基于壓力傳感器的封閉式連通管在大跨徑橋梁撓度長期監(jiān)測中的應(yīng)用

李喬喬

(廣東交科檢測有限公司，廣州 510550)

0 引言

在大跨徑橋梁長期監(jiān)測中，撓度監(jiān)測是一項主要的監(jiān)測內(nèi)容，對撓度進行監(jiān)測，可以及時了解結(jié)構(gòu)營運的工作狀態(tài)，指導(dǎo)日常管理養(yǎng)護。大跨徑連續(xù)梁梁體裂縫的出現(xiàn)及預(yù)應(yīng)力的損失會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降，進而引起結(jié)構(gòu)下?lián)?；同時開裂下?lián)嫌謺?dǎo)致結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的損失而使得開裂情況進一步加劇，形成惡性循環(huán)。因此，對大跨徑橋梁的梁體進行撓度監(jiān)測，及時了解橋梁的營運工作狀態(tài)，十分必要。

常規(guī)的對大跨徑橋梁進行長期監(jiān)測的方法有：水準(zhǔn)測量、全站儀三角高程測量等。目前，一些新的撓度測量方法，如GPS法、雷達法、圖像法、連通管法等逐漸在一些橋梁監(jiān)測中得到嘗試和應(yīng)用，取得了一些進展。本文以基于壓力傳感器的封閉式連通管法在樂廣高速公路白土北江特大橋上長期撓度監(jiān)測為例，分析該方法的優(yōu)缺點。同時采用常規(guī)水準(zhǔn)測量的方法來對該橋進行長期監(jiān)測，用常規(guī)水準(zhǔn)測量的方法與封閉式連通管法的長期監(jiān)測的變化趨勢作對比分析。

1 工程概況

白土北江特大橋是樂廣高速公路上一座跨越北江主航道、通航等級為III級的特大橋。橋跨布置為42×25m(先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)小箱梁)+15×30m(先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)小箱梁)+(100m+180m+100m)(連續(xù)剛構(gòu))+13×30m(先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)小箱梁)，橋梁全長2276.8m。主橋上部結(jié)構(gòu)采用(100m+180m+100m)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，箱梁0號塊長12m，每個懸澆“T”縱向?qū)ΨQ劃分為24個節(jié)段。主墩墩身采用雙肢等截面圓端形實心薄壁墩。橫橋向為減少阻水面積，端部采用圓弧形，墩身設(shè)D500H橡膠護弦。主墩承臺厚4m，左、右幅橋的承臺連成整體?；A(chǔ)采用直徑為2.4m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，每墩共14根樁。主橋、引橋間的過渡墩墩身采用等截面矩形實心薄壁墩，承臺厚3.0m，基礎(chǔ)為雙排4根直徑為1.8m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 連通管撓度測量的原理

封閉式連通管撓度測量系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。測量的基本過程是：布設(shè)與梁體位移協(xié)調(diào)的連通管道，根據(jù)測管液位與橋梁撓度之間的物理關(guān)系，換算得到測點的撓度。封閉式測管布置，在全橋立局部水壓力場，在每個撓度測點布置壓力傳感器，監(jiān)測壓力變化，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)壓力場與結(jié)構(gòu)撓度的對應(yīng)關(guān)系，得到結(jié)構(gòu)的撓度變化。t時刻測點i變形變化量δi(t)：

δi(t)=Hi(t)-Hi(t0)=

式中：Hi(t)為t時刻測點i與基準(zhǔn)點的高差，在封閉式連通管系統(tǒng)中由H=P/ρg計算而來。與t0時刻Hi(t0)的差值就是測點i相對初始時刻的變形變化量。

3 常規(guī)水準(zhǔn)測量撓度的原理

常規(guī)水準(zhǔn)測量的原理是利用水準(zhǔn)儀提供的“水平視線”，測量兩點間的高差，從而由已知高程推算出未知點高程。通過每次測量的高程值計算相應(yīng)的撓度值，經(jīng)過不同時期多次測量的撓度值相比對，確定橋梁撓度的變化趨勢。撓度監(jiān)測點的撓度計算公式如下：

式中：fc-撓度(m)；ΔSBC-B、C的沉降差(m)；ΔSAB-A、B的沉降差(m)；L1-B、C間的水平距離(m)；L2-A、C間的水平距離(m)。

圖2 撓度計算示意圖

4 測點布置

4.1 連通管撓度監(jiān)測點布設(shè)

基于壓力傳感器的封閉式連通管撓度監(jiān)測點布置在(100m+180m+100m)主橋的各孔關(guān)鍵截面上，主孔按L/4布設(shè)，邊孔按L/2布設(shè)，在左、右幅共計布置18個監(jiān)測點，位置位于路肩正下方腹板上。壓力傳感器采用美國羅斯蒙特高精度壓力變送器，系統(tǒng)測量精度為1mm。其布置如圖3所示。

圖3 白土北江特大橋主橋連通管監(jiān)測點布置

4.2 常規(guī)水準(zhǔn)測量撓度監(jiān)測點布設(shè)

監(jiān)測點布設(shè)：在橋面主跨按1/8截面布設(shè)撓度監(jiān)測點，邊跨按1/4截面布設(shè)，主墩墩頂及過渡墩墩頂每截面布設(shè)4個監(jiān)測點。沿左右幅緊急停車帶及中央分隔帶兩側(cè)布設(shè)4條測線共計68個監(jiān)測點。監(jiān)測點布置如圖4所示。

圖4 白土北江特大橋撓度監(jiān)測點布置

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

5.1 連通管撓度監(jiān)測

連通管撓度監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頻率為50HZ/通道，從2019年3月至2020年3月監(jiān)測近一年的時間。監(jiān)測期內(nèi)的溫度變化如圖5所示。

圖5 監(jiān)測溫度變化時程圖

從圖6～圖10可以看出，變化最大的主跨跨中截面L-4#監(jiān)測點長期變化浮動在25mm以內(nèi)，單日溫度對橋梁撓度值的影響可達10mm。邊跨跨中截面L-2#監(jiān)測點長期變化浮動在±5mm以內(nèi)，墩頂測點L-1#監(jiān)測點長期變化值在±5mm以內(nèi)。

圖6 L-1#監(jiān)測點撓度變化時程圖

圖7 L-2#監(jiān)測點撓度變化時程圖

圖8 L-4#監(jiān)測點撓度變化時程圖

圖9 典型單日溫度效應(yīng)撓度變化曲線

圖10 左幅59#跨主跨跨中豎向變形圖(L-4#測點)單日變化曲線

溫度荷載是影響橋梁變形的重要因素。 從圖6～圖10可以發(fā)現(xiàn)，撓度變化與溫度有較大的相關(guān)性，邊跨的撓度數(shù)據(jù)尤其明顯。

總體而言，主跨跨中截面撓度隨溫度升高和降低呈上拱和下?lián)系淖兓吙缈缰薪孛骐S主跨跨中截面上拱或下?lián)隙猩倭康南聯(lián)匣蛏瞎啊?/p>

5.2 常規(guī)水準(zhǔn)測量撓度監(jiān)測

常規(guī)水準(zhǔn)測量從2015年11月開始布點監(jiān)測，按照2期/年的頻率監(jiān)測，至2019年9月共計監(jiān)測9期。各期溫度變化如圖11所示，撓度監(jiān)測曲線及主孔跨中撓度變化時程曲線如圖12～圖13所示。

圖12 右幅緊急停車帶一側(cè)撓度曲線

圖13 主孔跨中撓度變化時程曲線

從圖11～圖13可以看出，該橋主孔跨中撓度隨著時間及溫度變化有少量上拱及下?lián)稀?/p>

總體而言，主跨跨中截面有少量下?lián)希鄬τ?80m主跨跨徑來看，總體下?lián)狭恐挡淮蟆?/p>

6 結(jié)語

(1)溫度變化是影響橋梁撓度變形的重要因素。溫度升高時，跨中會上拱;溫度降低時，跨中會下?lián)稀?/p>

(2)基于壓力傳感器的封閉式連通管撓度監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)模較大，總功率達到幾十瓦，采用太陽能供電的方案難以實現(xiàn)，因此，需采用交流電供電，但一般高速公路大跨徑橋梁在遠離居住區(qū)的位置，故該系統(tǒng)的供電問題需采取相應(yīng)措施。

(3)該系統(tǒng)會受到電力供應(yīng)的影響，遇到停電等影響，系統(tǒng)將停止運行，系統(tǒng)數(shù)據(jù)無法累計，需要重新開始累計數(shù)據(jù)。遇到傳感器損壞更換，數(shù)據(jù)需重新積累，無法與前期數(shù)據(jù)相比較。

(4)該系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)采集情況下，無法顯示該橋的撓度變化線形，只能單點顯示該點位置的變化情況。

(5)該系統(tǒng)前期建設(shè)投入成本較大，后期維護方便，能實時監(jiān)測撓度數(shù)據(jù)的變化。傳統(tǒng)的人工撓度監(jiān)測費時費力，監(jiān)測數(shù)據(jù)需從幾年甚至多年來分析橋梁撓度的變化趨勢。該系統(tǒng)能在現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、人工監(jiān)測不易的大跨度橋梁撓度長期監(jiān)測中得到較好的應(yīng)用。