應(yīng)力監(jiān)測在橋梁上的應(yīng)用與發(fā)展

王惠文 梁金棟 孫玥

摘 要： 隨著經(jīng)濟(jì)社會與鋼筋混凝土技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代建筑材料與建造方法都取得了巨變，另一方面，人們也更加關(guān)注使用過程中建筑物的安全性與耐久性，為此建立了一系列完備的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)?；诖?，本篇文章分析了現(xiàn)有的橋梁應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)與原理，并展望發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞： 應(yīng)力監(jiān)測；橋梁；橋梁監(jiān)測

1 應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)

1.1 應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)的原理

根據(jù)材料力學(xué)胡克定律，有

（1）

式中σ為混凝土應(yīng)力；E為混凝土的彈性模量；ε為混凝土應(yīng)變。

由于材料的形變量較為微小，難以直接測量，因此，根據(jù)其在外力下電阻值隨著機(jī)械變形而改變的特點，可由公式

（2）

測得材料的應(yīng)變量，應(yīng)變系數(shù)GF已在應(yīng)變片中標(biāo)注。

由于材料受力時形變量較小，導(dǎo)致應(yīng)變片阻值R變化較小，所以通過惠斯通電橋?qū)﹄娮枳兓糠糯蠛筮M(jìn)行測量，公式

（3）

輸出信號v而判斷應(yīng)力是否在容許范圍內(nèi)。

1.2 應(yīng)力測量常用儀器

應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)研究時期較早，隨著科技的逐漸進(jìn)步發(fā)展迅速。在測量鋼筋混凝土構(gòu)造時，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生應(yīng)變的原因很復(fù)雜，主梁應(yīng)變除荷載作用引發(fā)彈性應(yīng)變外，也有一系列塑性變形，同時還包含收縮、徐變、溫度等因素導(dǎo)致的應(yīng)變，因而精準(zhǔn)測量荷載導(dǎo)致的應(yīng)變較為困難。

當(dāng)今已有多種測量應(yīng)力的儀器，例如電阻應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變儀、光纖光柵應(yīng)變儀、超聲導(dǎo)波監(jiān)測儀，并有鋼絞線、磁通量傳感器等配合傳輸測量值。

電阻應(yīng)變片通過應(yīng)變膠黏劑，將應(yīng)變片粘合在被測體表面，使得應(yīng)變片隨材料的變形而變化，彈性體在外荷載作用下的應(yīng)變傳達(dá)到應(yīng)變片的柵絲上，將微細(xì)的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化值，從而得出應(yīng)變大小。[1]

在此基礎(chǔ)上，振弦式應(yīng)變計將變形傳給振弦，從而得出此時的振弦應(yīng)力，改變內(nèi)部振動頻率，發(fā)出信號；光纖光柵傳感器經(jīng)由檢測光柵波長分布中波峰的位置來量化應(yīng)力；超聲導(dǎo)波是運用低頻扭曲波或縱波對管道進(jìn)行長距離的觀測。

通過將應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)與光學(xué)、聲波等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，以理論力學(xué)原理為基礎(chǔ)，現(xiàn)以開發(fā)制作出了多種應(yīng)力監(jiān)測儀器，可適用于不同場合。

2 應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)在橋梁上的運用

2.1 橋梁監(jiān)測的形成

自千年前最基礎(chǔ)的木制結(jié)構(gòu)起，橋梁就作為世界上最重要的交通形式之一沿用至今，而在建筑材料得到跨時代革新的當(dāng)代，橋梁也從初期的木制石制，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱虽摻罨炷粱蚴卿摻Y(jié)構(gòu)。

長期使用的橋梁，可能具有多種問題：混凝土內(nèi)部可能生出裂縫，有效截面尺寸減??；長時間受力使得混凝土內(nèi)部凝膠體粘性流動和滑移，即徐變發(fā)生；集中受力的橋墩處產(chǎn)生沉降等。除此之外，曾經(jīng)發(fā)生過的交通事故、惡劣天氣等，都可能對橋梁產(chǎn)生一系列的破壞。

我國當(dāng)今使用的各種橋梁中，早期施工由于技術(shù)限制、材料等原因，都或多或少存在一些隱患：大跨徑梁式橋易出現(xiàn)跨中下?lián)虾土后w中段出現(xiàn)大量裂縫的征象[2]；鋼箱梁懸索橋易由于施工不合理而產(chǎn)生應(yīng)力集中與拉應(yīng)力征象，在焊接處出現(xiàn)疲勞裂紋。主纜則可能出現(xiàn)漆膜損壞、鋼絲腐蝕、滲水漏水等現(xiàn)象[3]；除此之外，對于斜拉橋，也會有保護(hù)層開裂，滲水，致使高強(qiáng)鋼絲生銹，并有下錨頭銹蝕，主梁出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象。

因為，由于橋梁在日常交通生活運用的普遍性與其事故后的嚴(yán)重性，監(jiān)測橋梁受力情況以預(yù)防病害就顯得尤為重要。橋梁監(jiān)測是依據(jù)橋梁所處的環(huán)境為背景，檢測橋梁部分的損傷，一般通過溫度、振動和沉降等監(jiān)測參數(shù)對橋梁進(jìn)行溫度場監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測和線型監(jiān)測，同時必須考慮橋梁所在地域的交通流量和地震情況，制定不同的安全等級。

傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測是在地面測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，使用溫度計、PH值傳感器來測量建筑附近的溫度與酸堿度，并檢查當(dāng)?shù)赜涊d的地震情況，最后用交通流量來計算出橋梁的交通載荷量。在此之后，經(jīng)過較長時間的改進(jìn)，橋梁監(jiān)測技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\用儀器來檢測出某定點的變形值，如應(yīng)用全站儀、GPS等現(xiàn)代測繪儀器來測量橋梁的位移、撓度變化，從而在一個更為廣闊的方面了解橋梁的變形情況，并合用于各種監(jiān)測環(huán)境。[4]

2.2 橋梁應(yīng)力監(jiān)測的發(fā)展方向

當(dāng)今常用的橋梁監(jiān)測方法，盡管在可以在大多數(shù)方面滿足橋梁應(yīng)力測量與安全的要求，但仍存在一些不足。利用經(jīng)緯儀與水準(zhǔn)儀進(jìn)行的監(jiān)測技術(shù)需要大量的現(xiàn)場測量工作，同時儀器對環(huán)境也有一定的要求，易受溫度等因素影響。另一方面，廣泛使用的電阻式應(yīng)變計也存在環(huán)境不利因素影響較大，且電子傳感技術(shù)存在的零點漂移問題難以克服，使得數(shù)據(jù)較不穩(wěn)定。

因此，已有多種改良的新型應(yīng)變傳感器可以運用于橋梁監(jiān)測的發(fā)展。

2.2.1 光纖Bragg光柵傳感器

作為傳感器而使用的光纖光柵最早運用在航空、航天等軍事領(lǐng)域，光纖光柵可以同時對溫度與應(yīng)變等物理量直接測量，具備抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高、便于復(fù)用、質(zhì)量較輕等優(yōu)點，同時耐高溫、耐腐蝕。Rutger大學(xué)的Prohaska等專家在1992年通過實驗，將光纖光柵埋到土木結(jié)構(gòu)中測量應(yīng)變，這是此傳感器的第一次實際運用。1993年，科學(xué)家們將其實地運用于加拿大艾伯塔省的一座公路橋上，從而證實了這種傳感器的實用性。[5]

在光纖上用紫外光刻寫光柵，應(yīng)變的變化與所導(dǎo)致的柵距變化呈線性，光柵反射波長與柵距改變量也成線性關(guān)系。另一方面，光纖光柵傳感器采用的光譜調(diào)制技術(shù)，極適用于長期監(jiān)測：傳感器對于光強(qiáng)的波動不敏感，因此，無論光源變化或是光纖處的光損失都不會影響測量值，正是由于其與信號強(qiáng)度無關(guān)的測量特性，使的這種方法不會受到測試中斷的影響，利用推廣使用[6]

2.2.2 磁彈應(yīng)力傳感器

磁彈應(yīng)力傳感器的原理是鋼構(gòu)件的磁彈效應(yīng)，磁彈效應(yīng)是指置于磁場中的鋼構(gòu)件在機(jī)械力作用下其內(nèi)部發(fā)生彈性能量變化，致使磁化強(qiáng)度重新取向，磁導(dǎo)率變化的現(xiàn)象。多種實驗表明，磁彈應(yīng)力傳感器具有不需要了解鋼絲受力歷史、穩(wěn)定性好、重復(fù)性好的特點，因此適用于鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測。[7]

3 結(jié)語

應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)至今已發(fā)展了過百年，隨著建筑材料以及建筑模式的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的應(yīng)力監(jiān)測裝置已無法滿足人們的需求，同時，科技的不斷發(fā)展使得應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展，不論是運用于橋梁上，亦或是房屋結(jié)構(gòu)、交通軌道等，都有著相當(dāng)?shù)陌l(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1]尹福炎.電阻應(yīng)變片與應(yīng)變傳遞原理研究[J].衡器，2010，39（02）：1-8.

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[3]鐘華棟.淺談大跨度鋼箱梁懸索橋典型病害及研究[J].四川建材，2017，43（07）：138-139.

[4]吳暉.橋梁監(jiān)測技術(shù)研究及發(fā)展方向[J].中國科技縱橫，2017，（11）：106.

[5]梁磊，姜德生，周雪芳， 等.光纖Bragg光柵傳感器在橋梁工程中的應(yīng)用[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2003，（2）：36-39.

[6]張巍，呂志濤.光纖布喇格光柵傳感器用于橋梁監(jiān)測[J].世界橋梁，2002，（4）：36-40.

[7]尹文霞，周仙通，段元鋒， 等.基于磁彈效應(yīng)的高強(qiáng)鋼絲應(yīng)力監(jiān)測實驗研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2013，（5）：113-118.