倾角仪在桥梁安全监测中的应用研究

高 峰，马树林

(中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引言

随着国民经济的飞速发展，一大批现代化的大型或特大型桥梁如雨后春笋般出现。大量桥梁的建成极大的方便了人们的出行，同时，一些质量较差的大桥所造成的交通安全隐患直接威胁着人们的生命安全。近年来，全国多地发生新建大桥坍塌事故，大型桥梁 “非正常死亡”现象愈演愈烈，据不完全统计，在2007～2011年5年间，全国已经有至少17座大型桥梁发生垮塌事故，造成270人死亡、111人受伤、23人失踪，其直接或间接经济损更是无法估量。桥梁建筑的质量是绝对不能轻视的，除了在桥梁勘测设计阶段和施工阶段进行科学的设计和监督。更需要严格按照国家桥梁建设相关规范要求，在桥梁通车鉴定中、运营过程中对桥梁各项相关性能指标进行检测，尤其应提高对大型特大型桥梁长期监测能力，随时实时掌握其运营状态和健康状况。

桥梁挠度测量是桥梁检测的重要组成部分[1、2]，因为桥梁的挠度与桥梁的承载能力及响应动荷载的能力有密切的关系。桥梁挠度是桥梁结构检测内容的一个非常重要的参数，通过荷载试验获得的挠度数据能够分析得出荷载的冲击系数和结构内力分布，可以直接判断桥梁结构整体刚度和薄弱部位，因此在桥梁通车鉴定、定期检定、维修维护和长期监测等环节中桥梁的挠度都是重要的参考资料与依据。挠度测量是桥梁测试的一个重点也是一个难点,目前主要采用拉线式或激光式位移计和全站仪等进行间接测量，这些方法在实际应用中都存在着很大的局限性，因此挠度检测主要在桥梁通车鉴定和定期检定过程中进行，而在桥梁长期监测中还无法实现。利用倾角仪及其检测技术测量大型结构的挠度变化这项技术是中国地震局工程力学研究所研发的具有自主知识产权的专利技术，已经在十几个实际工程中得到了应用和推广。

本次实验是运用QY型倾角仪对桥梁进行静力荷载实验，取得了理想的实验结果。以评估桥梁承载能力、工作性能及安全性，为以后桥梁安全检查或必要的加固维修提供可靠的原始资料[3、4]。

1 QY型倾角仪工作原理及主要技术指标

1.1 QY型倾角仪原理

荷载试验过程中需获得三组实验数据：在加载前应先测量倾角仪的输出电压V01；在加载稳定后，倾角仪的输出电压V02；在卸载稳定后倾角仪的输出电压V03。当 V01≈V03时，可得倾角为：

由倾角数据计算挠度时，要将测得倾角数据（′）换算为径。1′=2.909×10-4径。

整个荷载试验通过采用智能桥梁挠度测试仪自动完成，当采集到桥梁各测点的倾角数据后，分析软件计算并给出各监测点的实测挠度及其桥梁挠度曲线。

本仪器具有精度高、使用方便、快捷、对环境条件要求不高和抗干扰能力强的特点。

1.2 QY型倾角仪主要技术指标

灵敏度： 60′

最大量程：10'

漂移： 30 min≤0.2 s

电源： ±12VDC

使用环境： 0～50℃；湿度≤85%

尺寸： 210×120×100 mm

重量： 3.5 kg

2 试验荷载及检测项目

新建工农兵桥位于哈尔滨市道外区，跨越阿什河，采用三跨预应力混凝土简支转连续箱梁结构，桥梁跨径布置为3×40 m，全长119.92 m，最大纵坡为0.3%。桥梁全宽为32 m，桥面横向布置：3.5 m（人行道）+25 m（行车道）+3.5 m（人行道），桥面双向横坡为1.5%，每孔12片梁，梁高为2 m，中梁宽为2.4 m，边梁宽为2.85 m，顶底板厚为18 cm，两侧腹板厚20 cm，跨中设置一道横隔板，厚度为20 cm，梁间采用湿接缝连接，桥两侧与现状水泥路顺接。

新建工农兵桥设计标准为：

（1）设计荷载：道路桥梁荷载标准城-A级。

（2）设计车速50 km/h。

（3）地震动峰值加速度为0.05 g，不进行抗震设计。

为保证桥梁建设的安全，哈尔滨市工农兵大桥工程建设指挥部委托中国地震局工程力学研究所对主桥结构进行鉴定性质的竣工试验。以检验桥梁主结构的设计、施工质量，评估桥梁承载能力、工作性能及安全性，并为今后桥梁安全检查或必要的加固维修提供可靠的参考资料。

试验的主要内容包括：静载试验、动载试验和结构动力特性测定等三部分。本文只介绍静载试验部分。

3 静载试验

（1）试验工况。分别在边跨和中跨顺桥向进行各5种，除跨中2车偏载外，其余皆采用6车对称加载，分别布置10.5 m、15.25 m、20 m、29.5 m处，共十个工况。本文选工况2中跨6车对称加载分析 (桥梁中跨两端支座产生最大弯矩)。

（2）测点布置。倾角仪顺桥梁中跨轴向均匀布设5个测点，即两端支座各一点，跨中一点，测量四分之一跨各一点。

（3）试验分析原理。根据结构理论，梁的挠度是倾角函数的积分关系；梁的弯矩则与倾角函数的一次微分成正比；剪力又是弯矩的一次微分关系，若准确地测得梁的倾角函数便可获得挠度及内力的分布。

将试验重车沿桥轴向按预定载位对称布设，进行多次加载和卸载过程，桥面系假定为全截面均匀受力，利用沿桥梁轴向设置的倾角仪和智能桥梁挠度测试仪[6]，准确地检测轴对称布设的荷载在桥面不同位置上，桥梁倾角和挠度的变化规律，以获取桥梁所受的实际内力，用以检验桥梁的受力状态及工作性能。测试系统、布点及仪器参见图1、图2、图3。

4 静载试验数据——顺桥向中跨静载试验数据

图1 测试仪框图Fig.1 Diagram of tester

图2 布点加载图Fig.2 Diagram of point loading

图3 倾角仪顺桥梁轴向布点示意图Fig.3 Schematic diagram of distribution of inclinometer along bridge axial schematic layout

倾角仪布置：两端支点处距离梁端半米，在38 m等距离布设，下面所涉及距离以桥梁西侧端为原点。测点尽量沿桥梁平行轴向直线布设，试验加载前对倾角仪进行调零，加载与卸载后要求桥梁稳定后再进行同步采集。工况2：跨中（20m）六车对称加载。

表1 试验实测数值Table 1 Measured values of experiment

5 静载试验数据分析

图4所示为在工况2荷载作用下，根据倾角仪的实测数据计算得到的桥梁挠度曲线。表4列出了控制点的平均实测倾角值和计算挠度值。

图4 计算挠度曲线Fig.4 Computation of deflection curve

表2 观测点的实测倾角值和计算挠度值Table 2 The measured inclination value and calculated deflection of observation point

除了表中所列检测项目外，针对某些工况，给出卸载以后的挠度残余变形计算。在桥梁荷载试验过程中必然带来结构存在一定的残余变形，而相对残余变形是考察结构弹性回复能力的主要指标，桥梁设计要求需要控制相对残余变形在小于20%以内。挠度相对残余变形计算由下式：

式中，SP表示卸载达到稳定时检测点的残余变形测量值；St表示加载稳定时相应检测点的变形测量值。所测梁段的残余变形很小。相对残余变形都远远低于20%，证明该桥具有良好的弹性回复能力。

6 结论

本文研究将倾角仪布设在桥面上的桥梁挠度测试方法，直接测量得到桥梁真实挠度变化，无须考虑支座处沉降和复杂的支架设施，极大地降低了试验成本和缩短了测试时间。

通过试验所测桥梁在实验荷载不利情况下，最大挠度为工况2的4.557 mm，根据实验荷载的挠度数值推测，在设计荷载不利的情形下，跨中挠度也远小于交通部颁发的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》之规定，满足行车安全需要。表明桥梁具有充分的刚度储备。通过对桥梁的内力分析表明，桥梁结构的强度符合设计要求。

通过对桥梁横截面方向挠度曲线分析，在实验荷载作用下，挠度沿桥截面的变化很小，表明所测梁的稳定性很好。加载卸载后所测梁段相对残余变形很小，表明所测梁段弹性回复能力良好。

通过多次现场试验，本研究从试验方法和测试技术方面完全满足桥梁挠度测试的试验要求，更进一步的工作是多种测量手段的对比精度测试。

[1]杨学山，侯学民，廖振鹏.桥梁挠度测量的一种新方法[J].土木工程学报，2002，35(2)：92～96

[2]侯学民，杨学山，廖振鹏.实时测量桥梁挠度[J].地震工程与工程振动.2002，22(1)：67-72

[3]侯学民，杨学山，黄侨.利用倾角仪测量桥梁的挠度[J].桥梁建设.2004，(2)：69-72

[4]杨学山，侯兴民，马树林，等.陶赖昭松花江大桥挠度测量分析[J].地震工程与工程振动，2003，23(2)：77-80

[5]杨学山，工程振动测量仪器和测试技术[M].北京：中国计量出版社，2001.

[6]高峰，王雷，可变电容式倾角仪低温性能的实现[J].仪表技术与传感器，2012，2：31-33.