程景揚

(廣東省交通運輸建設工程質(zhì)量檢測中心，廣州 510420)

0 概述

橋梁是公路和鐵路交通網(wǎng)中的關鍵組成部分，橋梁結構安全關系著運維安全，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)，能直接反映結構承載能力及動力特性的重要指標。在外荷載作用下(如車輛荷載、風荷載等)，橋梁結構產(chǎn)生的位移及變形反映了橋梁結構的整體剛度，是橋梁在結構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構的位移。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、方便搭設支架、布設不動點的地方或測量支座位移。

(2)光學(光電)儀器：可用于測量橋梁變形的光學設備及方法比較多，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)全站儀的預學習、360°旋轉(zhuǎn)自尋目標、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；精密水準儀操作簡捷、自動觀察和記錄，既能即時數(shù)字顯示測量結果，也可將觀測結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置站位，計劃可在主橋承臺設置，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，所需的人員和設備較多，且橋址現(xiàn)場的風速普遍大于3級風，(《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構的荷載試驗，宜在3級風及3級風以下實施)，因此，能實現(xiàn)高精度、實時、快速、穩(wěn)定自動檢測橋梁結構位移方法，是該種海工環(huán)境靜載試驗過程中非常關注的問題。

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，通過在結構上安裝并固定充滿液體的管道，各關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構靜態(tài)監(jiān)測中得到了廣泛的應用。目前，連通管的應用與研究多以橋梁結構長期撓度的監(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用及精度分析，對于靜載試驗精確測量結構位移的方法選擇具有重要的意義。

本文針對應用于大跨徑橋梁結構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(主要為電子水準儀及連通管)的應用進行精度分析。

1 結構靜態(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、水箱在橋梁結構需要檢測的部位建立壓力場，管道沿橋梁梁體縱向鋪設并固定在梁體側(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壓力變送器，如圖1所示。當橋梁結構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構變形，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，橋梁結構某點的變形為u1，根據(jù)流體力學的基本原理，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，結構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。橋面標準寬度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 青州航道橋主梁標準橫斷面

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欄上，利用連通管對撓度進行測試。其中工況一對3#～19#測試斷面進行測試，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個水準儀測點，利用電子水準儀觀測;工況二對7#～19#、22#測試斷面進行測試,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個水準儀測點，利用電子水準儀觀測。

圖4 青州航道橋撓度觀測布置

3 試驗和檢測結果

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之間進行。試驗開始時大氣溫度為24.7℃，結束時大氣溫度為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，故測試結果可不考慮大氣溫度變化的影響。主要結果分析評定見表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之間進行。試驗開始時大氣溫度為24.3℃，結束時大氣溫度為23.5℃，試驗過程中大氣溫度變化0.8℃；風速在0.8～2.0m/s之間。靜載試驗過程中溫度基本恒定，故測試結果可不考慮大氣溫度變化的影響。主要結果分析評定見表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 結論

(1)基于港珠澳大橋青州航道橋的試驗結果，對連通管及精密水準儀的檢測結果進行了對比分析。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)境惡劣的橋梁結構的靜載試驗，能較好地滿足檢測及精度要求。