基于三角邊長關系式的曲線彎橋上構爬移監(jiān)測方法

郝天之，毛志剛，劉詩媛

(1.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.柳州歐維姆工程機械股份有限公司，廣西 柳州 545005；3.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004)

0 引言

杜濤通過對津保南線勝利大橋彎箱梁“爬移”現(xiàn)象機理的分析，指出該彎梁橋產(chǎn)生“爬移”的根本原因可歸納為三個方面：(1)溫度力的作用；(2)施工及運營造成的原因；(3)支承體系設計不合理[5]。李民通過對十一經(jīng)路、順馳橋和民權門立交橋三座橋梁的病害案例進行研究，采用通用有限元分析程序進行分析計算的操作，對比分析了當箱梁承受制動力、溫度應力、離心力等外界受力和材質、施工及預應力改變等內(nèi)因變化的情況下產(chǎn)生的規(guī)律，研究并設計糾偏加固技術和多項抗偏移扭轉措施，以達到舊橋治理的目的[6]。韓宗澤通過對梁體偏移、橋面橫坡發(fā)生變化的原因進行研究，介紹了對梁體進行糾偏和調整梁體姿態(tài)，恢復并保持梁體最小次應力狀態(tài)的施工方法[7]。劉華通過潤揚長江公路大橋世業(yè)洲互通匝道橋，對預應力混凝土連續(xù)彎箱梁橋的側向位移問題進行了比較系統(tǒng)的研究。研究表明，彎梁橋的“爬移”現(xiàn)象與彎梁橋支座的橫向推力、豎向拉反力的出現(xiàn)和梁橋自身的彎梁構造形式都密切相關[8]。涂慧敏對近幾年來彎梁橋發(fā)生的滑移(爬移)翻轉問題工程實例進行分析，并通過有限元分析軟件Midas/Civil進行跨徑相同、曲率半徑不同情況下的彎箱梁橋支座內(nèi)力和梁體位移分析，并討論了在實際工程當中出現(xiàn)該問題的解決措施和辦法[9]。徐毅指出依托工程曲線連續(xù)箱梁橋產(chǎn)生曲線外側徑向偏位是各種效應相互作用并隨著時間不斷累積的結果，運營階段的車輛荷載和伸縮縫填塞后的溫度作用是導致該曲線連續(xù)箱梁橋發(fā)生曲線外側扭轉和徑向偏位的較大影響因素[10]。

曲線彎橋的爬移，輕則導致梁段伸縮縫的剪切破壞，影響其使用壽命，重則會出現(xiàn)支承結構破壞、梁體滑移和翻轉。橋梁在使用過程若出現(xiàn)該類問題，不僅影響交通，而且加固起來非常困難，可能會造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)經(jīng)濟損失。

目前，常用的爬移檢測方法主要有目測法及全站儀觀測法。目測法主要是采用肉眼觀測防撞墻的順直情況、伸縮縫間距及橫向錯位情況，該方法誤差較大、對梁體爬移難以精確定量，觀測人員要走上橋面觀測，對繁忙的城市橋梁交通有一定影響，且繁忙的車流使觀測工作員的人身安全面臨危險；全站儀觀測法需在橋面或梁底邊緣設置觀測點或觀測標志，觀測站一般設置在周圍的樓頂或可以通視地面的位置，采用強制對中裝置，測量工作周期相對較長，爬移測量精度低且不能做到實時動態(tài)觀測。因此，至今還沒有針對曲線彎橋的爬移的自動觀測、監(jiān)測方法，所以在橋梁健康監(jiān)控、檢測領域急需一種精度高、自動化、實時動態(tài)的曲線彎橋爬移監(jiān)測方法，為此本文提出基于三角邊長關系解析式的橋梁爬移監(jiān)測方法。

1 基于三角邊長關系式的爬移監(jiān)測算法

本文主要提出了一種自動化程度高、實時動態(tài)、精度較高的曲線連續(xù)箱梁爬移自動監(jiān)測方法，以實現(xiàn)箱梁縱、橫向位移的自動監(jiān)測，便于判別橋梁結構健康狀況及結構安全。

該方法主要包括以下幾個步驟[12-13]：

(1)在墩頂?shù)牧旱谆蚯拾霃捷^小連續(xù)梁、曲直梁接合處的端底部梁底固定安裝位移傳感器底座A。

(2)在墩頂支座墊石或參照的梁端底部固定安裝位移傳感器底座B和C，底座B和C中心連線的延長線垂直于曲線梁中心線，底座A、B、C任意兩個中心間距均為250～400 mm，且底座A、B、C中心連線為銳角三角形。

(3)底座A、B及底座A、C之間分別安裝位移傳感器SB和SC，并調整位移傳感器的初始位置處于量程的中間位置。

(4)采用游標卡尺測量底座B和C、A和C、A和B固定軸的中心間距LBC、LAC、LAB。

(5)位移傳感器接入采集器，設置初始零點及采樣時間間隔，如下頁圖1所示。

圖1 基于三角邊長變化位移關系式圖

(6)采用公式計算出爬移量，公式為：

(1)

或

(2)

式中，Δx正號表示A點向x軸的負方向移動，負號表示A點向x軸的正方向移動；式2中，Δx正號表示A點向x軸的正方向移動，負號表示A點向x軸的負方向移動。

(3)

或

(4)

式中，Δy正號表示A點平行于y軸正方移動，負號表示A點平行于y軸負方向移動。

則

(5)

式中，s表示總爬移量。

(6)

(7)

式中，ΔAB、ΔAC分別表示傳感器SB、SC的位移的示值，ΔAB及ΔAC的正號表示傳感器被拉伸，負號表示傳感器被壓縮。

2 基于三角邊長關系式的監(jiān)測裝置

傳感器底座具有可供傳感器的傳動桿自由轉動的軸，該軸直徑D=6～8 mm，該軸與被測梁底面垂直；傳感器底座與梁體焊接或鉆孔后膨脹螺釘連接。其示意圖見圖2。

圖2 傳感器底座結構示意圖

位移傳感器的傳動桿和支撐桿中間位置均有調節(jié)伸縮長度調節(jié)螺母，傳感器的傳動桿和支撐桿端部有可繞底座的固定軸和自由轉動的鉸鏈，鉸鏈圓孔直徑D′=D+0.02 mm，傳感器量程為伸縮縫自由伸縮量的2.5倍或預計梁爬移位移量的2.5倍。其示意圖見圖3。

圖3 位移傳感器結構示意圖

采集器中的數(shù)據(jù)采用無線網(wǎng)絡、傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡或者電力線網(wǎng)絡實時傳輸至服務器；服務器系統(tǒng)采用B/S架構，提供數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、報表瀏覽等服務，用戶通過瀏覽器訪問服務器提供的應用服務功能。

3 應用工程實例

3.1 梁端監(jiān)測

如圖4所示，某曲線連續(xù)梁橋，在被測的梁底安裝傳感器底座A，在參照的梁端底部安裝傳感器底座2個，底座編號分別為B、C，底座B、底座C中心連線的延長線垂直于曲線梁中心線。底座A、底座B及底座A、底座C之間各安裝位移傳感器1個，采用游標卡尺測量B、C傳感器底座中心間距為LBC=350.77 mm，A、C傳感器底座中心間距為LAC=320.98 mm，A、B傳感器底座中心距為LAB=340.08 mm。把傳感器通過數(shù)據(jù)線連接至采集器，采集器中的數(shù)據(jù)采用無線網(wǎng)絡實時傳輸至服務器，服務器利用公式(1)和式(3)計算兩個方向的爬移量，測試結果見表1。

圖4 實例1的曲線連續(xù)箱梁爬移示意圖(梁端底面)

LBCLACLABΔACΔABΔxΔy350.77320.98340.088.976.88-1.599.38350.77320.98340.0812.453.55-8.159.69350.77320.98340.0812.684.53-7.4110.38350.77320.98340.0812.705.33-6.6410.83350.77320.98340.0813.326.24-6.3411.72350.77320.98340.0813.736.64-6.3412.19350.77320.98340.0814.376.81-6.7712.68350.77320.98340.0814.957.17-6.9813.23350.77320.98340.0815.227.61-6.8013.63

3.2 支座監(jiān)測實例

如圖5所示，某曲線連續(xù)梁橋，在被測的梁底安裝傳感器底座A，在支座墊石上安裝傳感器底座2個，底座編號分別為B、C，B、C底座中心連線的延長線垂直于曲線梁中心線。采用游標卡尺測量B、C傳感器底座中心間距為LBC=380.56 mm，A、C傳感器底座中心間距為LAC=420.12 mm，A、B傳感器底座中心距為LAB=360.48 mm。把傳感器通過數(shù)據(jù)線連接至采集器，采集器中的數(shù)據(jù)采用有線網(wǎng)絡實時傳輸至服務器，服務器利用式2和式4計算兩個方向的爬移量，測試結果見表2。

圖5 曲線連續(xù)箱梁爬移示意圖(墩頂面或墊石頂面及梁底面)

LBCLACLABΔACΔABΔxΔy380.56420.12360.483.172.820.833.33380.56420.12360.484.063.251.404.01380.56420.12360.484.773.841.644.73380.56420.12360.484.964.121.595.00380.56420.12360.485.144.501.415.35380.56420.12360.486.125.121.936.20380.56420.12360.486.995.542.496.86380.56420.12360.487.236.152.177.39380.56420.12360.487.386.681.847.83

4 結語

本文針對現(xiàn)有曲線彎橋爬移量測量手段存在的問題，介紹了一種基于三角邊長關系解析式的曲線連續(xù)箱梁爬移自動監(jiān)測方法。

(1)利用位移傳感器基于三角邊長關系經(jīng)幾何推導得到爬移量的計算公式(式1～7)。

(2)根據(jù)爬移量計算公式建立了曲線連續(xù)箱梁爬移自動監(jiān)測方法。該法可全天候動態(tài)實時了解梁體的爬移情況，監(jiān)測結果精度比全站儀監(jiān)測法高，避免了復雜位移中的角度測量精度低、設備昂貴等問題。

(3)本文介紹的方法可應用于橋梁健康監(jiān)控、檢測領域，實現(xiàn)高精度、自動化、實時動態(tài)地測量曲線連續(xù)梁橋爬移量，以判別橋梁健康狀況及結構安全。

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