橋梁結(jié)構(gòu)試驗檢測應(yīng)變和撓度測量新方法的研究

林彥哲　魏初材　佘長輝

（福建省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司）

橋梁結(jié)構(gòu)試驗檢測應(yīng)變和撓度測量新方法的研究

林彥哲魏初材佘長輝

（福建省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司）

橋梁結(jié)構(gòu)的撓度和應(yīng)變是實施橋梁實驗檢測的關(guān)鍵物理量，在橋梁結(jié)構(gòu)的試驗檢測中有極為重要的地位。對橋梁結(jié)構(gòu)試驗檢測應(yīng)變和撓度測量方法，進行了深入的分析和闡述，并對各種測量方法進行了研究和評定。

橋梁結(jié)構(gòu)；試驗檢測；應(yīng)變；撓度；測量方法

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)試驗檢測的方法也在不斷更新和發(fā)展，以滿足國家建設(shè)的需要。作為橋梁結(jié)構(gòu)試驗檢測中的重要物理量，應(yīng)變和撓度測量的準確性，關(guān)乎橋梁的使用安全和質(zhì)量。因此，對于應(yīng)變和撓度測量方式的研究，有著重要意義。

1　橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量方法

我國常用于橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量的方法主要有以下幾種：

1.1光測法

該橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量方法主要包含了激光衍射測量法、云紋測量法、光彈測量法。測量原理則是通過大量運用構(gòu)件以及節(jié)點的某些區(qū)域的應(yīng)力進行分析，應(yīng)用較為普遍的是光纖橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量技術(shù)。

1.1.1光纖應(yīng)變傳感技術(shù)的運行原理

光纖應(yīng)變傳感技術(shù)的運行，是充分利用光纖對于某些物理量的敏感性優(yōu)勢，統(tǒng)一將外界的物理量變化有效轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘栕兓倪^程。光纖的性能較為穩(wěn)定且實用功能較為廣泛，能夠通過光波傳輸時所產(chǎn)生的表征參量（包括波長、振幅、偏振態(tài)、相位等），通過外在各因素（包括轉(zhuǎn)動、溫度、應(yīng)變、壓力、位移等動態(tài)因素）的影響而發(fā)生直接或者間接的變化，從而使光纖作為傳感媒介發(fā)揮其測量物理量的作用效能，這之間的動態(tài)變化過程就是光纖應(yīng)變傳感器技術(shù)的運行原理。

1.1.2光纖應(yīng)變傳感器特征

光纖應(yīng)變傳感器的主要特征是，通過總結(jié)測試對象的結(jié)構(gòu)特征，并充分將其特征要素制作成溫度傳感器和應(yīng)變傳感器，有效實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的絕對式測量，完成光纖應(yīng)變傳感器的動態(tài)測量和靜態(tài)測量，保證該信號傳輸?shù)倪^程和測量數(shù)據(jù)的精確度不受電磁波的干預(yù)。同時，光纖應(yīng)變傳感器與光纖信息通訊技術(shù)有機融合在一起，能夠有效對測量對象實施遠距離監(jiān)測。一方面，可以通過焊接在鋼結(jié)構(gòu)表層或者黏貼在測量物表面，進行長久的橋梁鋼結(jié)構(gòu)健康狀況實時監(jiān)測；另一方面，還可以通過黏貼在橋梁混凝土結(jié)構(gòu)表層，或者嵌于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對橋梁的混凝土實施長久的健康狀況實時監(jiān)測。為光纖成網(wǎng)覆蓋和復(fù)用提供了有利條件，同時也促進了現(xiàn)代光纖通信技術(shù)向光纖傳感網(wǎng)絡(luò)和遙測網(wǎng)的發(fā)展。然而，應(yīng)該注意的是，由于受到光纖材料對外界因素抗力較低的影響，光纖應(yīng)變傳感器在抵御外在干擾因素方面的能力較弱，因此在投入使用過程中需要做好充分的防護程序。

1.2電阻應(yīng)變測量法

1.2.1電阻應(yīng)變測量儀的工作原理

該設(shè)備的工作原理主要是，經(jīng)由黏貼于試件的量測點之上的感應(yīng)系統(tǒng)既電阻應(yīng)變測量儀，使試件測量點表層的應(yīng)變有效轉(zhuǎn)換為電阻應(yīng)變，之后再運用電阻應(yīng)變測量儀將電阻應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電流變化或者電壓變化，通過擴大變化數(shù)值，并進行測量變化再轉(zhuǎn)用別種測量儀器進行數(shù)據(jù)記錄的方式，將電阻應(yīng)變測量儀器所獲取的應(yīng)變數(shù)值換算稱為應(yīng)力（圖1為電阻應(yīng)變測量儀）。

圖1

由于該測量儀器的靈活性以及測量數(shù)據(jù)的精確度較高，并且儀器本身體積較小，操作流程簡單方便，同時適用于動、靜兩種測量狀態(tài)，為遠距離測量和多點測量提供了有利條件。然而，從另一方面分析，該測量法局限于試件表層的應(yīng)變，在試件內(nèi)部機構(gòu)應(yīng)變測量方面有所欠缺。又由于其傳播信號強度較弱，因此在遠距離動態(tài)測量中，必須采取徹底的抗干擾措施才能保證該測量的順利進行（圖2為電阻應(yīng)變測量儀的工作流程）。

圖2

1.2.2差動式傳感器

差動式傳感器主要應(yīng)用于，橋梁混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者表層的應(yīng)變系數(shù)測量，同時還兼顧了測量點的溫度測量。該測量是建立在鋼絲變形致使電阻形成一定的變化，以及鋼絲電阻根據(jù)自身溫度波動而產(chǎn)生應(yīng)變的基礎(chǔ)理論之上的。

差動式傳感器的主要應(yīng)用原理是，在儀器內(nèi)部選用兩根鋼絲并使用特殊的方式將其固定，通過對鋼絲的預(yù)拉，將鋼絲張緊于支桿之上。一旦出現(xiàn)其中一根鋼絲受到壓力后，該裝置的電阻將會減小。通過對儀器內(nèi)部的鋼絲電阻比值進行測量，便能夠有效獲取差動式傳感器的應(yīng)變量。

差動式傳感器屬于封閉式結(jié)構(gòu)，若將相關(guān)傳感系統(tǒng)R1、R2密封于圓柱形金屬裝置內(nèi)，做好充足的防潮防腐工作，便可將差動式傳感器植入橋梁混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，實現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)的長期觀察和測試。由于該設(shè)備的體積較大，因此在應(yīng)用區(qū)域方面受到一定限制，僅限于測量大型試件（圖3為差動式傳感器的三種結(jié)構(gòu)）。

圖3　差動變壓器差動變壓器式壓力傳感器的三種結(jié)構(gòu)

2　橋梁結(jié)構(gòu)撓度測量方法

2.1橋梁結(jié)構(gòu)撓度測量的現(xiàn)狀

在我國橋梁結(jié)構(gòu)撓度測量領(lǐng)域，常用的測量方式是懸錘測量法、百分表測量法、鋼弦測量法、光電測量法和水準儀直接測量法等。由于懸錘測量法具有檢測設(shè)備簡單、操作便捷、應(yīng)用成本較低、測量精確度高等各種優(yōu)勢，因而被廣泛應(yīng)用于各類型橋梁撓度測量中，然而該測量方式存在一定的局限性，只能對測量橋梁的靜態(tài)撓度，所以在應(yīng)用范圍方面受到一定限制。同時，鋼弦測量法也因為僅適用于冰面橋梁撓度的測量，所以在測量范圍等方面受到一定的局限。在這其中的光電測量法，則是通過運用CCD圖像傳感器這一大規(guī)模集成電路光電器件，實現(xiàn)對橋梁撓度的測量工作，但由于該測量設(shè)備的使用成本較高，同時在設(shè)備使用過程中對環(huán)境和天氣的要求較高，因此不利于常規(guī)的橋梁撓度測量。以上常用撓度測量法中，水準儀直接測量法主要運用了標尺或者水準儀器等測量設(shè)備，根據(jù)橋梁本身發(fā)生外力作用的前后狀況，并經(jīng)過對標尺中所顯示的數(shù)值變化差的計算和處理從而得到該橋梁的靜態(tài)撓度數(shù)據(jù)。由于該測量方法的設(shè)備以及測量形式的限制，所以僅適用于橋墩空間較寬闊的公路橋梁，因此在適用范圍等方面也受到了較大的局限性（圖4為橋梁撓度檢測儀，非接觸式橋梁撓度計）。

圖4

2.2橋梁結(jié)構(gòu)撓度測量的新方法

近幾年，隨著科技飛速發(fā)展，更多橋梁結(jié)構(gòu)撓度的測量方式和測量儀器被開發(fā)出來，譬如：新興的GPS全球定位測量法、專業(yè)撓度觀測法、精密水準觀測法和全站儀器觀測法等。

2.2.1傾角儀測量法

該測量方法主要是運用數(shù)字積分器與電容式伺服傾角儀相互結(jié)合的作用，對橋梁結(jié)構(gòu)的撓度曲線進行測量。該測量方式操作起來較為復(fù)雜，需要相關(guān)測量人員具備較高的專業(yè)測量水平和職業(yè)素養(yǎng)。另外，由于傾角儀之間存在一定的交流電相位差，以及受到零點漂移和瞬間反應(yīng)時間的影響，導(dǎo)致無法控制測量數(shù)據(jù)的精確度，難以在現(xiàn)場測量中發(fā)揮效用（圖5為數(shù)顯傾角儀）。

圖5

2.2.2激光標靶測量法

該方法主要是利用激光的方向性優(yōu)勢，能夠隨橋梁的變形進行光線的調(diào)整，從而有效將激光照射在固定的光電接收系統(tǒng)上（即光靶），使接收系統(tǒng)的光靶輸出電壓根據(jù)橋梁的變形程度變化發(fā)生等量變化，測量人員只需取得光靶的電壓數(shù)值，就能掌握橋梁的撓度。

激光標靶測量法所測量出的數(shù)據(jù)可精準到0.1mm，且運行成本較低，檢測效率較高。然而該測量方式需要安裝標定，這一點對于現(xiàn)階段測量條件來說較難實現(xiàn)，同時測量撓度的分辨率較低。

2.2.3攝影測量法

該測量方法充分利用了，現(xiàn)代計算機影像處理手段以及工業(yè)攝像機等測量設(shè)備，對準安裝在梁部的靶標進行動態(tài)的實時影像采集，并通過連接計算機準確記錄測量數(shù)據(jù)而后對該數(shù)據(jù)進行自動化分析、計算，最終取得橋梁撓度動態(tài)數(shù)據(jù)以及其數(shù)據(jù)變化曲線圖表，和振動技術(shù)參數(shù)、沖擊系數(shù)等。由于該測量法的測量設(shè)備體積較為龐大安裝起來比較繁瑣復(fù)雜，且購置成本偏高，因此不利于實施現(xiàn)場測量。

根據(jù)對現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)撓度測量方法的分析可知，以上三種常用測量方式都存在一定的局限性和誤差性，因此，要適應(yīng)不斷發(fā)展的軌道交通，保證鐵路行駛安全，耽誤之急是盡快研發(fā)出新型測量方式和測量設(shè)備。

這些新興測量方法在傳統(tǒng)測量方法的基礎(chǔ)之上，不斷改進和完善，并更多的運用到了現(xiàn)代信息技術(shù)，增強了撓度測量中的科技含量，保證了測量結(jié)果的準確性和可靠性，推進了我國橋梁結(jié)構(gòu)測量技術(shù)的發(fā)展和進步。與此同時我們也應(yīng)該正視，由于各種局限性因素，以上測量方式仍然存在一定的缺陷，對測量精確度和測量效率產(chǎn)生了一定的影響。

3　結(jié)束語

在橋梁結(jié)構(gòu)試驗檢測撓度和應(yīng)變的測量過程中，要充分結(jié)合實際情況以及測量條件，不斷改進和完善測量方式，為橋梁的測量提供真實、可靠的數(shù)據(jù)。作為合格的測量人員應(yīng)該不斷提高自身專業(yè)水平，積極探索橋梁測量的新工藝、新方法、新技術(shù)，有效推進我國橋梁測量技術(shù)的發(fā)展。

[1]姚育文.簡論橋梁結(jié)構(gòu)試驗檢測應(yīng)變和撓度測量方法[J].四川建材，2012，38（05）：87～88.

[2]趙華.淺談橋梁撓度測量方法與變形監(jiān)測現(xiàn)狀[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2012（32）.

[3]徐攀.基于梁體轉(zhuǎn)角的一種橋梁撓度測量方法與實驗研究[D].重慶交通大學(xué)，2010.

[4]金瑞云.現(xiàn)代橋梁撓度測量方法簡析[J].技術(shù)與市場，2009，16（07）：32～ 33.

魏初材，助理工程師，本科，主要從事橋梁工程試驗檢測、結(jié)構(gòu)安全性及承載能力鑒定、施工監(jiān)測工作。

佘長輝，助理工程師，本科，主要從事橋梁工程試驗檢測、結(jié)構(gòu)安全性及承載能力鑒定、施工監(jiān)測工作。

U446

A

1673-0038（2015）10-0170-03

2015-2-12

林彥哲，助理工程師，本科，主要從事橋梁工程試驗檢測、結(jié)構(gòu)安全性及承載能力鑒定、施工監(jiān)測工作。