JEWELL-桥梁压实灌浆监测应用

JEWELL-桥梁压实灌浆监测应用

      Jewell Instruments 是高精度产品设计、制造和分销领域的世界领先制造商，包括加速度和倾角传感器、电子罗盘、航空电子元件、螺线管和面板仪表。通过几十年的经验获得了广泛的应用知识，能够为不同的行业群体，例如：航空航天、医疗、工业和电信等应用提供定制的解决方案。

       1999 年 6 月，Hayward Baker 聘请 Jewell Instruments 公司对圣克鲁斯的劳雷尔街大桥进行地基压实灌浆监测。这项工作是 1989 年洛马-普里塔地震后加州许多桥梁抗震升级计划的一部分。压实灌浆的项目规范对灌浆过程中桥梁的允许移动量提出了严格要求。

Hayward Baker 认识到倾角计是为数不多的能够测量小到满足规格的运动的仪器设备之一。用于该应用的倾角计能够在 100 英尺（30.48 m ）的测量跨度内检测 0.001 英寸（0.0254 mm）的缺陷。

       对倾角计进行连续监测，以提供大于 0.1 英寸（0.254  mm）的垂直缺陷的即时通知。然而，由于热膨胀和热收缩导致的桥梁正常昼夜运动具有相同的数量级，因此阈值警报变得复杂。因此，桥梁的正常日常移动是用正弦波建模的，警报阈值是基于模型和记录数据之间的差异。该模型在数据记录器中相对容易编程，并产生响应灌浆引起的移动而非热弹性桥梁变形的警报。

       项目规范将灌浆期间桥面的垂直移动限制在 0.1 英寸以内。这相当于桥台和桥墩之间 70 英尺（21.3 m）范围内 0.007 度（~25 弧秒）的角位移。一个好的经验法则是使用分辨率至少是指定最小运动分辨率 20 倍的仪器。高分辨率倾角计是为数不多的能够可靠测量小于 1 弧秒的角度的仪器之一。使用的倾角计是由 Jewell Instruments 制造的 800 型和 711 型倾角计。倾角计的标称分辨率在 0.25至 0.5 弧秒之间，或比最大允许移动值小 50% 至 100%。这些简单而精确的仪器致力于玻璃或陶瓷容器内捕获液泡的技术原理（图 1）。其电气结构中还含有电极和导电引信。当传感器发生倾斜时，液泡移动并改变燃料电极的接触面积，从而改变电极之间对电流流动的电阻。通过用电阻桥测量这种变化，可以以无与伦比的灵敏度和精度确定角运动的变化。

共有一个双轴（A711）和六个单轴（A801）倾角计安装在甲板下的箱梁内，以测量桥梁的纵向和横向运动。使用 Campbell Scientific CR10X 数据记录器对所有倾角计进行连续监测。警报阈值用于在过度移动的情况下激活闪光灯。六个倾角计中的四个安装在支柱和桥面连接处附近，以提供通过基脚传递到桥面的运动的第一个指示测量值。其中两个倾角计沿着基脚和桥台之间的跨度安装，以测量底板高程的变化（图 2）。

       C801 Tuff-Tilt 倾角传感器

C711 Tuff-Tilt 倾角传感器

图1：电解液式倾角传感器中的传感元件等效为一个可变电阻器

图2：显示倾角计位置和正（+）旋转方向的劳雷尔街大桥示意图

       倾角计是一种测量其所连接的结构元件旋转的仪器。本项目的规定是在任何一次灌浆期间，将桥面的相对垂直移动限制在 0.1 英寸（2.54 mm）或以下。要将倾角计测量的位移转换为位移，需要在一定长度上对角度测量进行积分。结构的刚度允许建立一个相当简单的位移计算模型（图 3）。测量与桥梁轴线平行旋转的倾角计用于测量桥台和支撑墩之间桥面的垂直运动。为此，假设桥台为固定点，且桥面是刚性的。然后通过假设倾角计测量的旋转角θ发生在整个桥梁跨度上来计算垂直位移（升降）。因此，Heave（h）计算式为 h =（70ft）（sinθ），其中θ是使用跨中倾角计测量的角度。倾角计的标称分辨率为 1.75 微弧度，即每公里 1.75 mm。这相当于桥墩和桥台之间 70 英尺（21 m）跨度上的 0.0015 英寸（0.04 mm）。

同样，使用在该方向上对齐的倾角计来确定横向于桥梁轴线的桥面运动。在这种情况下，积分是在桥的宽度上进行的。

图3：使用倾角计测量值计算升降的模型

       倾角计21 和 22（图 2）安装在跨中，其测量轴线沿桥梁轴线对齐，以分别测量桥梁东侧和西侧桥面的垂直位移。为此，假定桥面与桥台相交的点是固定的。图 4 和图5 显示了在东部基脚下方灌浆期间安装在东部跨度上的倾角计 21 的结果。在 60 多天的监测期内，中跨倾角计与桥面上四个垂直测量点的平均值显示出良好的相关性。

然而，倾角计能够精确测量小于 0.02 英寸（0.5 mm ）的位移。这比使用传统测量的精度高出大约 10 倍。但这种方法的真正优势是能够实时测量和响应桥梁运动。

从倾角计获得的数据的正弦性质是由于昼夜温度变化导致的桥梁的热弹性膨胀和收缩（图 5）。所有结构都表现出一定程度的热弹性运动。高分辨率倾斜仪足够灵敏，可以测量与这种行为相关的旋转现象。这就是为什么大多数地上倾角计的连续记录显示出正弦波的特征。许多人错误地将这种行为归因于倾角计自身的传感器或电路。但通常是结构本身，甚至是支架在移动导致的结果。将桥梁的正常日常移动与压实灌浆引起的移动区分开来是这项工作最具挑战性的方面。

图4：使用高分辨率倾角计和常规测量方式得到的东侧桥面升降。

图5：倾角计测得的升降特征图，显示桥梁的日膨胀和收缩。

       将倾角计安装在桥面上，测量横向位移。

在这种情况下，显然没有固定的旋转点，角度测量的积分产生相对位移。这些测量对于实时限制灌浆引起的位移没有用处。但它们确实提供了有关该过程对底板最终水平度影响的关键信息。

图 6 显示了一个倾角计读数，用于测量灌浆期间桥梁东侧的横向位移。记录清楚地显示，当灌浆沿着基脚从南向北进行时，桥面先向一侧倾斜，然后向另一侧倾斜。灌浆过程的均匀性反映在最终位移基本为零的事实上。

图6：在东侧基脚下方灌浆期间，桥梁东侧的横向位移。

      仪器的项目责任之一是，当桥面的垂直位移（升降）超过 0.1 英寸（2.54 mm）时，立即通知灌浆人员。这是一个挑战，因为桥梁的正常昼夜膨胀和收缩大约是相同的数量级（图 7）。在这种情况下，简单阈值报警的问题在于，达到阈值所需的灌浆引起的移动因一天中的具体时间而异。热弹性膨胀和收缩的规则周期性可以很容易地从时间序列中滤波得到，但对于需要在数据记录器中进行处理的实时方法来说，滤波太复杂了。

另一种可能的方法是将日膨胀和收缩建模为温度的函数，温度由每个倾角计和数据记录器测量。这种方法的困难在于电桥运动和仪器温度之间的关系并不简单。倾角计本身安装在空心桥面内，因此它们的温度记录会减弱，并滞后于桥梁所经历的温度记录。安装在桥梁外表面的温度传感器受到阳光直射的影响。确实没有实际的方法来测量“全局”桥梁温度，以用于相关表达式。

最后，决定用方程（1）中所示的简单正弦波函数对桥梁的昼夜运动进行建模，该函数包括调整波形的振幅、相位和对称性（偏斜度）的参数。

这相对容易在数据记录器中编程，并导致对灌浆引起的移动做出响应的警报（图 7）。定期调整这些参数是必要的，以考虑昼夜行为的变化。例如，随着灌浆的进行，基础的硬度增加。编写该程序是为了在模型和测量值之间的差值超过 0.1 英寸时激活闪光灯。闪光灯向灌浆操作员发出信号，要求他们在当前阶段停止泵送，并进入下一阶段。五分钟后，程序关闭指示灯，并通过使其与当前倾角计读数一致来“重新调零”报警阈值。

图7：当使用线性阈值时，触发警报所需的移动在一天中会发生变化。

图8：于触发警报的建模行为和测量行为之间的差异。

         Jewell Instruments 公司的高分辨率倾角计成功地用于监测桥梁对桥梁地基周围压实灌浆的响应监测。倾角计易于安装并连接到自动数据采集系统，用于实时监测和报警桥梁运动。然而，仪器的灵敏度要求在灌浆开始前进行基线监测，以确定桥梁的正常移动。

这种情况下，使用正弦函数对桥梁的日膨胀和收缩进行建模，以区分灌浆引起的运动和正常运动。这相对容易编程到数据记录器中。警告建模行为和测量行为之间的差异导致几乎即时通知过度的垂直运动，这简化了灌浆过程（图 9）。

图9：与西部基线下整个灌浆序列的警报基线模型相比，对比倾角计读数

• C801型Tuff 420具有与A801型相同的精度和耐用性，不同的是其输出是4-20mA电流信号。它有单轴和双轴两种配置。

• C801是由电流环路供电，因此可以使用一根便宜的双绞线来测量倾角，因为输出为4-20mA，所以在长电缆上没有信号损失。

• C801还配有一个用来测量温度的板载热敏电阻。C801的防护等级为IP65级，可以防风雨。

• C801应用于结构监测、4-20mA PLC系统、工业测量与控制、或任何需要用长电缆测量的应用。

  
  

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