武汉天兴洲公铁两用长江大桥静载试验挠度测试新技术研究.pdf

总第 4 期 武汉天兴洲公铁两用长江大桥静载试验挠度测试新技术研究 武汉天兴洲公铁两用长江大桥 静载试 验挠度测试新技术研 究 李 东超 汪正兴 王波 朱世峰 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司 湖北 武汉 430034 摘要 武汉 天兴 洲公 铁两用长 江大桥结构 复杂 静载 工况多 测试精度及测试效率要求高 为此研究并采用了一 种挠度测试新技术 液一气压差耦合压差式桥梁挠度测 量系统 研究分析了系统构成及测试原理 大桥静载挠度 测试应用表明 该系统布设方便 测试高效 精度高 适用性 强 可以在桥梁挠度测试中作为常规方法应用 关键词 武汉天兴洲公铁两用长江大桥 挠度 液气 压差耦合 静载试验 桥梁检测 l 引 言 武汉天兴洲公铁两用长江大桥 以下简称天兴 洲大桥 主桥采用 98 196 504 196 98 m 双 塔三索面斜拉桥 全长 1 092 m 该桥荷载标准为 6 车道公路 4 线铁路 2 线客运线 2 线 I 级干线 其 中上游侧 I 线为客运专线 设计车速 200 km h 下游侧 线为 工级干线 天兴洲大桥通车试验 目的一是按照有关桥梁试 验 检测 的要求 对新建成桥梁进行常规意义上的试 验 确定桥梁建造 的质量和桥梁的承载能力及运营 安全性 其二 该桥在设计上采用的一 系列关键技 术 通过实桥试验进行测试 检验和验证 桥梁挠度 和线形测量是该桥静载试验 中的重要环节 其测量 的精度 准确性以及测试效率对试验结果 的准确性 和试验的可操作性有着至关重要的影响 传统桥梁挠度测试一般采取如下方法 采用 百分表 千分表等位移计 测试桥梁挠度 虽精 度较 高 但固定底座安装不便 且数据采集较为困难 工 作效率略低 采用水准仪等光学测量仪器测量桥 梁挠度 虽然操作简便 但测量精度较低 经多次转 站操作后 工作效率低 基于连通器原理 根据开 放式连通管内的液面的变化直接测量桥梁挠度 此 方法原理简单 但 由于液体与管壁之 间的粘滞 阻力 导致测试精度不高 同时 由于液体表面张力作用 液面呈非水平 面状 其读数也存在较大误差 运 用光 电图像原理 采用数据处理方法 得出桥梁 的挠 度值 但 图像数据 采集受视距 光线等特定条件的 限制 尤其在夜问 大雾天气测试时 实际可操作性 差 基于连通器原理 采用 压力变送器将压力变 化转换成挠度的改 变 但 当桥梁跨度较大或测点较 多时 由于管内液体与管壁之 间的相对流动而产生 粘滞阻力 液体 的压力会有一定程度的损失 导致测 量精度具有一定的误差l j 为克服传统挠度测试装置及方法的不足 天兴 洲大桥静载挠度测试采用一种高精度 高效率且可 操作性强的新型桥梁挠度测试装置 基于液一气 压差耦合原理的桥梁挠度测量系统 2 系统构成 液一气压差耦合压差式桥梁挠度测量系统基本 组成单位是挠度仪 该挠度仪 由液柱调节器 单支 连通管 气柱调节器 微压差传感器及信号传送装置 R S 485 总线 组成 见图 1 微压差传感器测量 由 于桥梁挠度变化而 引起 的两端液气耦合产生压差 基于压差与桥梁挠度之 间的准线性关 系 进 而可推 算 出 2 点之间的相对高度差变化 挠度仪局部见图 2EG 图 1 挠度仪构造示意 根据测点布置及具体桥型的要求 该挠度测试 系统可按不同组合方式布置挠度仪 如全桥单连通 管式 全桥连通管串联式和全桥连通管混合连接式 收稿 日期 20 10 0 3 19 作者简介 李东超 1981一 男 助理工程师 2004 年毕业于石 家庄铁道 学院桥 梁工程专业 工学学 士 2007 年毕业 于广西大学结 构工程专 业 工学硕士 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 桥梁检测与加固 2010 年第 1 期 图 2桥梁挠度测试 仪 局部 根据具体要求 测量时可在桥 台或其他不动点位置 设置 1 个或多个测量基准点 当桥梁发生挠度变形 时 根据单个挠度仪测量所得的相对位移差累加计 算得出全桥挠度线形变化 同时 根据 1 个或多个 基准点的测试数据校核 进而测出各点挠度变形绝 对值 3 测试原理 将整个测试 中桥梁挠度的变化转变为液一气耦 合压差的改变 在各测 点端 部密闭较小体 积 的气 体 同时由于各气柱调节器及液体调节器的辅助作 用 使得在整个测试全过程中 连通管内液体处于准 静止状态 有效克服 了因管壁与液体之间的相对流 动而产生的粘滞 阻尼力及 毛细效应 测量原理见 图 3 选定测量参考点 H选定主梁测点 H布置挠度测量系统 H 各测点挠度 液柱调节器H气柱调节器H气压差传感器H数据采集系统 图 3 测量 原 理 设 P 为标准大气压强 P 为测点未发生挠度 变形时该处密闭气体的压强 P 为测点发生挠度变 形 后该处密闭气体的压强 h 为压差补偿器两端 的液面高差 P 为压差补偿器两端液面高差产生的 压强 l 为气柱调节器内气柱高度 l 为连接管内气 柱长度 A l 为测点发生挠度变形后密闭气柱 的压缩 长度 当测点位置发生挠度变形 时 有 一 1 一 一 lDg P P 2 P pg f 筹 1 式中 A h h A h2 分别为 P P P 2 的等效液柱 高度 g 分别为液体的密度及重力加速度 A A z 分别为气柱调节器及连接管 的截面积 A P P z 分 别为挠度变形前 后气压差传感器读数的差值及变 形后气压差传感器的读数 由此可知 当 z 较小 且 A z A 时 有 M 此时 测点处的挠度值 与气压差传感器的差 值 P 所对应的等效液柱高度相等 因此 实际测试 过程 中 只要记录桥梁挠度测点位置变形前 后气压 差传感器的读数差值 即可很方便地求出该测点的 挠度值 4天兴洲大桥静载挠度测试及结果分析 天兴洲大桥结构复杂 加载试验项 目较多且在 晚问进行 为提高试验效率 在优化加载方式 的情 况下仍有 5 个加载工况 且每个工况均为多级加载 多级卸载以及重复加载 对于传统挠度测试方式 在本次试验条件以及测试工况下很难精确 迅速地 完成测试工作 这不仅影响试验速度 对试验结果 的准确度也有较大 的影响 为此 经过多方面对 比 分析 液一气压差耦合压差式桥梁挠度测量系统以 其高效 精确的特点成为挠度测试的首选 根据分析计算 7 天兴洲大桥主梁挠度测试采 用 60 套挠度仪 三主桁并行布置测点 且均采用6X 52 m 70 m 2 56 1TI 2 70 m 2 56 m 70 m 6 52 m 的串联布置方式 为提高测试记录效 率 每 片桁测点 安排 3 个人快速读数 全 桥仅用 9 人 根据实际测试进程记录 自每级荷载加载稳定 后开始下令读数算起至全部读数记录完毕 整个过 程仅用时 5 7 m i n 完全不控制试验进程 以轮位 1 四级加载挠度测试结果为例探讨挠度 测试结果 根据主梁内力和变形影响线特性以及试 验加载效率的要求 设计 布置轮位 1 加载位置及荷 载大小 该工况分四级加载 分别为 线 线 线和满载 加载位置及主梁理论计算挠度 见 图 4 各级荷载工况下上弦上游挠度计算和实测结构 对 比见表 1 上弦上游 下游 中桁挠度实测 曲线及 理论曲线见图 5 由表 1数据及 图5 曲线对 比可知 实测挠 度与 图4轮位 1 加载位置及主梁挠度 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 总第 4 期 武汉天兴洲公铁两用长江大桥静载试验挠度测试新技术研究 3 主 2 00 一F 菇 菇 蕊 罨 薅 鸯 蔷 蕾 幸 唇 援 量 疆 位置 m 位置 上游 b 下游 一轮位 l 第一次 线加载实测值 一轮位 1第一次 线加载实测值 轮位1第一次 II 线加载实测值 一 轮位 I第一次满载实测值 一满载理论值 注 以北次边跨起点为坐标原点 位置 m C 中桁 理论计算结果吻合较好 测试结果完全反映出该桥 构成合理 测试结果稳定 可靠 在静载作用下的挠度变化规律及变化绝对值 主梁 设计中跨挠跨 比为 soo 在 0 923 的加载效率下 参考文献 实测三片桁挠跨 比为 1 920 1 899 说明主梁 刚度 1 旭学文 管树国 几种桥梁挠度测量方法比较 J 林 较高 满足设计要求及高速行车条件 卸载后主梁残 业科学情报 2005 2 85 85 余变形低于 1 主梁在设计荷载下仍处于弹性变 2 侯兴民 杨学山 廖振鹏 等 实时测量桥梁挠度 J 形 跨 中挠度检验 系数为 0 9 1 0 说 明测试结果 地震工程与工程振动 2002 22 1 67 72 与理论计算符合撕结构实 际整体变形规律且符 i 合设计值 E n gi n eeri n g 19 97 1 20 4 177 18 2 娃 凇 理的桥梁挠 度测量 系统研究 J 桥梁建设 2009 日 p S 2 7 8 8 3 根据液一气压差耦合压差式桥梁挠度测量系统 Es 曾 威 于德介 胡柏学 等 基于连通管原理的桥梁 在天兴洲大桥静载挠度测试中实际应用情况及结果 挠度自动监测系统 J 湖南大学学报 自 然科学版 分析 可以得出如下结论