基于連通管原理的港珠澳大橋荷載試驗撓度測試的應(yīng)用及精度分析

程景揚

(廣東省交通運輸建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，廣州 510420)

0 概述

橋梁是公路和鐵路交通網(wǎng)中的關(guān)鍵組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)安全關(guān)系著運維安全，對于確保交通網(wǎng)安全暢通具有重要意義。公路橋梁荷載試驗是橋梁交工檢測中不可或缺的一環(huán)，能直接反映結(jié)構(gòu)承載能力及動力特性的重要指標(biāo)。在外荷載作用下(如車輛荷載、風(fēng)荷載等)，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移及變形反映了橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度，是橋梁在結(jié)構(gòu)安全驗證及評估方面的重要參數(shù)。

(1)橋梁撓度測試中最常用的測量儀器為百分表、千分表及撓度計，這類儀表的原理通常是機械式的，可以比較方便和直接地測量結(jié)構(gòu)的位移。該類檢測方法具有快速、穩(wěn)定及高精度等特點，但現(xiàn)場需要地面相對不動的支架，所以僅適用于橋梁凈空不高、方便搭設(shè)支架、布設(shè)不動點的地方或測量支座位移。

(2)光學(xué)(光電)儀器：可用于測量橋梁變形的光學(xué)設(shè)備及方法比較多，如測量靜態(tài)變形或撓度的高精度全站儀、精密水準(zhǔn)儀等。高精度全站儀具有快速、實時、高精度等特點，部分智能型(如徠卡TS60)全站儀的預(yù)學(xué)習(xí)、360°旋轉(zhuǎn)自尋目標(biāo)、自動測讀記錄數(shù)據(jù)等功能，對大橋撓度測量無論是保證數(shù)據(jù)質(zhì)量或是提高現(xiàn)場檢測效率、減輕勞作強度等方面都非常有用；精密水準(zhǔn)儀操作簡捷、自動觀察和記錄，既能即時數(shù)字顯示測量結(jié)果，也可將觀測結(jié)果輸入計算機后處理。

由于港珠澳大橋主體工程地處于純海工環(huán)境，不可能設(shè)置有線測量儀表的基座，故有線位移測量儀表不適用于該荷載試驗靜態(tài)撓度的測試。高精度全站儀測量需在橋梁下方設(shè)置站位，計劃可在主橋承臺設(shè)置，但由于荷載試驗的實施均在主體工程完成后至通車前，通往承臺的臨時鋼棧橋均已拆除，無法到達(dá)承臺，故使用高精度全站儀測量荷載試驗靜態(tài)撓度也不可行。荷載試驗的檢測對象為全長1 150m的青州航道橋，所需的人員和設(shè)備較多，且橋址現(xiàn)場的風(fēng)速普遍大于3級風(fēng)，(《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》 JTG/T J21-01-2015規(guī)定懸索橋、斜拉橋、大跨徑桁架拱橋及特高墩橋梁等結(jié)構(gòu)的荷載試驗，宜在3級風(fēng)及3級風(fēng)以下實施)，因此，能實現(xiàn)高精度、實時、快速、穩(wěn)定自動檢測橋梁結(jié)構(gòu)位移方法，是該種海工環(huán)境靜載試驗過程中非常關(guān)注的問題。

連通管位移檢測系統(tǒng)由液體(水或其他液體)、管道以及傳感器(液位或壓力)等組成，通過在結(jié)構(gòu)上安裝并固定充滿液體的管道，各關(guān)鍵點布置壓力變送器，測量管道中各點的液體壓力差，從而獲得各點的位移。由于該方法具有不受多方位變形、現(xiàn)場惡劣環(huán)境影響、讀數(shù)穩(wěn)定、精度高等特點，并且在耐久性和經(jīng)濟性等方面具有較明顯的優(yōu)勢，在大壩變形、地面沉降及特大型橋梁結(jié)構(gòu)靜態(tài)監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，連通管的應(yīng)用與研究多以橋梁結(jié)構(gòu)長期撓度的監(jiān)控為主，針對大跨徑公路橋梁靜載試驗的撓度測試的應(yīng)用相對較少，因此開展橋梁靜載試驗過程中連通管撓度測量的應(yīng)用及精度分析，對于靜載試驗精確測量結(jié)構(gòu)位移的方法選擇具有重要的意義。

本文針對應(yīng)用于大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗的壓力場連通管位移檢測系統(tǒng)，根據(jù)連通管的基本原理，并以實際橋梁工程作為背景，對荷載下橋梁靜態(tài)撓度檢測方法(主要為電子水準(zhǔn)儀及連通管)的應(yīng)用進(jìn)行精度分析。

1 結(jié)構(gòu)靜態(tài)位移檢測原理

壓力連通管位移檢測系統(tǒng)是根據(jù)連通管基本原理，利用管道、水箱在橋梁結(jié)構(gòu)需要檢測的部位建立壓力場，管道沿橋梁梁體縱向鋪設(shè)并固定在梁體側(cè)壁或橋面上，按照要求水箱固定在高程不變處(如橋外或塔柱上)，在靜載試驗過程中需要檢測的部位布設(shè)壓力變送器，如圖1所示。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)在外荷載或其他因素作用下產(chǎn)生變形時，該處的管道及壓力變送器則隨著結(jié)構(gòu)變形，而固定在橋外或者塔柱上的水箱內(nèi)液位高度及壓力是不會變化的，因此測點處管道壓強必然改變[1-2]。

圖1 壓力連通管檢測原理

在靜載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)某點的變形為u1，根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，則該點的靜態(tài)壓力差為ΔF1。

ΔF1=u1ρg

(1)

式中：ρ—管內(nèi)液體密度;

g—重力加速度。

通過壓力變送器采集該部位壓力差值ΔF1，并轉(zhuǎn)化成模擬信號，再通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為橋梁變形的數(shù)字信號。

2 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是聯(lián)結(jié)一省兩地的超級跨海通道，是我國具有國家戰(zhàn)略意義的世界級跨海通道。港珠澳大橋主體工程跨徑最大的通航孔橋為青州航道橋，結(jié)構(gòu)采用雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，橋梁跨徑組合為110m+236m+458m+236m+110m，全長1 150m。橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度35.8m，行車道數(shù)為雙向六車道，最大縱坡為3.5%，橋面橫坡為2.5%。橋面橫斷面布置為檢修道(1.35m)+護(hù)欄(0.50m)+硬路肩(3.30m)+行車道(3×3.75m)+左側(cè)路緣帶(0.50m)+中央分隔帶(2.0m)+右側(cè)路緣帶(0.50m)+行車道(3×3.75m)+硬路肩(3.30m)+護(hù)欄(0.50m)+檢修道(1.35m)，如圖2和圖3所示。

圖2 青州航道橋立面

圖3 青州航道橋主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

沿主梁縱向在中跨8分點、次邊跨4分點及距58#墩85m處共布置18個撓度測試斷面，在橫橋向各斷面布置2個測點，通過將差壓式傳感器固定在鋼護(hù)欄上，利用連通管對撓度進(jìn)行測試。其中工況一對3#～19#測試斷面進(jìn)行測試，并在撓度最大斷面11#斷面距左、右及中央防撞欄30cm處布置4個水準(zhǔn)儀測點，利用電子水準(zhǔn)儀觀測;工況二對7#～19#、22#測試斷面進(jìn)行測試,并在撓度最大斷面22#斷面距左、右及中央防撞欄30cm處布置4個水準(zhǔn)儀測點，利用電子水準(zhǔn)儀觀測。

圖4 青州航道橋撓度觀測布置

3 試驗和檢測結(jié)果

3.1 偏載

靜載試驗工況一(偏載)于2017年10月26日20:00至23:10之間進(jìn)行。試驗開始時大氣溫度為24.7℃，結(jié)束時大氣溫度為24.5℃，靜載試驗過程中大氣溫度變化0.2℃；風(fēng)速在0.9～3.0 m/s之間。試驗過程中溫度基本恒定，故測試結(jié)果可不考慮大氣溫度變化的影響。主要結(jié)果分析評定見表1。

表1 工況一偏載中跨跨中各測點撓度實測值 (單位：mm)

由表1可知：滿載時，S1截面連通管測點Z11#、Y11#的平均撓度為-665.8mm，殘余撓度為-10.7mm，彈性撓度為-655.0mm;電子水準(zhǔn)儀測點11-1#、11-2#、11-3#和11-4#號的平均撓度為-665.5mm，殘余撓度為-12.3mm，彈性撓度為-653.2mm，兩種方法測試數(shù)據(jù)基本一致。

圖5 工況一偏載中跨跨中左側(cè)撓度實測值

圖6 工況一偏載中跨跨中右側(cè)撓度實測值

圖7 工況一偏載中跨跨中撓度平均實測值

3.2 中載

靜載試驗工況一(中載)于2017年10月25日20:30至24:00之間進(jìn)行。試驗開始時大氣溫度為24.3℃，結(jié)束時大氣溫度為23.5℃，試驗過程中大氣溫度變化0.8℃；風(fēng)速在0.8～2.0m/s之間。靜載試驗過程中溫度基本恒定，故測試結(jié)果可不考慮大氣溫度變化的影響。主要結(jié)果分析評定見表2。

由表2可知：滿載時，S1截面連通管測點Z11#、Y11#的平均撓度為-776.8mm，殘余撓度為-10.7mm，彈性撓度為-766.0mm;電子水準(zhǔn)儀測點11-1#、11-2#、11-3#和11-4#號的平均撓度為-770.8mm，殘余撓度為-13.0mm，彈性撓度為-757.8mm，兩種方法測試數(shù)據(jù)基本一致。

表2 工況一中載中跨跨中各測點撓度實測值 (單位：mm)

圖8 工況一中載中跨跨中左側(cè)撓度實測值

圖9 工況一中載中跨跨中右側(cè)撓度實測值

圖10 工況一中載中跨跨中撓度平均實測值

4 結(jié)論

(1)基于港珠澳大橋青州航道橋的試驗結(jié)果，對連通管及精密水準(zhǔn)儀的檢測結(jié)果進(jìn)行了對比分析。工況一偏載的實測撓度平均值偏差為0.05%，工況一中載的實測撓度平均值偏差為0.78%，兩種方法測量結(jié)果高度吻合，表明連通管測量大跨徑橋梁靜載試驗撓度具有較高的測量精度。

(2)基于連通管原理的靜載試驗撓度檢測方法具有讀數(shù)快、精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、不受環(huán)境影響等特點，對于大跨徑、檢測環(huán)境惡劣的橋梁結(jié)構(gòu)的靜載試驗，能較好地滿足檢測及精度要求。