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1、用 AGI 倾斜计对三座桥进行监测Gary R. HolzhausenApplied Geomechanics Inc.Santa Cruz, California图2 在防水盒中的双向倾斜计前言近几年来 , 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
2、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
3、简单而可靠性 极高的技术甚至可量测图1金门桥的南塔架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
4、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）。epc 欧美大地倾斜计监测 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
5、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。金门林的由样_uU
6、=CHS 涮旧QZM 臧图3金门桥塔架的位移情况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,
7、 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（5.73X10-5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
8、轴 筒360 , 读数始终保持常数。4590 WE w 22B27C315 3M右 100-150-*-20Q-图 6 轴筒的校正数据（偏离竖直线225微弧度） 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 1216.5 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。1U11、Lffn厂厂15 0-51 O.H 心啦 iaidO11 逊.呼
9、O12/18/9。OIJISi91图7浇注721节时轴筒的倾斜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Parrotts Ferry 桥是美国陆军工程师
10、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 上该类型桥中的最大跨度, 两个桥墩约 225 英尺 高, 桥面高出溪流 350 英尺。图8箭头表示破坏的Parrotts Ferry桥 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
11、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 , 以便于评价问题产生的 原因; 进行相应的维修设计; 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
12、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: 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 ;epc 欧美大地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1 0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。术领先的水平, 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。感谢4Lffl*A寸氏Jg什uOj&OO LSS.图 9 试验中的三种荷载位置-1006:30! 1D；3 口图 10 接缝 3
13、3 处的倾斜最后报告（T.YLin,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 及恢复这座桥承受最大的荷载范围。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
14、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技 epc 欧美大地作者感谢 ABKJ 的 Gary Conner, T. Y. Lin 国 际部的 Chuck Seim, Deepak Choudhury 和 Iain Hunter 以及金门桥地区提供关于桥梁监测中使用 倾斜计的详细资料。参考文献（四种, 略）附录大多数关于结构物特性的有限元和其它数字 模型均可计算出转动 （倾斜）, 应变和位移, 然后用 来评价结构物的状态 , 在一个受弯构件的简支梁 中（图 A1）, 通过差分挠曲方程, 可由弯矩, 剪力和 荷载计算出倾斜 , 并同梁的刚度有一个比例常数 （Den Hartog 1961）。由于绝大多数桥梁具有相当大的刚度 , 故桥 梁在正常使用和试验时的转动和应变均很小 , 通 常将转动表示为微弧度, 弧秒或其它适合的单位。 角度之间的相互关系表示如下（表A1）:表A1角度转换系数-Wjii图 A1 受弯梁中的转动1微弧度=1微英寸/英寸=1微米/米=1毫米/公里=0.0012英寸7100英尺=5.73X10-5 度=3.44X10-3 弧分=0.206弧秒=10七弧度1度=17,453微弧度=0.017453 弧度=60弧分=3600弧秒=20.94英寸/100英尺
