前言
近幾年來, 傾斜計(jì)已經(jīng)大量應(yīng)用于建筑監(jiān)測, 結(jié)構(gòu)物的試驗(yàn)和橋梁的長期監(jiān)測中, 在西雅圖的新Swing橋上要求用這種設(shè)備進(jìn)行施工和長期監(jiān)測; 金門橋最近設(shè)置了傾斜計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)地監(jiān)測; 在完工十多年以后, 對破損的Parrotts Ferry橋進(jìn)行荷載試驗(yàn), 傾斜計(jì)的監(jiān)測結(jié)果比通常的測量方法要好很多。這三個例子說明, 傾斜計(jì)可廣泛地應(yīng)用在橋梁的監(jiān)測中。
傾斜計(jì)
傾斜計(jì)是量測相對于重力矢量而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動位移(位移梯度), 這些位移可能是由于結(jié)構(gòu)物承受荷載, 彎矩或剪力而造成的, 雙向的傾斜計(jì)可量測兩個相互垂直方向的轉(zhuǎn)動, 兩個方向讀數(shù)的矢量和表示結(jié)構(gòu)物傾斜的真正方向和大小。
現(xiàn)代化的電子傾斜計(jì)使用一個電解質(zhì)的水平探頭作為它內(nèi)部的感應(yīng)元件, 該探頭裝在部分充填導(dǎo)電溶液的玻璃管中, 隨著探頭的傾斜, 小氣泡將從玻璃管的一端向另一端移動, 覆蓋或暴露相對的一對白金電極,用一個電壓分流計(jì)可檢測出探頭中電阻的變化, 然后放大和轉(zhuǎn)換成高水平的信號, 最后用標(biāo)準(zhǔn)的記錄儀可很容易地量測它們, 沒有任何機(jī)械式的部件, 故不會產(chǎn)生零漂和磨損, 因此, 這種簡單而可靠性高的技術(shù)甚至可量測出較小的結(jié)構(gòu)物位移。
為了消除電信號的漂移和噪聲, 這種傾斜計(jì)由內(nèi)部的放大器和微型電極所組成, 即沒有普通應(yīng)變計(jì)和其它精密探頭所存在的這些問題。
用這種傾斜計(jì)的技術(shù)非常容易地分辯小于1微英寸/每英寸(1微弧度)的變形, 這種明顯的靈敏度可使工程師執(zhí)行很多以前是困難的或不可能的量測任務(wù)(詳見附錄中角度轉(zhuǎn)換系數(shù)部分)。
傾斜計(jì)的數(shù)據(jù)可應(yīng)用到如下的方面:
● 傾斜計(jì)可提供普通方法不能得到的變形位置, 大小和是否平衡等信息；
● 轉(zhuǎn)動量的數(shù)字積分可反映結(jié)構(gòu)物的變位形態(tài)；
● 由傾斜計(jì)的量測值可導(dǎo)出結(jié)構(gòu)物的剛度；
● 傾斜計(jì)可直接量測那些同沉降與其它基礎(chǔ)問題有關(guān)的差動位移和剪切應(yīng)變；
● 傾斜計(jì)可容易地進(jìn)入到全自動的記錄系統(tǒng)中, 因此, 它適用于結(jié)構(gòu)物的長期監(jiān)測中。
金門橋的監(jiān)測
圖1 金門橋的南塔架
圖2 在防水盒中的雙向傾斜計(jì)
1990年, 在金門橋地區(qū)安設(shè)了兩個雙向傾斜計(jì)組成監(jiān)測系統(tǒng), 它們分別在兩個橋塔上(圖1), 用不銹鋼鉚釘將它剛性地固定在塔頂, 特制而密封好的傾斜計(jì)有能力抵抗海浪沖刷環(huán)境達(dá)很多年(圖2), 于是就用這種新型的傾斜計(jì)代替了30年代修橋時安裝的老式水銀管式傾斜計(jì)(1990年Civil Engineering)。
傾斜計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)的目的是監(jiān)測由于沉降, 沖蝕或地震而引起的永久或長期位移, 特別是要確定一條基線, 以便于將來該地區(qū)發(fā)生地震以后對橋墩的狀態(tài)進(jìn)行對比。實(shí)際上, 緊跟著大地震以后, 評價(jià)結(jié)構(gòu)物和基礎(chǔ)的破壞程度是一件困難的任務(wù), 但人們往往要求立即進(jìn)行, 而傾斜計(jì)系統(tǒng)就可以緊跟地震以后, 立即提供出橋墩完整性與否的明確而定量的信息。
傾斜計(jì)的讀數(shù)自動地記錄在每一個塔架橋面標(biāo)高處的兩臺數(shù)據(jù)采集儀中, 然后通過調(diào)制解調(diào)器將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐蛄汗芾硖幹? 在那里進(jìn)行分析和存儲。監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)顯示, 塔架每天移動約25個微弧度, 相當(dāng)于他們的熱彈性循環(huán)(圖3), 即600英尺高的塔架頂部有0.2英寸的位移量, 潮汐荷載的影響很小, 沒有觀測到塔架產(chǎn)生永久性的位移。
圖3 西雅圖渡橋東翼的港口島
圖4 金門橋塔架的位移情況
西雅圖渡橋的監(jiān)測
在西雅圖得獎的新渡橋上使6個雙軸傾斜計(jì)得到了應(yīng)用, 設(shè)計(jì)者(ABKJ)用四種不同的方式來使用它們。
該橋(圖4)用花瓣?duì)铋L418英尺的兩跨來跨過Duwamish河, 每一個花瓣有7500噸荷載, 放在兩個直徑12英尺的鋼結(jié)構(gòu)軸筒上, 為了打開或關(guān)閉橋梁, 用直徑9英尺的液壓千斤頂使花瓣上升1英寸, 這時, 橋的重量由液體墊來支撐, 而不是通常的金屬軸承。
每一個花瓣中心安設(shè)三個傾斜計(jì), 一個在支撐軸筒的混凝土底座上, 一個在軸筒自身上, 第三個在橋梁混凝土的內(nèi)部(圖5)。
在施工時, 傾斜計(jì)可用來使軸筒達(dá)到真正的豎直狀態(tài), 起先這個任務(wù)試圖用普通的光學(xué)量測來完成, 但按照ABKJ設(shè)計(jì)工程師Gary Conner的意見, “當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)用傾斜計(jì)來執(zhí)行該任務(wù)更快和準(zhǔn)確時, 便放棄了這種量測方法”。實(shí)際執(zhí)行這種量測工作還受空間狹窄的限制和需要多次設(shè)置方能測量軸筒的各邊。
相反地, 將傾斜計(jì)簡單地固定在軸筒的的邊上, 并使軸筒轉(zhuǎn)動360°, 一個非豎直的軸筒將使讀數(shù)產(chǎn)生正弦曲線的變化, 并同時顯示出傾斜的方向(圖6), 即軸筒傾斜約1微弧度(5.73×10-5度), 隨著軸筒逐漸變得較為豎直時, 正弦波也就消失了, 當(dāng)?shù)竭_(dá)真正的豎直位置時, 盡管轉(zhuǎn)動軸筒360°, 讀數(shù)始終保持常數(shù)
圖5 布置在筒軸上的傾斜計(jì)
圖6 軸筒的校正數(shù)據(jù)(偏離豎直線225微弧度)
圖7：澆筑7~21節(jié)時軸筒的傾斜變化
當(dāng)澆注主跨和邊跨時, 使用傾斜計(jì)來保證不會產(chǎn)生任何危險(xiǎn)的不平衡現(xiàn)象, 圖7表示了灌注15節(jié)不同的分段(每一節(jié)長12～16.5英尺)以后, 所量測的縱向與橫向傾斜情況, 圖中的鋸齒形反映隨著主跨和邊跨的輪流澆注,軸筒的搖擺情況, 傾斜度將隨著跨長而增大, 在240英尺長的主跨末端, 最后一節(jié)的澆注引起了約0.5英寸的標(biāo)高變化。
傾斜計(jì)還提供了一項(xiàng)非計(jì)劃中的特性, 即當(dāng)施工時, 一艘裝滿木材的船撞擊支撐, 約100英尺長的護(hù)樁墻和兩根39英尺長的護(hù)墩樁被剪出了泥線, 這種撞擊就發(fā)生在一個軸筒的旁邊, 比較嚴(yán)重的是軸筒及其基礎(chǔ)已經(jīng)部分破壞了, 但是, 傾斜計(jì)的監(jiān)測結(jié)果顯示, 同撞擊前沒有甚么變化, 于是下定決心按照預(yù)定的計(jì)劃繼續(xù)工作。
該橋梁與1991年正式啟用, 傾斜計(jì)將繼續(xù)工作, 以便在這個地震活動區(qū)維護(hù)軸筒的直線性和監(jiān)測橋梁及其基礎(chǔ)的完整性。
Parrotts Ferry橋的監(jiān)測
圖8 箭頭表示破壞的Parrotts Ferry橋
Parrotts Ferry橋是美國陸軍工程師軍團(tuán)修建之新Melones大壩的一部分, 用它來跨越加州Vallecito附近的Stanislaus河(圖8), 該橋是就地灌注的三跨橋, 采用后張法單幅的梁式結(jié)構(gòu), 中跨為640英尺, 兩個邊跨為325英尺, 這是目前世界上該類型橋中的大跨度, 兩個橋墩約225英尺高, 橋面高出溪流350英尺。
用分段平衡的懸臂梁施工方法來安裝上部結(jié)構(gòu), 使用縱向后張拉的輕質(zhì)混凝土, 豎直和橫向布置高強(qiáng)度鋼筋和鋼纜。該橋有兩年的施工期, 于1979年完工。
完工以后的5個月內(nèi), 中跨產(chǎn)生約11英寸的蠕變撓度, 經(jīng)過10年以后, 測量發(fā)現(xiàn)中跨又附加了11英寸的撓度, 1989年, 美國陸軍工程師軍團(tuán)開始對該橋進(jìn)行研究, 以便于①評價(jià)問題產(chǎn)生的原因; ②進(jìn)行相應(yīng)的維修設(shè)計(jì); ③確定安全荷載的極限值。
對橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)來評價(jià)鋼筋混凝土的剛度和檢查研究組擬定之計(jì)算模型的精度, 該類試驗(yàn)由對橋加載和對比實(shí)測與模型預(yù)測之變形(傾斜, 應(yīng)變和/或變位)所組成, 模型中材料的剛度是變化的, 直到同量測的變形值吻合為止, 如果所預(yù)測的變形分布情況同量測值不同時, 則必須修改模型, 直到它達(dá)到真實(shí)而精確的預(yù)測值為止。
試驗(yàn)荷載由兩輛140,000磅的重型卡車所提供, 按照預(yù)先確定的計(jì)劃在橋面的不同點(diǎn)施加荷載, 量測橋梁對荷載施加后的反應(yīng)有兩種途徑: ①用精度大于1微弧度的傾斜計(jì)來量測縱向的轉(zhuǎn)動, 傾斜計(jì)事先已經(jīng)安設(shè)在橋梁內(nèi)部的不同位置上; ②用架設(shè)在一個橋臺上的經(jīng)緯儀和橋面上的一個立尺員來測量豎直的變位, 圖9表示試驗(yàn)時荷載的三種不同位置, 圖10表示接縫33處由傾斜計(jì)量測的轉(zhuǎn)動, P1, P2和P3之間的形態(tài)是由橋面上卡車的移動所引起。
圖9 試驗(yàn)中的三種荷載位置
圖10 接縫33處的傾斜
圖11 受彎梁中的轉(zhuǎn)動
最后報(bào)告(T.Y.Lin, 1990)中的結(jié)論是: ”試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示, 普通的測量結(jié)果對溫度的影響很靈敏, 而傾斜計(jì)能夠連續(xù)記錄整個時間內(nèi)的轉(zhuǎn)動, 另一方面, 它也可同時量測由于卡車荷載所引起的轉(zhuǎn)動, 盡管普通測量方法中的溫度影響有可能進(jìn)行校正, 但仍然感到傾斜計(jì)的轉(zhuǎn)動量測結(jié)果具有更高的精度?！?/span>
通過該研究確定, 該橋上部結(jié)構(gòu)的不正常剖面主要是由于輕質(zhì)混凝土的蠕變所組成, 建議在橋梁內(nèi)部的下面更新鋼纜, 相信該方案可控制將來產(chǎn)生更大的撓度, 也可防止在中跨產(chǎn)生裂縫以及恢復(fù)這座橋承受較大的荷載范圍。
結(jié)論
用傾斜計(jì)對三座橋梁的量測結(jié)果表明了這種儀器設(shè)備的多功能性, 在一定的條件下, 這種電子傾斜計(jì)可有效地代替普通的測量方法, 速度更快, 精度更高以及價(jià)格更低, 它在橋梁監(jiān)測中具有很高的技術(shù)水平, 并能提供每天24小時的監(jiān)測和自動地預(yù)報(bào)那些不利的發(fā)展趨勢。
