基于傾角儀測試鐵路橋梁靜態(tài)撓度

趙立珍，何先龍

（1.防災(zāi)科技學院，河北 三河 065201；2.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

鐵路橋梁的撓度與橋梁的承載能力及抵御地震等動荷載的能力有密切的關(guān)系，是其安全性評價的一項重要指標。因此，鐵路橋梁動、靜撓度測量方法的研究和儀器設(shè)備的開發(fā)研制對于橋梁承載能力檢測和橋梁的防震減災(zāi)有著重要的意義[1-3]。目前常用的橋梁靜態(tài)撓度測量方法主要有懸錘法、水準儀直接測量法和水準儀逐點測量法。懸錘法設(shè)備簡單，操作方便，費用低廉，廣泛應(yīng)用在橋梁撓度測量中，但該測量方法要求在測量現(xiàn)場有靜止的基準點，所以一般只適用于干河床情形，只能測量某些觀測點的靜撓度（一般只測跨中的靜撓度），難以給出其他的非測點靜撓度值。水準儀直接測量法采用水準儀（或經(jīng)緯儀）和標尺，根據(jù)加載前后設(shè)置在跨中的標尺讀數(shù)差得到跨中的靜撓度，該方法測量準確度較高，但儀器同樣要求布置在靜態(tài)基準點，使用范圍有限。QY型傾角儀測量法是通過在測橋梁上布設(shè)QY型傾角儀[2-3]，測量橋梁各測點的傾角值，然后通過專用軟件給出橋梁各跨的靜態(tài)和動態(tài)撓度曲線，且準確度很高。QY型傾角儀是在回轉(zhuǎn)擺上利用電容傳感技術(shù)和無源伺服技術(shù)構(gòu)成的高靈敏度抗振動干擾的傾角測量儀器，其輸出電壓與所測橋梁截面的轉(zhuǎn)角成正比。

1 橋梁撓度計算方法

傾角儀所測參量為橋梁截面的坡度值，需要把坡度值積分、擬合成撓度曲線[2-4]。最小二乘法是一種很好的曲線擬合方法，因此該設(shè)計采用此方法來計算和擬合撓度曲線。設(shè)被測橋梁有m跨（m=1時為單跨的簡支橋梁），第i跨布設(shè)k個傾角儀，適當選取第i跨橋梁的撓度曲線yi（x），使之滿足該跨所有支座的撓度邊值約束條件：

式中：Gj（x）——合理選取的正交函數(shù)組，它是k-1維線性空間的一組基函數(shù)；

A（x）——適當選擇的滿足該段橋梁支座撓度邊值條件的函數(shù)；

aj——基函數(shù)Gj（x）的常系數(shù)。

根據(jù)實際測得的傾角值qj（j=1，2，…，k）就可以建立有k個方程組成的方程組：

將各跨橋梁的撓度曲線累加在一起，得到所測橋梁撓度方程為

2 靜態(tài)撓度對比測試

QY型傾角儀測量橋梁撓度，克服了以往橋梁撓度測量方法的不足，不僅適用于簡支梁和靜載情形,而且適用于連續(xù)梁和動載情形。實驗室對比測量表明，該方法的準確度滿足工程要求[3-5]。該儀器在多座公路橋梁上，與水準儀和光電撓度儀進行過對比，所得結(jié)果的誤差在1%內(nèi)[4]，已在北京、九江、哈爾濱、大慶、烏魯木齊等地的多座公路橋梁撓度測量中得到應(yīng)用，并引起工程界的重視[3-5]。該測試以檢測QY傾角儀測量方法在鐵路橋梁大跨度撓度測試中的應(yīng)用效果為目的，與吉林橋檢隊合作，在焦柳鐵路線上的融水大橋上完成了QY傾角儀與水準儀的對比實驗。

融水大橋長為305 m，建設(shè)于20世紀70年代，為剛架連續(xù)梁橋，共有4跨組成，分別長65，80，80，80m。采用QY型橋梁撓度測試系統(tǒng)和水準儀，對第3跨進行靜態(tài)撓度測試。靜態(tài)荷載為長55m的帶有2個火車頭的載物火車，質(zhì)量約為60t。

測試采用同一荷載分別加載在橋梁的不同位置和采用5臺QY型傾角儀均勻布置在橋梁第3跨內(nèi)，水準儀安裝在第3跨橋墩上，瞄準安裝在第3跨跨中位置的量尺。融水大橋的結(jié)構(gòu)平面圖和加載位置如圖1和表1所示。靜態(tài)撓度測試共進行了4個工況的加載測試，各工況所得撓度曲線，撓度測試結(jié)果見表2。

由圖2～圖9可得到該次測得的撓度曲線與有限元分析所得撓度曲線非常相似，由表2可得QY傾角儀測得第3跨40 m處的撓度值與水準儀測得值非常接近。水準儀和QY傾角儀所測得的撓度值，在4個工況下都小于有限元分析所得撓度值。這是因為有限元分析時，把連續(xù)橋梁的每一跨當作一個整體的簡支梁來分析，而實際上橋梁各跨都是有幾塊鋼板連接而成的，故在橋梁健康情況下，所測得撓度值一般小于有限元分析所得值[6-9]。

圖1 廣西融水大橋結(jié)構(gòu)平面圖

表1 各工況加載情況

圖2 工況1測得撓度曲線

圖3 工況1有限元分析所得撓度曲線

圖4 工況2測得撓度曲線

圖5 工況2有限元分析所得撓度曲線

圖6 工況3測得撓度曲線

圖7 工況3有限元分析所得撓度曲線

圖8 工況4所測得撓度曲線

圖9 工況4有限元分析所得撓度曲線

表2 靜態(tài)加載時，第3跨40m處的撓度值

3 結(jié)束語

QY型傾角儀在鐵路橋梁上的應(yīng)用與水準儀的對比實驗表明：YQ-2型傾角儀能準確地測試鐵路橋梁的靜態(tài)撓度，測試誤差小于1.5%；在橋梁撓度變化值較大時，測試值相差不到0.2mm，反映了儀器具有較大的量程，其準確度可達到0.2mm。這說明利用傾角儀測試鐵路橋梁撓度的結(jié)果可靠、準確度有保證。相比水準儀等傳統(tǒng)撓度測試儀，利用傾角儀實測數(shù)據(jù)，可計算橋梁任何一點的撓度值及整跨的撓度變化曲線。

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