AGI倾斜计桥梁监测实例..doc

用AGI倾斜计对三座桥进行监测 Gary R. Holzhausen Applied Geomechanics Inc. Santa Cruz, California  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。 图1金门桥的南塔架 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, 这种简单而可靠性极高的技术甚至可量测出最小的结构物位移。 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, 它特别适用于结构物的长期监测中。 金门桥的监测 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。 图4 西雅图渡桥东翼的港口岛 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 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创新的应用, 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)。 图5 布置在轴筒上的倾斜计 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更精确时, 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, 只需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