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前言

近几年来, 倾斜计已经大宗应用于修建监测, 结构物的试验和桥梁的恒久监测中, 在西雅图的新Swing桥上要求用这种装备举行施工和恒久监测; 金门桥最近设置了倾斜计系统举行一连地监测; 在完工十多年以后, 对破损的Parrotts Ferry桥举行荷载试验, 倾斜计的监测效果比通常的丈量要领要好许多。这三个例子说明, 倾斜计可普遍地应用在桥梁的监测中。

  倾斜计

倾斜计是量测相关于重力矢量而爆发的转动位移(位移梯度), 这些位移可能是由于结构物遭受荷载, 弯矩或剪力而造成的, 双向的倾斜计可量测两个相互笔直偏向的转动, 两个偏向读数的矢量和体现结构物倾斜的真正偏向和巨细。

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, 笼罩或袒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转变, 然后放大和转换成高水平的信号, 最后用标准的纪录仪可很容易地量测它们, 没有任何机械式的部件, 故不会爆发零漂和磨损, 因此, 这种简朴而可靠性高的手艺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, 即没有通俗应变计和其它细密探头所保存的这些问题。

用这种倾斜计的手艺很是容易地辩白小于1微英寸/每英寸(1微弧度)的变形, 这种显着的迅速度可使工程师执行许多以前是难题的或不可能的量测使命(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:

● 倾斜计可提供通俗要领不可获得的变形位置, 巨细和是否平衡等信息；
● 转动量的数字积分可反应结构物的变位形态；
● 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纪录系统中, 因此, 它适用于结构物的恒久监测中。

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, 在金门桥地区安顿了两个双向倾斜计组成监测系统, 它们划分在两个桥塔上(图1), 用不锈钢铆钉将它刚性地牢靠在塔顶, 特制而密封好的倾斜计有能力对抗海浪冲洗情形达许多年(图2), 于是就用这种新型的倾斜计取代了30年月修桥时装置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, 冲蚀或地动而引起的永世或恒久位移, 特殊是要确定一条基线, 以便于未来该地区爆发地动以后对桥墩的状态举行比照。现实上, 紧随着大地动以后, 评价结构物和基础的破损水平是一件难题的使命, 但人们往往要求连忙举行, 而倾斜计系统就可以紧跟地动以后, 连忙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纪录在每一个塔架桥面标高处的两台数据收罗仪中, 然后通过调制解调器将这些数据传输到桥梁治理处中, 在那里举行剖析和存储。监测系统中的数据显示, 塔架天天移动约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, 没有视察到塔架爆发永世性的位移。

 

      图3 西雅图渡桥东翼的口岸岛

 
图4 金门桥塔架的位移情形

西雅图渡桥的监测

在西雅图得奖的新渡桥上使6个双轴倾斜计获得了应用, 设计者(ABKJ)用四种差别的方法来使用它们。

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, 为了翻开或关闭桥梁, 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持, 而不是通常的金属轴承。

每一个花瓣中央安顿三个倾斜计, 一个在支持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抵达真正的竖直状态, 起先这个使命试图用通俗的光学量测来完成, 但凭证ABKJ设计工程师Gary Conner的意见, “当我们发明用倾斜计来执行该使命更快和准确时, 便放弃了这种量测要领”。现实执行这种量测事情还受空间狭窄的限制和需要多次设置方能丈量轴筒的各边。

相反地, 将倾斜计简朴地牢靠在轴筒的的边上, 并使轴筒转动360°, 一个非竖直的轴筒将使读数爆发正弦曲线的转变, 并同时显示出倾斜的偏向(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, 正弦波也就消逝了, 当抵达真正的竖直位置时, 只管转动轴筒360°, 读数始终坚持常数

图5 安排在筒轴上的倾斜计

图6 轴筒的校正数据(偏离竖直线225微弧度) 

              图7：浇筑7~21节时轴筒的倾斜转变

当浇注主跨和边跨时, 使用倾斜计来包管不会爆发任何危险的不平衡征象, 图7体现了灌注15节差别的分段(每一节长12～16.5英尺)以后, 所量测的纵向与横向倾斜情形, 图中的锯齿形反应随着主跨和边跨的轮流浇注,轴筒的摇晃情形, 倾斜度将随着跨长而增大, 在240英尺长的主跨最后, 最后一节的浇注引起了约0.5英寸的标高转变。

倾斜计还提供了一项非妄想中的特征, 即当施工时, 一艘装满木料的船撞击支持, 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, 这种撞击就爆发在一个轴筒的旁边, 较量严重的是轴筒及其基础已经部分破损了, 可是, 倾斜计的监测效果显示, 同撞击前没有甚么转变, 于是下定刻意凭证预定的妄想继续事情。

该桥梁与1991年正式启用, 倾斜计将继续事情, 以便在这个地动运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 箭头体现破损的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周围的Stanislaus河(图8), 该桥是就地灌注的三跨桥, 接纳后张法单幅的梁式结构, 中跨为640英尺, 两个边跨为325英尺, 这是现在天下上该类型桥中的大跨度, 两个桥墩约225英尺高, 桥面横跨溪流350英尺。

用分段平衡的悬臂梁施工要领来装置上部结构, 使用纵向后张拉的轻质混凝土, 竖直和横向安排高强度钢筋和钢缆。该桥有两年的施工期, 于1979年完工。

完工以后的5个月内, 中跨爆发约11英寸的蠕变挠度, 经由10年以后, 丈量发明中跨又附加了11英寸的挠度, 1989年, 美国陆军工程师军团最先对该桥举行研究, 以便于①评价问题爆发的缘故原由; ②举行响应的维修设计; ③确定清静荷载的极限值。

对桥举行静载试验来评价钢筋混凝土的刚度和检查研究组制订之盘算模子的精度, 该类试验由对桥加载和比照实测与模子展望之变形(倾斜, 应变和/或变位)所组成, 模子中质料的刚度是转变的, 直到同量测的变形值吻合为止, 若是所展望的变形漫衍情形同量测值差别时, 则必需修改模子, 直到它抵达真实而准确的展望值为止。

试验荷载由两辆140,000磅的重型卡车所提供, 凭证预先确定的妄想在桥面的差别点施加荷载, 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, 倾斜计事先已经安顿在桥梁内部的差别位置上; 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丈量竖直的变位, 图9体现试验时荷载的三种差别位置, 图10体现接缝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, 通俗的丈量效果对温度的影响很迅速, 而倾斜计能够一连纪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, 只管通俗丈量要领中的温度影响有可能举行校正, 但仍然感应倾斜计的转动量测效果具有更高的精度。”

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, 信托该计划可控制未来爆发更大的挠度, 也可避免在中跨爆发裂痕以及恢复这座桥遭受较大的荷载规模。
 

结论

用倾斜计对三座桥梁的量测效果批注晰这种仪器装备的多功效性, 在一定的条件下, 这种电子倾斜计可有用地取代通俗的丈量要领, 速率更快, 精度更高以及价钱更低, 它在桥梁监测中具有很高的手艺水平, 并能提供天天24小时的监测和自动地预告那些倒运的生长趋势。