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前言
近幾年來, 傾斜計已經大量應用于建筑監測, 結構物的試驗和橋梁的長期監測中, 在西雅圖的新Swing橋上要求用這種設備進行施工和長期監測; 金門橋最近設置了傾斜計系統進行連續地監測; 在完工十多年以后, 對破損的Parrotts Ferry橋進行荷載試驗, 傾斜計的監測結果比通常的測量方法要好很多。這三個例子說明, 傾斜計可廣泛地應用在橋梁的監測中。
傾斜計
傾斜計是量測相對于重力矢量而產生的轉動位移(位移梯度), 這些位移可能是由于結構物承受荷載, 彎矩或剪力而造成的, 雙向的傾斜計可量測兩個相互垂直方向的轉動, 兩個方向讀數的矢量和表示結構物傾斜的真正方向和大小。
現代化的電子傾斜計使用一個電解質的水平探頭作為它內部的感應元件, 該探頭裝在部分充填導電溶液的玻璃管中, 隨著探頭的傾斜, 小氣泡將從玻璃管的一端向另一端移動, 覆蓋或暴露相對的一對白金電極,用一個電壓分流計可檢測出探頭中電阻的變化, 然后放大和轉換成高水平的信號, 最后用標準的記錄儀可很容易地量測它們, 沒有任何機械式的部件, 故不會產生零漂和磨損, 因此, 這種簡單而可靠性高的技術甚至可量測出較小的結構物位移。
為了消除電信號的漂移和噪聲, 這種傾斜計由內部的放大器和微型電極所組成, 即沒有普通應變計和其它精密探頭所存在的這些問題。
用這種傾斜計的技術非常容易地分辯小于1微英寸/每英寸(1微弧度)的變形, 這種明顯的靈敏度可使工程師執行很多以前是困難的或不可能的量測任務(詳見附錄中角度轉換系數部分)。
傾斜計的數據可應用到如下的方面:
● 傾斜計可提供普通方法不能得到的變形位置, 大小和是否平衡等信息；
● 轉動量的數字積分可反映結構物的變位形態；
● 由傾斜計的量測值可導出結構物的剛度；
● 傾斜計可直接量測那些同沉降與其它基礎問題有關的差動位移和剪切應變；
● 傾斜計可容易地進入到全自動的記錄系統中, 因此, 它特別適用于結構物的長期監測中。
金門橋的監測
圖1 金門橋的南塔架
圖2 在防水盒中的雙向傾斜計
1990年, 在金門橋地區安設了兩個雙向傾斜計組成監測系統, 它們分別在兩個橋塔上(圖1), 用不銹鋼鉚釘將它剛性地固定在塔頂, 特制而密封好的傾斜計有能力抵抗海浪沖刷環境達很多年(圖2), 于是就用這種新型的傾斜計代替了30年代修橋時安裝的老式水銀管式傾斜計(1990年Civil Engineering)。
傾斜計監測系統的目的是監測由于沉降, 沖蝕或地震而引起的永久或長期位移, 特別是要確定一條基線, 以便于將來該地區發生地震以后對橋墩的狀態進行對比。實際上, 緊跟著大地震以后, 評價結構物和基礎的破壞程度是一件困難的任務, 但人們往往要求立即進行, 而傾斜計系統就可以緊跟地震以后, 立即提供出橋墩完整性與否的明確而定量的信息。
傾斜計的讀數自動地記錄在每一個塔架橋面標高處的兩臺數據采集儀中, 然后通過調制解調器將這些數據傳輸到橋梁管理處中, 在那里進行分析和存儲。監測系統中的數據顯示, 塔架每天移動約25個微弧度, 相當于他們的熱彈性循環(圖3), 即600英尺高的塔架頂部有0.2英寸的位移量, 潮汐荷載的影響很小, 沒有觀測到塔架產生永久性的位移。
圖3 西雅圖渡橋東翼的港口島