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前言

近幾年來, 傾斜計已經大量應用于建筑監測, 結構物的試驗和橋梁的長期監測中, 在西雅圖的新Swing橋上要求用這種設備進行施工和長期監測; 金門橋最近設置了傾斜計系統進行連續地監測; 在完工十多年以后, 對破損的Parrotts Ferry橋進行荷載試驗, 傾斜計的監測結果比通常的測量方法要好很多。這三個例子說明, 傾斜計可廣泛地應用在橋梁的監測中。

  傾斜計

傾斜計是量測相對于重力矢量而產生的轉動位移(位移梯度), 這些位移可能是由于結構物承受荷載, 彎矩或剪力而造成的, 雙向的傾斜計可量測兩個相互垂直方向的轉動, 兩個方向讀數的矢量和表示結構物傾斜的真正方向和大小。

現代化的電子傾斜計使用一個電解質的水平探頭作為它內部的感應元件, 該探頭裝在部分充填導電溶液的玻璃管中, 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,用一個電壓分流計可檢測出探頭中電阻的變化, 然后放大和轉換成高水平的信號, 最后用標準的記錄儀可很容易地量測它們, 沒有任何機械式的部件, 故不會產生零漂和磨損, 因此, 這種簡單而可靠性高的技術甚至可量測出較小的結構物位移。

為了消除電信號的漂移和噪聲, 這種傾斜計由內部的放大器和微型電極所組成, 即沒有普通應變計和其它精密探頭所存在的這些問題。

用這種傾斜計的技術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行很多以前是困難的或不可能的量測任務(詳見附錄中角度轉換系數部分)。

傾斜計的數據可應用到如下的方面:

● 傾斜計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；
● 轉動量的數字積分可反映結構物的變位形態；
● 由傾斜計的量測值可導出結構物的剛度；
● 傾斜計可直接量測那些同沉降與其它基礎問題有關的差動位移和剪切應變；
● 傾斜計可容易地進入到全自動的記錄系統中, 因此, 它適用于結構物的長期監測中。

金門橋的監測

圖1 金門橋的南塔架

  圖2 在防水盒中的雙向傾斜計

1990年, 在金門橋地區安設了兩個雙向傾斜計組成監測系統, 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有能力抵抗海浪沖刷環境達很多年(圖2), 于是就用這種新型的傾斜計代替了30年代修橋時安裝的老式水銀管式傾斜計(1990年Civil Engineering)。

傾斜計監測系統的目的是監測由于沉降, 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, 以便于將來該地區發生地震以后對橋墩的狀態進行對比。實際上, 緊跟著大地震以后, 評價結構物和基礎的破壞程度是一件困難的任務, 但人們往往要求立即進行, 而傾斜計系統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。

傾斜計的讀數自動地記錄在每一個塔架橋面標高處的兩臺數據采集儀中, 然后通過調制解調器將這些數據傳輸到橋梁管理處中, 在那里進行分析和存儲。監測系統中的數據顯示, 塔架每天移動約25個微弧度, 相當于他們的熱彈性循環(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

西雅圖渡橋的監測

在西雅圖得獎的新渡橋上使6個雙軸傾斜計得到了應用, 設計者(ABKJ)用四種不同的方式來使用它們。

該橋(圖4)用花瓣狀長418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英尺的鋼結構軸筒上, 為了打開或關閉橋梁, 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三個傾斜計, 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部(圖5)。

在施工時, 傾斜計可用來使軸筒達到真正的豎直狀態, 起先這個任務試圖用普通的光學量測來完成, 但按照ABKJ設計工程師Gary Conner的意見, “當我們發現用傾斜計來執行該任務更快和準確時, 便放棄了這種量測方法”。實際執行這種量測工作還受空間狹窄的限制和需要多次設置方能測量軸筒的各邊。

相反地, 將傾斜計簡單地固定在軸筒的的邊上, 并使軸筒轉動360°, 一個非豎直的軸筒將使讀數產生正弦曲線的變化, 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, 當到達真正的豎直位置時, 盡管轉動軸筒360°, 讀數始終保持常數

圖5 布置在筒軸上的傾斜計

圖6 軸筒的校正數據(偏離豎直線225微弧度) 

              圖7：澆筑7~21節時軸筒的傾斜變化

當澆注主跨和邊跨時, 使用傾斜計來保證不會產生任何危險的不平衡現象, 圖7表示了灌注15節不同的分段(每一節長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, 最后一節的澆注引起了約0.5英寸的標高變化。

傾斜計還提供了一項非計劃中的特性, 即當施工時, 一艘裝滿木材的船撞擊支撐, 約100英尺長的護樁墻和兩根39英尺長的護墩樁被剪出了泥線, 這種撞擊就發生在一個軸筒的旁邊, 比較嚴重的是軸筒及其基礎已經部分破壞了, 但是, 傾斜計的監測結果顯示, 同撞擊前沒有甚么變化, 于是下定決心按照預定的計劃繼續工作。

該橋梁與1991年正式啟用, 傾斜計將繼續工作, 以便在這個地震活動區維護軸筒的直線性和監測橋梁及其基礎的完整性。

Parrotts Ferry橋的監測

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構, 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構, 使用縱向后張拉的輕質混凝土, 豎直和橫向布置高強度鋼筋和鋼纜。該橋有兩年的施工期, 于1979年完工。

完工以后的5個月內, 中跨產生約11英寸的蠕變撓度, 經過10年以后, 測量發現中跨又附加了11英寸的撓度, 1989年, 美國陸軍工程師軍團開始對該橋進行研究, 以便于①評價問題產生的原因; ②進行相應的維修設計; ③確定安全荷載的極限值。

對橋進行靜載試驗來評價鋼筋混凝土的剛度和檢查研究組擬定之計算模型的精度, 該類試驗由對橋加載和對比實測與模型預測之變形(傾斜, 應變和/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, 直到它達到真實而精確的預測值為止。

試驗荷載由兩輛140,000磅的重型卡車所提供, 按照預先確定的計劃在橋面的不同點施加荷載, 量測橋梁對荷載施加后的反應有兩種途徑: ①用精度大于1微弧度的傾斜計來量測縱向的轉動, 傾斜計事先已經安設在橋梁內部的不同位置上; ②用架設在一個橋臺上的經緯儀和橋面上的一個立尺員來測量豎直的變位, 圖9表示試驗時荷載的三種不同位置, 圖10表示接縫33處由傾斜計量測的轉動, P1, P2和P3之間的形態是由橋面上卡車的移動所引起。

          圖9 試驗中的三種荷載位置

圖10 接縫33處的傾斜

圖11 受彎梁中的轉動

最后報告(T.Y.Lin, 1990)中的結論是: ”試驗數據顯示, 普通的測量結果對溫度的影響很靈敏, 而傾斜計能夠連續記錄整個時間內的轉動, 另一方面, 它也可同時量測由于卡車荷載所引起的轉動, 盡管普通測量方法中的溫度影響有可能進行校正, 但仍然感到傾斜計的轉動量測結果具有更高的精度。”

通過該研究確定, 該橋上部結構的不正常剖面主要是由于輕質混凝土的蠕變所組成, 建議在橋梁內部的下面更新鋼纜, 相信該方案可控制將來產生更大的撓度, 也可防止在中跨產生裂縫以及恢復這座橋承受較大的荷載范圍。
 

結論

用傾斜計對三座橋梁的量測結果表明了這種儀器設備的多功能性, 在一定的條件下, 這種電子傾斜計可有效地代替普通的測量方法, 速度更快, 精度更高以及價格更低, 它在橋梁監測中具有很高的技術水平, 并能提供每天24小時的監測和自動地預報那些不利的發展趨勢。