动区维护轴筒的直线性和监测桥梁及其基础的完整性。

Parrotts Ferry桥的监测

图8 箭头表示破坏的Parrotts Ferry桥

Parrotts Ferry桥是美国陆军工程师军团修建之新Melones大坝的一部分, 用它来跨越加州Vallecito附近的Stanislaus河(图8), 该桥是就地灌注的三跨桥, 采用后张法单幅的梁式结构, 中跨为640英尺, 两个边跨为325英尺, 这是目前世界上该类型桥中的大跨度, 两个桥墩约225英尺高, 桥面高出溪流350英尺。

用分段平衡的悬臂梁施工方法来安装上部结构, 使用纵向后张拉的轻质混凝土, 竖直和横向布置高强度钢筋和钢缆。该桥有两年的施工期, 于1979年完工。

完工以后的5个月内, 中跨产生约11英寸的蠕变挠度, 经过10年以后, 测量发现中跨又附加了11英寸的挠度, 1989年, 美国陆军工程师军团开始对该桥进行研究, 以便于①评价问题产生的原因; ②进行相应的维修设计; ③确定安全荷载的极限值。

对桥进行静载试验来评价钢筋混凝土的刚度和检查研究组拟定之计算模型的精度, 该类试验由对桥加载和对比实测与模型预测之变形(倾斜, 应变和/或变位)所组成, 模型中材料的刚度是变化的, 直到同量测的变形值吻合为止, 如果所预测的变形分布情况同量测值不同时, 则必须修改模型, 直到它达到真实而精确的预测值为止。

试验荷载由两辆140,000磅的重型卡车所提供, 按照预先确定的计划在桥面的不同点施加荷载, 量测桥梁对荷载施加后的反应有两种途径: ①用精度大于1微弧度的倾斜计来量测纵向的转动, 倾斜计事先已经安设在桥梁内部的不同位置上; ②用架设在一个桥台上的经纬仪和桥面上的一个立尺员来测量竖直的变位, 图9表示试验时荷载的三种不同位置, 图10表示接缝33处由倾斜计量测的转动, P1, P2和P3之间的形态是由桥面上卡车的移动所引起。

          图9 试验中的三种荷载位置

图10 接缝33处的倾斜

图11 受弯梁中的转动

最后报告(T.Y.Lin, 1990)中的结论是: ”试验数据显示, 普通的测量结果对温度的影响很灵敏, 而倾斜计能够连续记录整个时间内的转动, 另一方面, 它也可同时量测由于卡车荷载所引起的转动, 尽管普通测量方法中的温度影响有可能进行校正, 但仍然感到倾斜计的转动量测结果具有更高的精度。”

通过该研究确定, 该桥上部结构的不正常剖面主要是由于轻质混凝土的蠕变所组成, 建议在桥梁内部的下面更新钢缆, 相信该方案可控制将来产生更大的挠度, 也可防止在中跨产生裂缝以及恢复这座桥承受较大的荷载范围。
 

结论

用倾斜计对三座桥梁的量测结果表明了这种仪器设备的多功能性, 在一定的条件下, 这种电子倾斜计可有效地代替普通的测量方法, 速度更快, 精度更高以及价格更低, 它在桥梁监测中具有很高的技术水平, 并能提供每天24小时的监测和自动地预报那些不利的发展趋势。