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重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件C：译文指导教师评定成绩(五级制)：指导教师签字：附件C：译文1 平衡悬臂施工混凝土桥挠度和温度的自动监测 作者Olivier BURDET博士 瑞士联邦理工学院，洛桑，瑞士，钢筋和预应力混凝土研究所摘要：我们需要一种可靠的监测系统来跟踪结构行为随时间的演化。挠度和旋转两个参数反映了结构的整体行为。本文提出了一种测量桥梁长期变形的创新方法，即，使用倾角仪。高精密电子倾角仪可以有效地追踪桥梁的长期旋转而不需要中断交通。除了准确，这些仪器已被证明随着时间的推移是足够稳定，野外条件下也非常可靠。 Mentue桥，长565m，双箱双室梁，后张法预应力混凝土公路桥梁，修建于瑞士。该桥由平衡悬臂法修建于一条深谷之上。墩高100m，主跨为150m。一个集中的数据采集系统于1997年修建该桥时安装在一梁上。每一分钟，系统记录了很多测量点的旋转量和温度值。在多个地点同时测量出的旋转量和混凝土温度给出了热条件引起的变动的清晰概念。该系统将与一水平装置结合使用，用以跟踪桥梁的长期行为。初步结果表明该系统运行可靠，并且传感器的准确性非常优秀。 对旋转和温度的演变比较表明，结构对气温变化的反应相当快。 1. 背景 遍布世界，服役结构的数量在不断增加。随着交通的发展，我们日益依赖于可靠的交通运输，越来越有必要去预见和预测结构的恶化。特别是，对于主要运输系统的那部分结构，修复工程需要认真规划，以尽量减少交通中断。结构自动监测仪器从而迅速发展。 长期桥梁监测是这一全面努力的重要组成部分，以尝试减少对主要结构的影响和维修工程的费用。通过了解某一特定结构的恶化速度，工程师能够预见并充分界定所要求的处理措施的时机。相反，不降低结构的整体安全性，处理可以推迟到结构需要相应措施的时候。 本文提出了一种检测桥梁长期变形的创新方法。高精度倾角仪的使用允许我们可以对长期旋转进行有效、准确和无障碍跟踪。该测量设备可以在正常交通状况下运行。同一时间测量的、多个地点的温度给出了一个由热、蠕变和收缩导致的变形的清晰概念。提出该系统的可行性是1997年8月开始运营的修建于瑞士的Mentue桥。该桥主跨150m，墩高100m。 2. 桥梁的长期监测 作为其研究和瑞士联邦理工学院（洛桑联邦理工学院）服务活动的一部分，该桥梁和其他结构涉及到的钢筋混凝土和预应力混凝土长期变形的监测已超过二十五年1，2，3，4。在过去，IBAP已经制定了一个长期变形测量的水准测量系统5，6。该系统已成功的服务于瑞士的十座桥梁约十年5,7。该系统强大，可靠和足够准确，但它要求每次测量要人为操作，并没有很好地适合于数据自动采集。该系统另外的一个缺点是，它只是较容易适用于可接触到的箱形梁桥。 偶尔超过24小时的连续测量表明，它日常变形幅度很大，通常一两个小时内几个毫米。这体现在图1中，那里的双箱双室梁Lutrive桥在他们被后张之前和尔后超过数年的测量显示了24小时内的测量结果。观察到的数据散射主要是由桥梁的热效应造成的。用平衡悬臂法建造、1435m主跨的箱形梁，在一个阳光明媚的日子变形幅度是与过去数年的长期变形属于同一量级的。瞬时测量，如水准测量得出的结果，不一定代表了该桥的平均位置。这是因为在桥梁测量时的位置是受过去几个小时、几天气温的温度历史影响。即使周全的考虑影响监测测量结果的因素并且在每年的同一时期进行测量，也需要相对较长的时间，我们才能弄清楚Lutrive桥在1988年进行改造时额外桥梁后张3,7,11有没有产生与两者相同的影响。 图1：Lutrive桥的长期挠度，与24小时内挠度自动采集的数据，使得我们可以在一个可接受的成本上进行方便地测量，因此非常可取。一个可能的解决方案研究，进行了包括基于激光水准，光纤传感器和GPS定位，得出的结论是，只要可以确保它们的长期稳定性，当前类型的电子倾角仪，都适合于自动测量现有桥梁的旋转量8。 3. MENTUE道桥 Mentue桥是单箱双室箱梁桥，将衔接从洛桑到伯尔尼的未来A1高速公路。每片梁设计类似，拥有约565m的,整体长度和13.46m的宽度，设计承载两行车线和一个应急车道。桥梁跨越一两侧有陡峭山坡的深谷（图2）。平衡悬臂桥梁施工设计是与另一桥梁方案比选的结果。100m高的混凝土桥墩用爬模施工方法完成后，平衡悬臂施工启动（图3） 。4. 倾角仪 从1995年开始，IBAP发起了一个研究项目，目的是调查利用倾角仪的测量系统的可行性。初步结果表明，倾角仪为结构提供自动监测提供了些许优点。表1总结了本研究选择的倾角仪的主要特性。 衡量结构转动的有趣属性是，对于一个给定的最大挠度跨度比，最大旋转基本上是独立于它的静态系统8。由于在永久荷载下，最大允许值约1 / 1000的长期挠度已经被全世界普遍接受，就像这项研究中大跨度箱梁桥取得发展，同样适用于其他桥梁，例如跨度较短桥梁和其他类型跨度区域。这是很重要的，因为需要检测那些小跨度梁，他们构成所有桥梁的大部分结构。 表1 倾角仪的主要特性特性描述绝对的测量相对于最初的位置，这种测量是绝对的。以防这种仪器的失败，其他仪器提供的信息仍然是可以利用的。数据采集系统可容易联接倾角仪是电子仪器，它所产生的电子信号可以被标准的数据采集系统很容易获得。这项工程所使用的倾角仪包括一种工业网状界面（RS485），其可以大大减少缆索的数量。检测原理可以适用于各种桥梁本质上，转动的幅度是与静定结构或桥梁跨越的区域相互独立的。因为仪器的可靠性，倾角仪可以被安置在可以伸手触及的地方，因此可以适应所有类型的跨越区域。高精度倾角仪的高精度使得极小变形的测量成为可能，比如那些只发生在几分钟之内的的变形。安装和操作简单倾角仪是非常精巧的仪器，安装只须很小的空间。我们挑选的倾角仪包括温度自动补偿。传感器可以很容易安置并且能重复利用。成本尽管相对很高，与同类检测系统相比，倾角仪很具有竞争力，并且安装费相当低。选定的倾角仪类型：伟伦Zerotronic 1 9。其准确度为1 microradian（rad），相当于一毫米每公里，是一个非常小的旋转值。对于一个通常高度连续梁的中跨， 1 / 20000的跨中挠度，将导致最大约150rad的旋转，或0.15毫弧度（mrad）。 电子仪器潜在的一个问题是他们的测量结果可能随时间漂移。为量化和控制这个问题，设计了一种机械装置，允许倾角为180 旋转正是在一水平面上（图4）。每个倾角仪的漂移可以通过比较获得的初始值和旋转位置与以前获得值简单地获得。到目前为止，我们观察到工程中使用的那种倾角仪的类型对漂流不是很敏感。5.曼图桥的测试设备一些采用平衡悬臂施工的桥梁，在实际使用中的状态并不理想2,7,10，为了查清原因，对曼图桥的变形发展做精密监控。这些桥跨设计时考虑了最近的关于后期张拉量的建议7,10,13。监控从1997年建桥时开始，2001年通车后会继续跟踪监控。偏转监控包含公路部门提供的地形水准、一个覆盖两跨整个跨度的流体静力学水准系统以及北桥主跨上的倾角仪网。为了便于比较测量值，工程师的记录数据要同步收集。观测的信息将用于改善设计标准，尤其是关于后张拉量7,10,11,12,13。一个数据提取程序会驱动自动监控系统，并将数据存储。这个系统可以同步控制不同类型的传感器，目前控制着倾角仪和热传感器。这个电脑程序控制所有的测量设备，它提供了一个灵活的框架模式，允许后期增加新型传感器和数据收集系统。LabView的使用给予使用者实验室级别的设备和分析优势。数据收集系统可以在普通配置的电脑上运行，因特尔486/66兆赫的处理器、16兆内存、500兆硬盘、WindowsNT的系统。所有传感器的数据一分钟收集一次，之后以压缩格式存储在硬盘里。系统安置在3号墩上部的箱梁里（图5）。它能抵抗严峻的气候条件并且在电力供应后自动工作，断电在施工阶段频频发生。6.传感器图5（a）给出了北桥主跨上倾角仪的位置。和传感器安置在支撑轴上，和号分别在1/4和3/4跨，号在1/8跨处。从横截面看，传感器安置在北腹板，高度与节目的重心对应（图5）。传感器通过单根RS-485电缆与位于号倾角仪附近的数据中心相连。早在桥梁施工阶段就已经开始监控。、和号倾角仪安装于桥跨合龙前。在这种特殊施工方法的不同施工阶段，角度的变化范范围较宽，因此测量的结果不是很直观。通过合成桥长方向测量的旋转，可以确定偏转的形式。尽管合成方法在原理上简明易懂，但必须仔细计入荷载类型和可能的测量误差8,16。热传感器埋置在混凝土内，这样可以计入模板后来浇筑几何调整的温度作用。图6是热传感器在主跨中的布置图。与图5倾角仪测量不同，温度测量时针对同一个截面。根据施工的需要，传感器在浇筑前预置在模板内，在拆模后即可进行测量。在每个截面上，九个传感器中的七个（图6中的黑色）由中央数据集成系统自动控制测量。7.检测结果图7是倾角仪从1997年九月底导十一月的第三个星期的测量结果。所有倾角仪在这段时间内工作良好，其中测量间断的部分，如十月初，是因为在施工操作中系统暂时断电所致。结果整体的对称，见和、和，表面设备在那段时间里的偏动并不明显。根据倾角仪的测量结果，在观察阶段，桥的最大挠曲在40毫米左右。在以后其他测量结果的辅助下，更精确的数值可以计算出来。在图上可以看到在几天内偏差的几个上升阶段及对应的下降阶段。这意味着需要对变形持续的监测，以解释这现象。从施工的角度来说，测量阶段很繁忙，这个阶段进行着以下工作：混凝土的最后浇筑、实施千斤顶对桥的水平顶撑以补偿一些墩的离心以及张拉连续预应力筋和支索缆的留置（图3），因此，解读测量结果有一定的难度。将来的测量对解读测量结果会有很大的帮助。 图8是九月份的详细测量结果，图9是同时期中跨梁顶部和底部的温度测量结果。显然，变形与温度的变化想对应。梁底的温度变化与空气温度（测量点位于北腹板边的背阴处）变化一致。另一方面，截面上部的温度变化剧烈程度较低。这可能是因为梁体相对地面高程较大，除此以外，与测量阶段桥面受到较少的阳光直射也有关系。顶板和底板的温度梯度与短期的变化有直接的关系，但并不表明旋转的总体变化是图8所示的下降趋势。 图9 1997年11月温度8.发展前景将来会发展出跟据旋转的测量结果去推算挠曲的算法。为了提高推算挠曲的准确度，现在正在研究整个结果的三维有限元模型15。这个模型将用来鉴定不同因素对旋转的影响，例如，柱和梁的徐变、不均匀沉降、横向和竖向温度梯度、车辆荷载。彻底分析曼图桥的测量结果还需要大量的工作。这项研究项目的最终部分集中在两个方面：一、解读结构的复杂行为；二、确定最重要的参数，以便于简单有效的测量桥梁的挠曲。最后，研究报告会给出根据测量的旋转去确定挠曲的大体方法以及安装倾角仪测量设备的可操作性建议。预计来年会在新点位增加倾角仪。在荷载试验阶段使用倾角仪测挠曲的经验证明这种方法较其他高科技方法有很多的灵活性和竞争性。 作为当前这个研究项目的扩展，测量桥梁伸缩缝运动的系统正在研发，这个系统与已有的监控系统兼容性很好，因为其也使用倾角仪，只是倾角仪的类型稍有差别。9.结论一个创新的测量结构变形的系统已经产生，这个方法使用高精确度的倾角仪。这个系统把高精度与简单的设备有机结合起来。早期的结果很理想，表明使用倾角仪测量桥梁变形的方法是可行的，而且有一定的优势。这个系统是可靠的，它不会干扰施工和交通，设备安装简单。对温度的同步测量结果确认温度的变化对混凝土桥梁结构有很多的影响。10.参考文献 1 ANDREY D., Maintenance des ouvrages dart: mthodologie de surveillance, PhD Dissertation Nr 679, EPFL, Lausanne, Switzerland, 1987. 2 BURDET O., Load Testing and Monitoring of Swiss Bridges, CEB Information Bulletin Nr 219, Safety and Performance 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des ponts par un systme dinclinomtrie, Rapport de matrise EPFL-IBAP, Lausanne, Switzerland, 1995.9 WYLER AG., Technical specifications for Zerotronic Inclinometers, Winterthur, Switzerland, 1996.10 FAVRE R., MARKEY I., Generalization of the Load Balancing Method, 12th FIP Congress, Prestressed Concrete in Switzerland, pp. 32-37, Washington, USA, 1994.11 FAVRE R., BURDET O., CHARIF H., Critres pour le choix dune prcontrainte: application au cas dun renforcement, Colloque International Gestion des Ouvrages dArt: Quelle Stratgie pour Maintenir et Adapter le Patrimoine, pp. 197-208, Paris, France, 1994.12 FAVRE R., BURDET O., Wahl einer geeigneten Vorspannung, Beton- und Stahlbetonbau, Beton- und Stahlbetonbau, 92/3, 67, Germany, 1997.13 FAVRE R., BURDET O., Choix dune quantit approprie de prcontrainte, SIA D0 129, Zrich, Switzerland, 1996.14 NATIONAL INSTRUMENTS, LabView User.s Manual, Austin, USA, 1996.15 BOUBERGUIG A., ROSSIER S., FAVRE R. et al, Calcul non linaire du bton arm et 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英尺的跨径。标准渠化区段在多种宽度，深度从21英尺到35英尺时是有利的，可用于大约20英尺到60英尺的跨径。中空的箱形梁和T形梁用于大约100英尺的长跨径。对于中等跨径的大约120英尺的公路桥，一般使用AASHTO 标准梁。它们和一种复合现场预制行车道板一起使用。在板被安置之后，这样的梁经常在预浇梁的先张拉 与合成梁的后张拉后结合。试图获得改进经济，一些国家已经采用更精炼的设计，例如华盛顿州标准梁。 经过特别设计预制建筑梁可以用来携带一个单轨铁路系统。完成的沃尔特迪斯尼乐园单轨铁路的一系列的特征, 每个包括六个单独支持的预拉梁，一起形成连续结构。典型的跨距是100到110英尺。被使用的337根梁，大约一半有垂直与水平曲率和易变超级升高的一些结合。所有的梁是中空的，它的特征是通过在曲梁中插入泡沫和在直梁制作中移动形心轴获得。由于运输问题和构件垂直的大而重的问题，预制梁不能用于跨径超过120英尺的桥梁