基于三角邊長關(guān)系式的曲線彎橋上構(gòu)爬移監(jiān)測方法

郝天之，毛志剛，劉詩媛

(1.廣西交通科學(xué)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(xué)土木建筑工程學(xué)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(shè)計不合理[5]。李民通過對十一經(jīng)路、順馳橋和民權(quán)門立交橋三座橋梁的病害案例進(jìn)行研究，采用通用有限元分析程序進(jìn)行分析計算的操作，對比分析了當(dāng)箱梁承受制動力、溫度應(yīng)力、離心力等外界受力和材質(zhì)、施工及預(yù)應(yīng)力改變等內(nèi)因變化的情況下產(chǎn)生的規(guī)律，研究并設(shè)計糾偏加固技術(shù)和多項抗偏移扭轉(zhuǎn)措施，以達(dá)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(jìn)行研究，介紹了對梁體進(jìn)行糾偏和調(diào)整梁體姿態(tài)，恢復(fù)并保持梁體最小次應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁橋的側(cè)向位移問題進(jìn)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(gòu)造形式都密切相關(guān)[8]。涂慧敏對近幾年來彎梁橋發(fā)生的滑移(爬移)翻轉(zhuǎn)問題工程實例進(jìn)行分析，并通過有限元分析軟件Midas/Civil進(jìn)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(dāng)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(cè)徑向偏位是各種效應(yīng)相互作用并隨著時間不斷累積的結(jié)果，運營階段的車輛荷載和伸縮縫填塞后的溫度作用是導(dǎo)致該曲線連續(xù)箱梁橋發(fā)生曲線外側(cè)扭轉(zhuǎn)和徑向偏位的較大影響因素[10]。

曲線彎橋的爬移，輕則導(dǎo)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(jié)構(gòu)破壞、梁體滑移和翻轉(zhuǎn)。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(shè)置觀測點或觀測標(biāo)志，觀測站一般設(shè)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(lǐng)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(guān)系解析式的橋梁爬移監(jiān)測方法。

1 基于三角邊長關(guān)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(jié)構(gòu)健康狀況及結(jié)構(gòu)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(diào)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(biāo)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(shè)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(guān)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(fù)方向移動，負(fù)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(fù)號表示A點向x軸的負(fù)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(fù)號表示A點平行于y軸負(fù)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(fù)號表示傳感器被壓縮。

2 基于三角邊長關(guān)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)示意圖

位移傳感器的傳動桿和支撐桿中間位置均有調(diào)節(jié)伸縮長度調(diào)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(zhuǎn)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(yù)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(jié)構(gòu)示意圖

采集器中的數(shù)據(jù)采用無線網(wǎng)絡(luò)、傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)或者電力線網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至服務(wù)器；服務(wù)器系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，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(wù)，用戶通過瀏覽器訪問服務(wù)器提供的應(yīng)用服務(wù)功能。

3 應(yīng)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(biāo)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(luò)實時傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器利用公式(1)和式(3)計算兩個方向的爬移量，測試結(jié)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(biāo)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(luò)實時傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器利用式2和式4計算兩個方向的爬移量，測試結(jié)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(jié)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(guān)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(guān)系經(jīng)幾何推導(dǎo)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(jié)果精度比全站儀監(jiān)測法高，避免了復(fù)雜位移中的角度測量精度低、設(shè)備昂貴等問題。

(3)本文介紹的方法可應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)控、檢測領(lǐng)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(jié)構(gòu)安全。

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