基于连通管原理的港珠澳大桥荷载试验挠度测试的应用及精度分析

程景扬

(广东省交通运输建设工程质量检测中心，广州 510420)

0 概述

桥梁是公路和铁路交通网中的关键组成部分，桥梁结构安全关系着运维安全，对于确保交通网安全畅通具有重要意义。公路桥梁荷载试验是桥梁交工检测中不可或缺的一环，能直接反映结构承载能力及动力特性的重要指标。在外荷载作用下(如车辆荷载、风荷载等)，桥梁结构产生的位移及变形反映了桥梁结构的整体刚度，是桥梁在结构安全验证及评估方面的重要参数。

(1)桥梁挠度测试中最常用的测量仪器为百分表、千分表及挠度计，这类仪表的原理通常是机械式的，可以比较方便和直接地测量结构的位移。该类检测方法具有快速、稳定及高精度等特点，但现场需要地面相对不动的支架，所以仅适用于桥梁净空不高、方便搭设支架、布设不动点的地方或测量支座位移。

(2)光学(光电)仪器：可用于测量桥梁变形的光学设备及方法比较多，如测量静态变形或挠度的高精度全站仪、精密水准仪等。高精度全站仪具有快速、实时、高精度等特点，部分智能型(如徕卡TS60)全站仪的预学习、360°旋转自寻目标、自动测读记录数据等功能，对大桥挠度测量无论是保证数据质量或是提高现场检测效率、减轻劳作强度等方面都非常有用；精密水准仪操作简捷、自动观察和记录，既能即时数字显示测量结果，也可将观测结果输入计算机后处理。

由于港珠澳大桥主体工程地处于纯海工环境，不可能设置有线测量仪表的基座，故有线位移测量仪表不适用于该荷载试验静态挠度的测试。高精度全站仪测量需在桥梁下方设置站位，计划可在主桥承台设置，但由于荷载试验的实施均在主体工程完成后至通车前，通往承台的临时钢栈桥均已拆除，无法到达承台，故使用高精度全站仪测量荷载试验静态挠度也不可行。荷载试验的检测对象为全长1 150m的青州航道桥，所需的人员和设备较多，且桥址现场的风速普遍大于3级风，(《公路桥梁荷载试验规程》 JTG/T J21-01-2015规定悬索桥、斜拉桥、大跨径桁架拱桥及特高墩桥梁等结构的荷载试验，宜在3级风及3级风以下实施)，因此，能实现高精度、实时、快速、稳定自动检测桥梁结构位移方法，是该种海工环境静载试验过程中非常关注的问题。

连通管位移检测系统由液体(水或其他液体)、管道以及传感器(液位或压力)等组成，通过在结构上安装并固定充满液体的管道，各关键点布置压力变送器，测量管道中各点的液体压力差，从而获得各点的位移。由于该方法具有不受多方位变形、现场恶劣环境影响、读数稳定、精度高等特点，并且在耐久性和经济性等方面具有较明显的优势，在大坝变形、地面沉降及特大型桥梁结构静态监测中得到了广泛的应用。目前，连通管的应用与研究多以桥梁结构长期挠度的监控为主，针对大跨径公路桥梁静载试验的挠度测试的应用相对较少，因此开展桥梁静载试验过程中连通管挠度测量的应用及精度分析，对于静载试验精确测量结构位移的方法选择具有重要的意义。

本文针对应用于大跨径桥梁结构静载试验的压力场连通管位移检测系统，根据连通管的基本原理，并以实际桥梁工程作为背景，对荷载下桥梁静态挠度检测方法(主要为电子水准仪及连通管)的应用进行精度分析。

1 结构静态位移检测原理

压力连通管位移检测系统是根据连通管基本原理，利用管道、水箱在桥梁结构需要检测的部位建立压力场，管道沿桥梁梁体纵向铺设并固定在梁体侧壁或桥面上，按照要求水箱固定在高程不变处(如桥外或塔柱上)，在静载试验过程中需要检测的部位布设压力变送器，如图1所示。当桥梁结构在外荷载或其他因素作用下产生变形时，该处的管道及压力变送器则随着结构变形，而固定在桥外或者塔柱上的水箱内液位高度及压力是不会变化的，因此测点处管道压强必然改变[1-2]。

图1 压力连通管检测原理

在静载作用下，桥梁结构某点的变形为u1，根据流体力学的基本原理，则该点的静态压力差为ΔF1。

ΔF1=u1ρg

(1)

式中：ρ—管内液体密度;

g—重力加速度。

通过压力变送器采集该部位压力差值ΔF1，并转化成模拟信号，再通过数据采集系统转化为桥梁变形的数字信号。

2 工程概况

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是联结一省两地的超级跨海通道，是我国具有国家战略意义的世界级跨海通道。港珠澳大桥主体工程跨径最大的通航孔桥为青州航道桥，结构采用双塔双索面钢箱梁斜拉桥，桥梁跨径组合为110m+236m+458m+236m+110m，全长1 150m。桥面标准宽度35.8m，行车道数为双向六车道，最大纵坡为3.5%，桥面横坡为2.5%。桥面横断面布置为检修道(1.35m)+护栏(0.50m)+硬路肩(3.30m)+行车道(3×3.75m)+左侧路缘带(0.50m)+中央分隔带(2.0m)+右侧路缘带(0.50m)+行车道(3×3.75m)+硬路肩(3.30m)+护栏(0.50m)+检修道(1.35m)，如图2和图3所示。

图2 青州航道桥立面

图3 青州航道桥主梁标准横断面

沿主梁纵向在中跨8分点、次边跨4分点及距58#墩85m处共布置18个挠度测试断面，在横桥向各断面布置2个测点，通过将差压式传感器固定在钢护栏上，利用连通管对挠度进行测试。其中工况一对3#～19#测试断面进行测试，并在挠度最大断面11#断面距左、右及中央防撞栏30cm处布置4个水准仪测点，利用电子水准仪观测;工况二对7#～19#、22#测试断面进行测试,并在挠度最大断面22#断面距左、右及中央防撞栏30cm处布置4个水准仪测点，利用电子水准仪观测。

图4 青州航道桥挠度观测布置

3 试验和检测结果

3.1 偏载

静载试验工况一(偏载)于2017年10月26日20:00至23:10之间进行。试验开始时大气温度为24.7℃，结束时大气温度为24.5℃，静载试验过程中大气温度变化0.2℃；风速在0.9～3.0 m/s之间。试验过程中温度基本恒定，故测试结果可不考虑大气温度变化的影响。主要结果分析评定见表1。

表1 工况一偏载中跨跨中各测点挠度实测值 (单位：mm)

由表1可知：满载时，S1截面连通管测点Z11#、Y11#的平均挠度为-665.8mm，残余挠度为-10.7mm，弹性挠度为-655.0mm;电子水准仪测点11-1#、11-2#、11-3#和11-4#号的平均挠度为-665.5mm，残余挠度为-12.3mm，弹性挠度为-653.2mm，两种方法测试数据基本一致。

图5 工况一偏载中跨跨中左侧挠度实测值

图6 工况一偏载中跨跨中右侧挠度实测值

图7 工况一偏载中跨跨中挠度平均实测值

3.2 中载

静载试验工况一(中载)于2017年10月25日20:30至24:00之间进行。试验开始时大气温度为24.3℃，结束时大气温度为23.5℃，试验过程中大气温度变化0.8℃；风速在0.8～2.0m/s之间。静载试验过程中温度基本恒定，故测试结果可不考虑大气温度变化的影响。主要结果分析评定见表2。

由表2可知：满载时，S1截面连通管测点Z11#、Y11#的平均挠度为-776.8mm，残余挠度为-10.7mm，弹性挠度为-766.0mm;电子水准仪测点11-1#、11-2#、11-3#和11-4#号的平均挠度为-770.8mm，残余挠度为-13.0mm，弹性挠度为-757.8mm，两种方法测试数据基本一致。

表2 工况一中载中跨跨中各测点挠度实测值 (单位：mm)

图8 工况一中载中跨跨中左侧挠度实测值

图9 工况一中载中跨跨中右侧挠度实测值

图10 工况一中载中跨跨中挠度平均实测值

4 结论

(1)基于港珠澳大桥青州航道桥的试验结果，对连通管及精密水准仪的检测结果进行了对比分析。工况一偏载的实测挠度平均值偏差为0.05%，工况一中载的实测挠度平均值偏差为0.78%，两种方法测量结果高度吻合，表明连通管测量大跨径桥梁静载试验挠度具有较高的测量精度。

(2)基于连通管原理的静载试验挠度检测方法具有读数快、精度高、数据稳定、不受环境影响等特点，对于大跨径、检测环境恶劣的桥梁结构的静载试验，能较好地满足检测及精度要求。