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近几年来, 倾斜计已经大量利用于构筑监测, 结构物的试验和桥梁的持久监测中, 在西雅图的新Swing桥上要求用这种设备进行施工和持久监测; 金门桥最近设置了倾斜计系统进行陆续地监测; 在落成十多年以来, 对破损的Parrotts Ferry桥进行荷载试验, 倾斜计的监测了局比通常的丈量步骤要好好多。这三个例子注明, 倾斜计可宽泛地利用在桥梁的监测中。
倾斜计
倾斜计是量测相对于沉力矢量而产生的动弹位移(位移梯度), 这些位移可能是由于结构物接受荷载, 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动弹, 两个方向读数的矢量和暗示结构物倾斜的真正方向和大幼。
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, 该探头装在部门充填导电溶液的玻璃管中, 随着探头的倾斜, 幼气泡将从玻璃管的一端向另一端移动, 覆盖或露出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动, 而后放大和转换成高水平的信号, 最后用尺度的纪录仪可很容易地量测它们, 没有任何机械式的部件, 故不会产生零漂和磨损, 因而, 这种单一而靠得住性高的技术甚至可量测出较幼的结构物位移。
为相识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, 即没有通常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极度容易地辩白幼于1微英寸/每英寸(1微弧度)的变形, 这种显著的活络度可使工程师执行好多以前是难题的或不成能的量测工作(详见附录中角度转换系数部门)。
倾斜计的数据可利用到如下的方面:
● 倾斜计可提供通常步骤不能得到的变形地位, 大幼和是否平衡等信息；
● 动弹量的数字积分可反映结构物的变位状态；
● 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, 因而, 它合用于结构物的持久监测中。
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, 在金门桥地域安设了两个双向倾斜计组成监测系统, 它们别离在两个桥塔上(图1), 用不锈钢铆钉将它刚性地固定在塔顶, 特造而密封好的倾斜计有能力抵抗波浪冲刷环境达好多年(图2), 因而就用这种新型的倾斜计包办了30年代建桥时装置的老式水银管式倾斜计(1990年Civil Engineering)。
倾斜计监测系统的主张是监测由于沉降, 冲蚀或地震而引起的永远或持久位移, 出格是要确定一条基线, 以便于未来该地域产生地震以来对桥墩的状态进行对比。现实上, 紧随着大地震以来, 评价结构物和基础的粉碎水平是一件难题的工作, 但人们往往要求立即进行, 而倾斜计系统就能够紧跟地震以来, 立即提供出桥墩齐全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采集仪中, 而后通过调造解调器将这些数据传输到桥梁治理处中, 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, 潮汐荷载的影响很幼, 没有观测到塔架产生永远性的位移。
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利用, 设计者(ABKJ)用四种分歧的方式来使用它们。
该桥(图4)用花瓣状长418英尺的两跨来凌驾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, 为了打开或关关桥梁, 用直径9英尺的液压千斤顶使花瓣上升1英寸, 这时, 桥的沉量由液体垫来支持, 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达到真正的竖直状态, 起先这个工作试图用通常的光学量测来实现, 但依照ABKJ设计工程师Gary Conner的定见, “当我们发现用倾斜计来执行该工作更快和正确时, 便烧毁了这种量测步骤”。现实执行这种量测工作还受空间狭幼的限度和必要屡次设置方能丈量轴筒的各边。
相反地, 将倾斜计单一地固定在轴筒的的边上, 并使轴筒动弹360°, 一个非竖直的轴筒将使读数产生正弦曲线的变动, 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), 随着轴筒逐步变得较为竖直时, 正弦波也就隐没了, 当达到真正的竖直地位时, 只管动弹轴筒360°, 读数始终维持常数
图5 安插在筒轴上的倾斜计
图6 轴筒的校对数据(偏离竖直线225微弧度)
图7：浇筑7~21节时轴筒的倾斜变动
当浇注主跨和边跨时, 使用倾斜计来保障不会产生任何危险的不平衡景象, 图7暗示了灌注15节分歧的分段(每一节长12～16.5英尺)以来, 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,轴筒的扭捏情况, 倾斜度将随着跨长而增大, 在240英尺长的主跨结尾, 最后一节的浇注引起了约0.5英寸的标高变动。
倾斜计还提供了一项非打算中的个性, 即当施工时, 一艘装满木材的船撞击支持, 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, 这种撞击就产生在一个轴筒的旁边, 比力严沉的是轴筒及其基础已经部吩炱坏了, 但是, 倾斜计的监测了局显示, 同撞击前没有甚么变动, 因而下定刻意依照预约的打算持续工作。
该桥梁与1991年正式启用, 倾斜计将持续工作, 以便在这个地震活动区守护轴筒的直线性和监测桥梁及其基础的齐全性。
Parrotts Ferry桥的监测
图8 箭头暗示粉碎的Parrotts Ferry桥
Parrotts Ferry桥是美国陆军工程师军团构筑之新Melones大坝的一部门, 用它来逾越加州Vallecito左近的Stanislaus河(图8), 该桥是当场灌注的三跨桥, 选取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, 桥面逾越溪流350英尺。
用分段平衡的悬臂梁施工步骤来装置上部结构, 使用纵向后张拉的轻质混凝土, 竖直和横向安插高强度钢筋和钢缆。该桥有两年的施工期, 于1979年落成。
落成以来的5个月内, 中跨产生约11英寸的蠕变挠度, 经过10年以来, 丈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起头对该桥进行钻研, 以便于①评价问题产生的原因; ②进行相应的维建设计; 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查抄钻研组拟定之推算模型的精度, 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, 模型中资料的刚度是变动的, 直到同量测的变形值吻合为止, 若是所预测的变形散布情况同量测值分歧时, 则必须批改模型, 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磅的沉型卡车所提供, 依照预先确定的打算在桥面的分歧点施加荷载, 量测桥梁对荷载施加后的反映有两种蹊径: ①用精度大于1微弧度的倾斜计来量测纵向的动弹, 倾斜计事先已经安设在桥梁内部的分歧地位上; 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暗示试验时荷载的三种分歧地位, 图10暗示接缝33处由倾斜计量测的动弹, P1, P2和P3之间的状态是由桥面上卡车的移动所引起。
图9 试验中的三种荷载地位
图10 接缝33处的倾斜
图11 受弯梁中的动弹
最后汇报(T.Y.Lin, 1990)中的结论是: ”试验数据显示, 通常的丈量了局对温度的影响很活络, 而倾斜计可能陆续纪录整个功夫内的动弹, 另一方面, 它也可同时量测由于卡车荷载所引起的动弹, 只管通常丈量步骤中的温杜装响有可能进行校对, 但依然感应倾斜计的动弹量测了局拥有更高的精度。”
通过该钻研确定, 该桥上部结构的不正常剖面重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, 相信该规划可节造未来产生更大的挠度, 也可预防在中跨产生裂缝以及复原这座桥接受较大的荷载领域。
结论
用倾斜计对三座桥梁的量测了局讲了然这种仪器设备的多职能性, 在肯定的前提下, 这种电子倾斜计可有效地包办通常的丈量步骤, 速度更快, 精度更高以及价值更低, 它在桥梁监测中拥有很高的技术水平, 并能提供每天24幼时的监测和自动地预报那些不利的发展趋向。
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