橋梁荷載試驗(yàn)中的測(cè)試新技術(shù)及應(yīng)用

胡培芳 劉京津

為檢驗(yàn)當(dāng)前國(guó)內(nèi)新建橋梁承載力是否符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而為橋梁竣工提供驗(yàn)收資料，或檢驗(yàn)在役舊橋承載力是否滿足實(shí)際載荷需求，能夠?yàn)樵谝叟f橋維修加固提供重要決策依據(jù)。針對(duì)上述橋梁需要開(kāi)展荷載實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前橋梁荷載實(shí)驗(yàn)是唯一用于評(píng)定橋梁承載力的重要方法。本研究基于傳統(tǒng)應(yīng)變和變形測(cè)試前提下，提出新型應(yīng)變以及變形測(cè)量方法，以期能夠從一定程度上推動(dòng)國(guó)內(nèi)橋梁載荷實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步。

一、應(yīng)變測(cè)試技術(shù)分析

傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)試法。第一，機(jī)械式應(yīng)變測(cè)量。在國(guó)內(nèi)機(jī)械式應(yīng)變測(cè)量已經(jīng)發(fā)展多年，其采用千分表或百分表測(cè)量變形前后測(cè)試標(biāo)距距離的變化，進(jìn)而獲得構(gòu)建測(cè)試標(biāo)距平均應(yīng)變。在工程測(cè)量時(shí)，機(jī)械式應(yīng)變測(cè)量?jī)x器包含千分表引伸機(jī)和手持應(yīng)變儀，采用這種機(jī)械式應(yīng)變測(cè)量，能夠直觀讀數(shù)，并且需要較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)使用等，但在該方法使用時(shí)，需要耗費(fèi)大量的人力、物力，并且精度差，因此針對(duì)應(yīng)變測(cè)量數(shù)量較多的實(shí)驗(yàn)是不合適的。除室內(nèi)實(shí)驗(yàn)外，該方法在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中該方法應(yīng)用較少。第二，電阻式應(yīng)變測(cè)量法。19 世紀(jì)30 年代，由英國(guó)研究學(xué)者Chare Wheatstone 首次發(fā)現(xiàn)利用惠斯通電橋進(jìn)行電子測(cè)量，其也為應(yīng)變電測(cè)技術(shù)提供基礎(chǔ)。研究學(xué)者驗(yàn)證處于應(yīng)變作用下，金屬絲的電阻變化及應(yīng)變電阻效應(yīng)，這也是電阻應(yīng)變計(jì)的運(yùn)行原理。

采用應(yīng)變電測(cè)法其具有較高的靈敏度，并且應(yīng)變片尺寸小，很容易粘貼牢固，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)字化測(cè)量，但使用該方法實(shí)驗(yàn)仍面臨很多缺點(diǎn)，比如通常橋梁靜載荷測(cè)試時(shí)需要在幾米或幾十米高空完成電阻應(yīng)變片粘貼，在粘貼時(shí)工作人員的效率低，操作不便，要求工作人員具有較強(qiáng)的貼片技能，同時(shí)應(yīng)變測(cè)量值很容易受外界溫度因素的影響，長(zhǎng)時(shí)間加載還會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在較大偏移，經(jīng)過(guò)后續(xù)數(shù)據(jù)分析，處理難度大。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)變片是一次使用的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。第三，光纖應(yīng)變測(cè)量法，在20 世紀(jì)70 年代由美國(guó)布朗大學(xué)研究學(xué)者提出了光纖傳感技術(shù)，并將其應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)衷，提出了實(shí)際應(yīng)用中的基本構(gòu)想。之后，日本、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家紛紛在橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)中引入了光纖傳感技術(shù)，我國(guó)是于20 世紀(jì)90年代引入光纖傳感技術(shù)的，光纖傳感器傳輸波長(zhǎng)信息且波長(zhǎng)不會(huì)有光源功率波動(dòng)以及連接和耦合損壞受到影響，因此相比傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量設(shè)備來(lái)說(shuō)，這種光纖傳感器具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離信息傳輸，具有良好的溫度適應(yīng)性，靈敏度高，信號(hào)失真小等特點(diǎn)，但傳感器的成本高，因此在橋梁靜載荷試驗(yàn)中應(yīng)用較少。除此之外，近年來(lái)在一些大型橋梁中安裝光纖傳感器失效，對(duì)于這一方面還需要后續(xù)進(jìn)行深入探究。第四，振弦式應(yīng)變測(cè)量法。在20 世紀(jì)30 年代，研究學(xué)者提出了振弦式應(yīng)變測(cè)量傳感器。從其原理來(lái)看，在處于一定張力條件下，鋼弦具有固定自振頻率，當(dāng)張力發(fā)生顯著變化時(shí)會(huì)使自身頻率也隨著變化，在結(jié)構(gòu)形成應(yīng)變時(shí)，安裝在其中的鋼弦張力也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而使自振頻率產(chǎn)生變化。通過(guò)檢測(cè)鋼弦振動(dòng)頻率比例的變化，進(jìn)而能夠計(jì)算測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化值。這種振弦式應(yīng)變測(cè)量傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾性能，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，并且信號(hào)失真較小，測(cè)量值不會(huì)受到溫度因素和導(dǎo)線電阻變化的影響。整體來(lái)看，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作安裝流程簡(jiǎn)便，但由于工藝和材料等因素，導(dǎo)致振弦式傳感器可能會(huì)產(chǎn)生鋼弦松弛，導(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生鋼弦松弛體現(xiàn)于：第一，鋼弦錨固端的松弛；第二，鋼弦本身材料特性導(dǎo)致松弛。除此之外，振弦式傳感器具有較大的軸向剛度，無(wú)法采用粘貼式的方式安裝，因此在載荷實(shí)驗(yàn)中是不合適的，一般主要用于橋梁施工的監(jiān)控。

從應(yīng)變測(cè)試新興技術(shù)來(lái)看，在進(jìn)行橋梁靜動(dòng)載荷測(cè)試時(shí)，如何能夠減少應(yīng)變測(cè)試的不良因素，提升檢測(cè)效率，獲取較高可信度的數(shù)據(jù)，其是目前橋梁工程師急需解決的問(wèn)題。長(zhǎng)安大學(xué)通過(guò)多年技術(shù)研發(fā)出可裝配式多用途應(yīng)變測(cè)量傳感器，在多座橋梁的靜動(dòng)載荷實(shí)驗(yàn)中成功應(yīng)用，能夠從一定程度上解決了橋梁靜動(dòng)載荷測(cè)試時(shí)面臨的問(wèn)題，尤其能夠應(yīng)對(duì)惡劣條件下的應(yīng)變測(cè)試。圓桿一端能夠與應(yīng)變傳感器進(jìn)行連接，另一端則能夠與支座連接，傳感器可與支座進(jìn)行連接，在使用過(guò)程中需要將傳感器粘貼在構(gòu)件的被測(cè)位置。當(dāng)構(gòu)件產(chǎn)生變形時(shí)，支座和傳感器會(huì)出現(xiàn)相對(duì)位移，進(jìn)一步推測(cè)構(gòu)件被測(cè)位置的應(yīng)變值為測(cè)量相對(duì)位移，需要在傳感器中設(shè)計(jì)雙懸臂梁結(jié)構(gòu)梁，表面粘貼較高精度的應(yīng)變片，構(gòu)成全橋電路，進(jìn)一步通過(guò)封裝設(shè)計(jì)。從該傳感器的特點(diǎn)和應(yīng)用來(lái)看，利用該傳感器標(biāo)距可結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行選取，比如用于施工橋拱圈應(yīng)變的測(cè)量，可構(gòu)成應(yīng)變花，測(cè)量結(jié)構(gòu)平面應(yīng)變，跨裂縫粘貼進(jìn)行裂縫變化的監(jiān)測(cè)，這種可裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式能夠確保傳感器具有良好的性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

二、撓度測(cè)試技術(shù)

從傳統(tǒng)撓度測(cè)量方法來(lái)看，第一，機(jī)械式撓度測(cè)量法。機(jī)械式撓度測(cè)量法是國(guó)內(nèi)外早期采用的撓度測(cè)量方法，比如采用百分表進(jìn)行測(cè)量，在橋梁撓度測(cè)量過(guò)程中需要在主梁結(jié)構(gòu)下緣待測(cè)位置安裝百分表，一旦主梁出現(xiàn)豎向變形撓度變化，將會(huì)反映在百分表的數(shù)值中，該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，而且能夠獲取穩(wěn)定可靠的測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，直接獲得各個(gè)測(cè)量位置的撓度值。然而在橋梁撓度測(cè)量過(guò)程中，采用百分表測(cè)量法需要在各個(gè)測(cè)量面搭設(shè)臨時(shí)支架，之后在支架安裝百分表，其安裝流程復(fù)雜，并且需要花費(fèi)大量的時(shí)間，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)還存在很多局限性，并且這種機(jī)械式百分表值只能夠通過(guò)人工讀數(shù)，使用不便，很容易受公路、行車、鐵路界限因素影響。對(duì)于跨越山谷、河流的橋梁來(lái)說(shuō)無(wú)法采用該方法進(jìn)行撓度測(cè)量。第二，電阻式撓度測(cè)量。該方法是將變形測(cè)量與電阻測(cè)量進(jìn)行融合，進(jìn)一步將變形轉(zhuǎn)為彎曲應(yīng)變的測(cè)試，利用應(yīng)變測(cè)試技術(shù)以實(shí)現(xiàn)撓度測(cè)量。電阻式撓度儀與機(jī)械式百分表進(jìn)行融合，可用于結(jié)構(gòu)變形的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)目視讀數(shù)，同時(shí)也可配合應(yīng)變儀實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)撓度快速測(cè)量。第三，激光式撓度測(cè)量，該方法利用激光較好的方向性以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形的測(cè)量，在具體橋梁變形的測(cè)試過(guò)程中，需要在橋梁上安裝激光器，隨著橋梁變形，橋梁中的激光器可通過(guò)激光斑位置獲得橋梁撓度，在橋梁被測(cè)位置上安裝激光器，能夠從激光器發(fā)出準(zhǔn)直激光束，將其照射在遠(yuǎn)端的半透射接受屏中，以形成圓形光斑，在任意時(shí)刻能夠從CCD 攝像機(jī)輸出模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)圖像采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可獲得光斑在接收屏中的中心位置，被測(cè)結(jié)構(gòu)很容易受外界因素的影響，沿豎向位置產(chǎn)生相對(duì)位移。由于激光器固定于被測(cè)結(jié)構(gòu)中，其測(cè)量結(jié)果會(huì)使照射在接收屏的激光光斑發(fā)生相同位移，通過(guò)數(shù)據(jù)采集前后兩次的圖片，計(jì)算兩次光斑在接收屏中心位置發(fā)生的變化，進(jìn)一步獲得橋梁被測(cè)點(diǎn)撓度變化值。利用該方法能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式和遠(yuǎn)距離測(cè)量，同時(shí)還能為有效避免臨時(shí)支架的搭設(shè)等工作，但激光撓度儀測(cè)量距離受限，精度差，尤其對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)變形變小時(shí)很難確保精度。

撓度測(cè)量的新技術(shù)，即單目視覺(jué)測(cè)量。單目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)是利用中心透射投影原理，被測(cè)物體方面產(chǎn)生光線，可經(jīng)過(guò)一個(gè)針孔將其透視到成像平面中，物像點(diǎn)的大地實(shí)際坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)相機(jī)成像坐標(biāo)，可以在幾何光路構(gòu)成一定聯(lián)系，實(shí)際坐標(biāo)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)平移獲得在相機(jī)坐標(biāo)中的平面坐標(biāo)。從撓度測(cè)量系統(tǒng)的方案來(lái)看，該系統(tǒng)是由長(zhǎng)焦鏡頭、軟件、標(biāo)靶和CCD 共同構(gòu)成，在橋梁上安裝標(biāo)靶形成豎向位移后，長(zhǎng)焦鏡頭和CCD 能夠采集標(biāo)靶的數(shù)字化圖像，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像同步處理，計(jì)算其圖像中標(biāo)靶坐標(biāo)位移，由已知中心點(diǎn)距離坐標(biāo)通過(guò)計(jì)算采集圖像標(biāo)識(shí)點(diǎn)距離，進(jìn)一步獲得像素距離和實(shí)際距離的參數(shù)，將測(cè)量獲得的標(biāo)識(shí)點(diǎn)像素位移轉(zhuǎn)為實(shí)際距離，通過(guò)換算獲得標(biāo)靶實(shí)際位移，可得到橋梁撓度變化值。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)后續(xù)處理能夠觀測(cè)待測(cè)點(diǎn)靜態(tài)動(dòng)態(tài)位移的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和曲線。

從該技術(shù)的應(yīng)用來(lái)看，首先，基于圖像遠(yuǎn)距離撓度測(cè)量系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，比如對(duì)于10m 測(cè)距離測(cè)試精度能夠達(dá)到0.01mm。其次可實(shí)現(xiàn)無(wú)靶標(biāo)測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)試，一般測(cè)試距離可達(dá)到300m 以上，具有較廣的適用范圍，對(duì)于不同施工規(guī)模的橋梁來(lái)說(shuō)均可采用該方法進(jìn)行測(cè)量。最后，整體測(cè)試方法簡(jiǎn)單便捷，易于獲取數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)30～100 赫茲高頻測(cè)試，以減少工業(yè)CCD 本身抖動(dòng)和環(huán)境波動(dòng)產(chǎn)生誤差值，在橋梁縱向橫向牢度測(cè)試中均可采用這種測(cè)試系統(tǒng)。

三、結(jié)語(yǔ)

總而言之，在本研究中主要針對(duì)橋梁載荷測(cè)試中應(yīng)變和變形測(cè)試方法進(jìn)行總結(jié)，針對(duì)當(dāng)前橋梁載荷實(shí)驗(yàn)應(yīng)變測(cè)試存在的問(wèn)題，提出多用途應(yīng)變測(cè)量傳感器，其具有良好的穩(wěn)定性和高精度，受風(fēng)險(xiǎn)因素較小，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)應(yīng)用。同時(shí)提出基于圖像法遠(yuǎn)距離撓度測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)非接觸，遠(yuǎn)距離，高精度測(cè)試以及橋梁遠(yuǎn)距離新動(dòng)態(tài)撓度測(cè)量，顯著提升橋梁的撓度測(cè)試效率。