橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變電測技術(shù)探討

李 毅

（廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東 廣州 528414）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)試驗中，各種新型現(xiàn)代化電測儀器不斷涌現(xiàn)，大大提高了橋梁結(jié)構(gòu)試驗的測試精度及測試效率，使大規(guī)模橋梁結(jié)構(gòu)試驗成為可能。本節(jié)主要介紹結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的電測技術(shù)，即電阻應(yīng)變測量的原理及應(yīng)用。電阻應(yīng)變測量的基本原理是：將電阻應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件變形時，應(yīng)變片與構(gòu)件一起變形，致使應(yīng)變片的電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化；通過電阻應(yīng)變測量裝置，可將這種變化測量出來，換算成應(yīng)變值或輸出與應(yīng)變成正比的模擬電信號，用記錄儀器記錄下來或直接存入計算機進(jìn)行處理，得到所需要的應(yīng)力應(yīng)變值。

1 電阻應(yīng)變計的選用

應(yīng)變片品種和規(guī)格很多，選用時必須從滿足測試要求、使用方便和盡可能節(jié)省費用等原則出發(fā)，結(jié)合被測試件所處的環(huán)境條件、被測材料的勻質(zhì)程度、測點部位的重要程度以及應(yīng)變范圍等多方面考慮。尤其是重點把握標(biāo)距和種類。

1.1 標(biāo)距

當(dāng)結(jié)構(gòu)材料為勻質(zhì)（如鋼材）或局部應(yīng)力集中梯度比較大時宜選用小標(biāo)距應(yīng)變片，當(dāng)結(jié)構(gòu)材料為非勻質(zhì)（如混凝土）或應(yīng)變梯度小又均勻時可選用大標(biāo)距應(yīng)變片（對混凝土標(biāo)距L≥4～5倍最大骨料直徑）。

1.2 種類

對于箔式應(yīng)變片適用于各種場合，且性能較絲式優(yōu)越，是目前使用最多的一種應(yīng)變片。有時碰到大量使用應(yīng)變片的場合，環(huán)境條件比較好（如室內(nèi)模型試驗）從經(jīng)濟(jì)上考慮，往往也選用絲式膠基或紙基片。綜合起來說，對于測試鋼構(gòu)件（或混凝土內(nèi)鋼筋）應(yīng)變，一般選用2mm×3mm（B×L）或2mm×6mm的箔式應(yīng)變片，測混凝土結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變，一般選用10mm×（80～100）mm的絲式膠基片或紙基片。

2 電阻應(yīng)變片的粘貼和連接

電阻應(yīng)變片的粘貼和焊接是應(yīng)變測試技術(shù)中極重要的一步，必須足夠重視，通過結(jié)合工程實踐，筆者提出正確的操作步驟及其相應(yīng)的注意事項。

2.1 電阻應(yīng)變片的選片

首先檢查電阻應(yīng)變片的外觀質(zhì)量，好的應(yīng)變片應(yīng)該絲柵平直整齊、均勻、無氣泡、無霉、無銹蝕，基底和覆蓋層無破損。其次用惠斯頓電橋測定應(yīng)變片的電阻值，其準(zhǔn)確度應(yīng)達(dá)到0.1Ω，以便按阻值的大小進(jìn)行編組配對。工作片與補償片之間的電阻值之差不宜大于0.2Ω，以免橋臂阻值不能調(diào)平衡。

2.2 試件的表面處理

被測表面與電阻應(yīng)變片之間是否能牢固地粘在一起，是直接影響被測物與應(yīng)變片變形傳遞的關(guān)鍵。為使應(yīng)變片能夠粘貼牢固，應(yīng)對被測表面進(jìn)行專門處理。

從工程實踐表明對于鋼（或其他金屬）試件，可通過采用砂輪片、鋼絲刷等對試件去銹，去銹的長度比應(yīng)變片長2～3倍。螺紋鋼筋在不損傷有效面積的條件下，磨去幾個螺紋。去銹以后，需用砂紙（先粗后細(xì)）拋光，并達(dá)到光潔。拋光結(jié)束前的砂削方向應(yīng)與貼片方向斜交（不要平行）。最后用丙酮棉花擦凈貼片處。而對于混凝土試件，用砂輪磨平欲測的混凝土表面部位，然后用環(huán)氧樹脂膠薄薄地涂刮一層并干燥（一般需要一天）。等底層完全干燥后，用細(xì)鐵砂紙將表面磨平，注意砂磨方向應(yīng)與貼片方向斜交。最后用無水酒精棉花擦凈貼片處。

2.3 粘貼應(yīng)變片

目前適用于金屬或混凝土的貼片且較常用的膠粘劑為氰基丙烯酸乙酯類粘貼劑，粘貼劑在常溫下吸收空氣中的微量水分并固化，使用時僅用手指加壓0.5～1.0min，便能初步固化，現(xiàn)場使用特別方便。環(huán)氧樹脂類粘貼劑也可用來貼應(yīng)變片。貼片時，先看清應(yīng)變片的位置、方向。把膠水滴在應(yīng)變片粘貼面上（注意應(yīng)變片的正反面），片子貼上去以后，蓋上一張塑料薄膜，用大拇指輕輕按住片子，擠出氣泡和多余的膠水，注意留心電阻片的位置和方向不能移動。由于粘貼劑是一種快干型粘貼劑，所以操作過程中需要熟練技術(shù)和經(jīng)驗。

2.4 應(yīng)變片的干燥處理和質(zhì)量檢查

應(yīng)變片粘貼后必須使粘貼劑充分干燥，以保證應(yīng)變片能夠傳遞試件的變形，同時保證應(yīng)變片的絕緣度，不致引起讀數(shù)漂移。應(yīng)變片的干燥方法可以分為自然干燥和人工干燥。當(dāng)溫度大于15℃，相對濕度低于60%時，可通過采用自然干燥，干燥時間一般需要24h。人工干燥就是用紅外燈泡或電吹風(fēng)烘烤，溫度一般控制在50℃以下，干燥時間一般只需1h。應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量主要是指粘貼層的好壞，幾何位置是否正確、粘貼層是否有氣泡、引出線是否完好等等。還有一個與粘貼質(zhì)量有關(guān)的因素是試件與應(yīng)變片引出線之間的絕緣度（絕緣度達(dá)不到要求會使儀器產(chǎn)生漂移），這個絕緣度值至少要大于100MΩ，對測量時間較長的情況，應(yīng)在200MΩ以上。

2.5 應(yīng)變片的防潮處理

對應(yīng)變片進(jìn)行干燥處理和質(zhì)量檢查后，應(yīng)及時對應(yīng)變片進(jìn)行防潮處理，這對野外試驗是必須的。應(yīng)變片的短期防潮處理比較簡單。對于應(yīng)變片的長期防潮，一般采用環(huán)氧樹脂配固化劑，也可將石蠟和松香加熱熔化后使用。

2.6 應(yīng)變片的導(dǎo)線連接

在每片應(yīng)變片的引出線下面貼一條接線端子，把應(yīng)變片的引出線和后續(xù)接線一起焊在過橋上。應(yīng)變片的連接導(dǎo)線與采用的應(yīng)變儀器和測試內(nèi)容有關(guān)。

3 惠斯頓電橋溫度補償處理技巧

對于接入電橋的電阻應(yīng)變片的電阻值隨溫度變化，這一變化當(dāng)然要引起電橋輸出電壓，一般每升溫1℃，應(yīng)變放大器輸出的變量可達(dá)幾十微應(yīng)變。顯然，這是非受力應(yīng)變，需要排除。根據(jù)應(yīng)變電橋的輸出特性，應(yīng)用上不難對溫度進(jìn)行補償，只要用一片和工作片（貼在被測件上的應(yīng)變片）阻值、靈敏系數(shù)和電阻溫度系數(shù)都相同的應(yīng)變片，把它貼在一塊與被測件材料相同而不受力的試件上，并使它們處于同一溫度場，電橋連接時使工作片和補償片處在相鄰橋臂中（如圖1所示），這樣溫度變化就不會造成電橋的輸出電壓。

圖1 溫度補償

實際使用上，補償片可采用單點補償多點的辦法，具體補多少點要根據(jù)被測物的材料特性、測點位置及環(huán)境條件決定。一般（鋼結(jié)構(gòu)或混凝土）橋梁應(yīng)變測量，可以一補十。但必須注意，在特別嚴(yán)格或特殊場合，要求單獨進(jìn)行補償。

4 電阻應(yīng)變儀及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由機械應(yīng)變引起的電阻應(yīng)變片阻值的變化通常很小，很難直接檢測出來，必須依靠放大儀器將信號放大。電阻應(yīng)變儀是電阻應(yīng)變片的專用放大儀器，其中測量電路涉及電阻應(yīng)變計和電阻應(yīng)變儀之間的連接方法，顯然掌握其電學(xué)原理，才能夠正確地進(jìn)行應(yīng)變測量。測量電路的作用是將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化，這種轉(zhuǎn)化是通過惠斯頓電橋?qū)崿F(xiàn)的。

從實踐情況來看，動態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集比靜態(tài)要復(fù)雜，特別是對多路采集系統(tǒng)來說，不僅要滿足采樣、速度、精度、信號再現(xiàn)等方面的要求，而且還要求便攜性，這是有一定難度的。以往動態(tài)應(yīng)變信號采集系統(tǒng)中，多個應(yīng)變的測量和信號的放大要靠多通道動態(tài)應(yīng)變儀去完成，所以難以做到靜態(tài)應(yīng)變測量那樣既多路又便攜。但隨著計算機技術(shù)飛速發(fā)展正在并已經(jīng)改變了這一切，便攜式多通道動態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，已可用于橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)變采集。

5 結(jié)語

文章通過結(jié)合實踐經(jīng)驗，著重論述橋梁檢測中應(yīng)變電測的應(yīng)用技術(shù)，并以應(yīng)變檢測為例介紹檢測橋梁中的檢測原理、方法，具體提出電阻應(yīng)變計的選用等，為同行提供參考借鑒。

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