郝天之,龍夏毅,鄧年春,楊 濤
(1.廣西北投交通養(yǎng)護(hù)科技集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530022;2.廣西交科研集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007;3.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西 南寧 530004)
應(yīng)變是直接反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)下構(gòu)件局部受力與破壞狀況的關(guān)鍵參數(shù),也是結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估的重要指標(biāo),因此應(yīng)變的測(cè)量常用于交通、建筑、水利、航空、機(jī)械、汽車等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)建造、運(yùn)營(yíng)過程中受力和安全狀態(tài)評(píng)估[1-2]。目前常用的應(yīng)變測(cè)試方法有電阻式應(yīng)變測(cè)試法、振弦式應(yīng)變測(cè)試法、光纖光柵方法等。為改善電阻式應(yīng)變測(cè)試法分辨率低的缺點(diǎn),專家學(xué)者進(jìn)行了多方面研究。Stein[3]利用有限元方法分析了應(yīng)變片各項(xiàng)性能與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,為改善電阻應(yīng)變片的精度提供了參考。丁梓涵等[4]對(duì)比了電阻應(yīng)變片、光纖傳感和布里淵光時(shí)域反射三種技術(shù)對(duì)于測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)變的精度、靈敏度和適用性等方面的差異。戴顯著[5]對(duì)WDAS-YB100 型工具式應(yīng)變傳感器進(jìn)行有限元模擬分析和標(biāo)定實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該傳感器通過圣維南原理將應(yīng)變值放大了1.5 倍,靈敏度系數(shù)為1.685。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)振弦式應(yīng)變測(cè)試法易受環(huán)境溫度的影響做了大量研究,李翔等[6]通過改進(jìn)的Rife和Quinn 算法對(duì)經(jīng)過FFT 變換后的信號(hào)進(jìn)行處理,獲得了精確頻率,并根據(jù)輸出信號(hào)頻率與待測(cè)量之間關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,提高振弦式傳感器的實(shí)用性和采集精度。Lu 等[7]研究了溫度對(duì)振弦式應(yīng)變片的影響關(guān)系,為振弦式應(yīng)變片在不同環(huán)境溫度下的應(yīng)用提供支持,保障了測(cè)量的可靠性和穩(wěn)定性。陳常松等[8]推導(dǎo)了振弦式應(yīng)變計(jì)的溫度影響修正公式、探討了消除水化熱影響的方法,提出了用測(cè)試應(yīng)變反映混凝土應(yīng)力的處理方法。光纖光柵應(yīng)變傳感器要求光學(xué)元件具有極高的精確性,孫詩(shī)晴等[9]采用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)溫度進(jìn)行有效補(bǔ)償,提高了光纖布拉格光柵(FBG)電流傳感器的測(cè)量精度。李寧等[10]研究高斯擬合算法與三次樣條插值算法對(duì)光纖光柵解調(diào)精度的影響,經(jīng)過數(shù)字低通濾波與三次樣條插值后,應(yīng)變檢測(cè)精度可達(dá)10 με。鄭文昊等[11]根據(jù)等強(qiáng)度梁的力學(xué)性能,設(shè)計(jì)了一種0.1με 級(jí)高分辨的FBG 應(yīng)變標(biāo)定裝置,并對(duì)其進(jìn)行了修正。概而論之,傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變測(cè)試技術(shù)精度不足,精度難以突破1 με;振弦式應(yīng)變測(cè)試法易受環(huán)境的影響;光纖光柵應(yīng)變測(cè)試成本高不適宜大范圍使用。目前缺乏經(jīng)濟(jì)、便利的自修正溫度影響的高分辨率應(yīng)變測(cè)量穩(wěn)定性增強(qiáng)技術(shù)。
綜上,國(guó)內(nèi)外改善應(yīng)變測(cè)量分辨率及穩(wěn)定的研究都是基于電磁學(xué)、動(dòng)力學(xué)、光學(xué)等原理展開,但從力學(xué)原理出發(fā),通過材料力學(xué)及結(jié)構(gòu)力學(xué)來計(jì)算應(yīng)變及開發(fā)相應(yīng)的新型傳感器的相關(guān)研究極少。針對(duì)此現(xiàn)狀,本文對(duì)應(yīng)變放大測(cè)試及傳感技術(shù)進(jìn)行研究,聚焦于高分辨率應(yīng)變測(cè)試技術(shù)及傳感器,解決結(jié)構(gòu)在外荷載作用下微小應(yīng)變的高分辨率、高穩(wěn)定性測(cè)量問題,以獲得豐富精確的結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息。提出的測(cè)試技術(shù)穩(wěn)定達(dá)到0.01 με 級(jí)應(yīng)變測(cè)試精度,可廣泛應(yīng)用于多行業(yè)中結(jié)構(gòu)的受力、安全狀態(tài)評(píng)估,對(duì)推動(dòng)我國(guó)工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試及健康狀態(tài)評(píng)估的進(jìn)步具有重要意義。
高分辨率應(yīng)變測(cè)試原理如圖1 所示,構(gòu)件承受兩端軸向拉力均為F,感應(yīng)桿和傳遞桿應(yīng)變分別為ε、ε′,感應(yīng)桿的長(zhǎng)度、截面面積和彈性模量分別為l、s、e,傳遞桿的長(zhǎng)度、截面面積和彈性模量分別為l′、S、E。
圖1 高分辨率應(yīng)變測(cè)試原理
傳遞桿和感應(yīng)桿承受同一個(gè)軸力F,根據(jù)受力平衡條件可得式(1):
由式(1)可得應(yīng)變?chǔ)?、ε′的比值,令λ=可得?2):
構(gòu)件總長(zhǎng)度為L(zhǎng),在軸向力F作用下總伸長(zhǎng)量ΔL為式(3):
式(3)兩側(cè)同除以L,并令β=l/L得:
感應(yīng)桿和傳遞桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)的平均應(yīng)變即為結(jié)構(gòu)的應(yīng)變,令該平均應(yīng)變數(shù)值為,即,式(4)化簡(jiǎn)后得式(5):
令κ=(β+λ-βλ),κ為與感應(yīng)桿和傳遞桿截面面積、長(zhǎng)度和彈性模量相關(guān)的特征系數(shù)。當(dāng)特征系數(shù)κ小于1,即ε>,且感應(yīng)桿和傳遞桿的截面面積、長(zhǎng)度和彈性模量為定值時(shí),特征系數(shù)κ也為定值,故得感應(yīng)桿的應(yīng)變?chǔ)攀墙Y(jié)構(gòu)應(yīng)變的倍。采用特定感應(yīng)桿和傳遞桿的組合,在感應(yīng)桿上粘貼電阻式應(yīng)變片,可測(cè)得比結(jié)構(gòu)應(yīng)變ˉε大若干倍的ε,通過特征系數(shù)κ可換算獲得高分辨率的結(jié)構(gòu)應(yīng)變ˉε。其基本原理是,通過感應(yīng)桿和傳遞桿的特定組合[12],利用結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào),即采用機(jī)械的方法把較小的應(yīng)變放大若干倍后展現(xiàn)在特有的部件上,達(dá)到機(jī)械放大應(yīng)變的效果,通過特征系數(shù)κ反算得到結(jié)構(gòu)應(yīng)變ˉε具有較高的精確度。
雖然國(guó)內(nèi)外已有對(duì)高分辨率應(yīng)變測(cè)試裝置及方法的研究[13-14],但均未述及利用不同材料與構(gòu)件之間剛度和變形的差異大幅提升應(yīng)變測(cè)試分辨率的方法。本文提出基于上述力學(xué)原理的高分辨率電阻應(yīng)變測(cè)試裝置,裝置示意如圖2 所示。在測(cè)試構(gòu)件表面平行應(yīng)變方向鉆孔植筋或焊接中心間距已知的2 個(gè)底座,將傳遞桿穿入底座的頂端開孔,采用螺帽在底座頂端開孔的兩側(cè)將傳遞桿擰緊;在感應(yīng)桿兩側(cè)對(duì)稱處分別粘貼電阻式應(yīng)變片,并采用防護(hù)材料將電阻式應(yīng)變片和粘貼有電阻式應(yīng)變片的感應(yīng)桿部分包裹防護(hù);在兩根傳遞桿的相鄰端采用螺栓將感應(yīng)桿和傳遞桿連接擰緊固定;電阻式應(yīng)變片按照半橋法或全橋法接入應(yīng)變采集機(jī)箱,調(diào)整螺帽使底座、傳遞桿和感應(yīng)桿充分受力。
圖2 高分辨率應(yīng)變測(cè)試裝置
與國(guó)內(nèi)外已有考慮溫度影響的應(yīng)變測(cè)試技術(shù)相比[15-17],本文高分辨率應(yīng)變測(cè)試技術(shù)無(wú)需安裝附加溫度補(bǔ)償裝置。電阻式應(yīng)變測(cè)試法主要通過測(cè)試電阻式應(yīng)變片的長(zhǎng)度變化量來測(cè)量結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變變化值。與測(cè)試結(jié)構(gòu)相同,應(yīng)變片的長(zhǎng)度伸縮同樣受到溫度影響,且通常溫度膨脹系數(shù)與測(cè)試結(jié)構(gòu)不同,因此需要進(jìn)行補(bǔ)償修正,以消除因溫度膨脹系數(shù)不同帶來的結(jié)果影響。傳統(tǒng)的電阻式應(yīng)變測(cè)試法通過測(cè)量在結(jié)構(gòu)物或相似材料上附加安裝的一組應(yīng)變片,利用惠斯通電橋的原理,對(duì)測(cè)試值進(jìn)行修正。然而,該方法使安裝工時(shí)和硬件投入翻倍,增加了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)成本,可進(jìn)行更科學(xué)的改進(jìn)和簡(jiǎn)化。
傳感器兩端固結(jié),當(dāng)均勻升溫t后在傳遞桿及感應(yīng)桿內(nèi)產(chǎn)生軸力F,在軸力F作用下感應(yīng)桿和傳遞桿產(chǎn)生長(zhǎng)度的變化量分別為ΔlF、ΔLF,力學(xué)原理如圖3 所示。
圖3 溫度變化傳遞桿、感應(yīng)桿受力圖
感應(yīng)桿的長(zhǎng)度、截面面積、彈性模量和膨脹系數(shù)分別為l、s、e、α,傳遞桿的長(zhǎng)度、截面面積、彈性模量和膨脹系數(shù)分別為L(zhǎng)、S、E、α′。外界環(huán)境作用下均勻升溫t ℃,此時(shí)感應(yīng)桿和傳遞桿的溫度變化引起長(zhǎng)度變化量分別為Δlt、ΔLt,分別如式(6)和式(7)所示:
感應(yīng)桿和傳遞感在溫度t作用下產(chǎn)生的內(nèi)力作用下,其長(zhǎng)度變化量分別如式(8)和式(9)所示:
由于兩端固定,溫度t和軸力F作用下傳遞桿和感應(yīng)桿的總伸長(zhǎng)量為0,即可得式(10):
將式(6)~式(9)代入式(10)得式(11):
此時(shí),感應(yīng)桿的應(yīng)變?yōu)棣?,根?jù)式(13)計(jì)算確定[18]:
當(dāng)采用同種鋼材16 Mn 的感應(yīng)桿和傳遞桿,其膨脹系數(shù)α=α′=1.2E-5/℃,感應(yīng)桿與傳遞桿長(zhǎng)度比β取0.166 67~0.333 33,感應(yīng)桿與傳遞桿剛度比λ取0.088 42~0.353 68,溫度每變化1 ℃對(duì)感應(yīng)桿應(yīng)變影響見表1。
表1 單位溫度變化對(duì)感應(yīng)桿應(yīng)變影響
因傳感器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的非力學(xué)應(yīng)變可以采用溫度補(bǔ)償法或電橋線路補(bǔ)償法消除。由表1 及溫度影響的力學(xué)分析可以看出,本文所提的高分辨率應(yīng)變傳感器,可計(jì)算自身在溫度變化影響下的形變,從而進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正,擺脫傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變測(cè)試法對(duì)附加溫度補(bǔ)償裝置的依賴,節(jié)省了硬件投入和安裝時(shí)間。
電阻式應(yīng)變測(cè)試法多數(shù)采用將應(yīng)變片粘貼在測(cè)試結(jié)構(gòu)表面的方式。但本文的高分辨率應(yīng)變傳感器中應(yīng)變片不直接粘貼在結(jié)構(gòu)上,結(jié)構(gòu)變形主要通過底座支架傳遞。底座支架尺寸選擇不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生較大的變形,嚴(yán)重影響應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的可靠性,底座支架引起的應(yīng)變誤差甚至遠(yuǎn)大于所測(cè)試結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)變。為保證應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的可靠性,有必要將連接傳感器與測(cè)試結(jié)構(gòu)之間的底座支架形變位移考慮在內(nèi),以得到最準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。
把底座支架視為高度為h的懸臂梁,其頂部受到力為F時(shí),懸臂梁變形撓度為式(14),力學(xué)分析如圖4 所示。
圖4 底座支架力學(xué)簡(jiǎn)化圖
式中:E′和I分別為底座支架彈性模量、截面慣性矩。
在力F的作用下傳遞桿和感應(yīng)桿的變形示意如圖5 所示:
圖5 傳遞桿、感應(yīng)桿的變形示意圖
令產(chǎn)生的應(yīng)變分別為εc、εg,根據(jù)傳遞桿和感應(yīng)桿的軸向力相等可得式(15):
令λ=,可得式(16):
同理,可得誤差應(yīng)變關(guān)系式(17):
由變形協(xié)調(diào)條件可知,感應(yīng)桿和傳遞桿的變形量之和與兩個(gè)支架的變形量之和相等[19],即:
將式(15)和式(17)代入式(18)并化簡(jiǎn)得式(19):
由于底座支架的變形使得示值應(yīng)變?chǔ)舋小于真值應(yīng)變?chǔ)舲,考慮因底座支架變形后的應(yīng)變誤差和示值應(yīng)變?chǔ)舋之和即是傳感器的真值應(yīng)變?chǔ)舲,因此有式(21):
τ為外置式傳感器誤差特征系數(shù),與傳感器的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)??梢妭鞲衅鞯墓逃袦y(cè)試誤差與傳感器的示值成正比,即示值應(yīng)變?cè)酱?,誤差越大;當(dāng)材料和結(jié)構(gòu)為定值時(shí),傳感器誤差特征系數(shù)是恒定值,從既有的架立式應(yīng)變傳感器構(gòu)件中,選擇合適的底座支架、傳遞桿、感應(yīng)桿,使得傳感器固有測(cè)試應(yīng)變誤差特征系數(shù)最小,即可獲得最接近真實(shí)值的測(cè)試應(yīng)變。
為分析傳感器底座支架引起的誤差,將傳感器架設(shè)在一結(jié)構(gòu)表面,如圖2 所示,采用分級(jí)荷載加載的方式測(cè)量該結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。將傳感器底座固定在結(jié)構(gòu)表面,其中心間距為520 mm,傳感器主要部件尺寸見表2。感應(yīng)桿選用鋁鎂合金材料,并采用防護(hù)材料將電阻式應(yīng)變片和粘貼有電阻式應(yīng)變片的部分感應(yīng)桿包裹防護(hù)。采用螺栓將感應(yīng)桿和傳遞桿連接擰緊固定,調(diào)整螺帽使底座、傳遞桿和感應(yīng)桿充分受力。底座支架高度、彈性模量、慣性矩分別為50 mm、210 GPa、125 052.1 mm4;感應(yīng)桿與傳遞桿的軸向剛度比為0.009 169,感應(yīng)桿兩端開孔的中心距離與底座中心間距比為0.019 231。在既有的架立式應(yīng)變傳感器構(gòu)件中,按固有測(cè)試應(yīng)變誤差特征系數(shù)τ最小原則,預(yù)先測(cè)算并選定構(gòu)建架立式應(yīng)變傳感器的底座支架、傳遞桿和感應(yīng)桿(傳感器誤差特征系數(shù)τ=0.024 3),測(cè)試誤差分析見表3。
表2 傳感器主要部件尺寸表
表3 底座支架誤差應(yīng)變分析結(jié)果
說明:真值應(yīng)變=示值應(yīng)變+誤差應(yīng)變;相對(duì)誤差=誤差應(yīng)變/真值應(yīng)變。
雖然國(guó)內(nèi)外已有對(duì)傳感器與結(jié)構(gòu)物之間連接構(gòu)件的研究,但是均未述及針對(duì)應(yīng)變測(cè)試計(jì)算和補(bǔ)償連接支架變形的方法。由表3 及底座支架影響力學(xué)分析可以看出,本文所提的高分辨率應(yīng)變傳感器測(cè)試時(shí)考慮了底座支架的變形并通過計(jì)算誤差特征系數(shù)τ進(jìn)行了修正,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)試精度不足時(shí)未考慮連接構(gòu)件變形的缺陷。
某橋跨組合為(2×35)m 的連續(xù)箱梁,橋梁長(zhǎng)度80 m,主車道寬凈12.25 m。上部結(jié)構(gòu)采用單箱三室預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁,下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩,基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),橋梁立面見圖6。
圖6 試驗(yàn)橋梁立面圖
分別在箱型梁1#跨和2??缱畲笳龔澗亟孛娌贾脩?yīng)變測(cè)試截面A 和截面B,采用BX120-100AA應(yīng)變片直接粘貼在混凝土表面,同時(shí)在同一位置采用BX120-4AA 組裝的高分辨率應(yīng)變傳感器進(jìn)行同步應(yīng)變測(cè)試,測(cè)點(diǎn)位置見圖7,高分辨率應(yīng)變傳感器的應(yīng)變放大倍數(shù)見表4。
表4 應(yīng)變傳感器放大倍數(shù)
采用重量為450 kN 的汽車在橋面均速行駛,測(cè)試各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值。圖8(a)所示為A 截面1#測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片和高分辨率應(yīng)變傳感器的測(cè)試應(yīng)變曲線對(duì)比,應(yīng)變片測(cè)試曲線應(yīng)變最大峰值為33.3 με,采用放大倍數(shù)為3 倍的高分辨率應(yīng)變傳感器應(yīng)變最大峰值為100.4 με,放大倍數(shù)為3 倍的應(yīng)變曲線較應(yīng)變片測(cè)試曲線峰值清晰、明顯。取時(shí)間42.8 s~43.8 s局部時(shí)長(zhǎng)的曲線單獨(dú)進(jìn)行對(duì)比顯示,如圖8(b)所示,采用應(yīng)變片測(cè)試方法的應(yīng)變曲線未見應(yīng)變明顯波動(dòng),而采用放大倍數(shù)為3 倍的高分辨率應(yīng)變傳感器測(cè)試的應(yīng)變曲線波動(dòng)明顯,應(yīng)變信息含量?jī)?yōu)于應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果,尤其是42.9 s~43.1 s 及43.6 s~43.8 s 時(shí)間區(qū)段上應(yīng)變片測(cè)試波形振動(dòng)不明顯,相比高分辨率測(cè)試結(jié)果有較大的信息缺失。
圖8 應(yīng)變片與3 倍傳感器應(yīng)變曲線
圖9(a)與圖10(a)分別為B 截面2#測(cè)點(diǎn)、B 截面4#測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片測(cè)試和高分辨率應(yīng)變傳感器的測(cè)試應(yīng)變曲線對(duì)比,可見5 倍與10 倍放大倍數(shù)的應(yīng)變曲線較應(yīng)變片測(cè)試曲線峰值清晰、明顯。取局部時(shí)長(zhǎng)的曲線單獨(dú)進(jìn)行對(duì)比顯示,如圖9(b)和圖10(b)所示,采用應(yīng)變片測(cè)試方法的應(yīng)變曲線未見應(yīng)變明顯波動(dòng),而采用放大倍數(shù)為5 倍、10 倍的高分辨率應(yīng)變傳感器測(cè)試的應(yīng)變曲線波動(dòng)明顯,應(yīng)變信息含量?jī)?yōu)于應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果,尤其是局部區(qū)段上應(yīng)變片測(cè)試波形振動(dòng)不明顯,相比高分辨率測(cè)試結(jié)果有較大的信息缺失。
圖9 應(yīng)變片與5 倍傳感器應(yīng)變曲線
圖10 應(yīng)變片與10 倍傳感器應(yīng)變曲線
①提出采用不同剛度比和長(zhǎng)度比的兩種部件進(jìn)行一定構(gòu)造的連接組合,通過力學(xué)原理將有效距離內(nèi)的變形集中至某一部件上,起到機(jī)械放大結(jié)構(gòu)應(yīng)變的作用。
②結(jié)合力學(xué)原理推導(dǎo)的基于部件參數(shù)剛度比、長(zhǎng)度比的高分辨率應(yīng)變求解公式,并設(shè)計(jì)制作了相應(yīng)測(cè)試裝置。使用該測(cè)試方法和測(cè)試裝置,可獲得較高的應(yīng)變精度,達(dá)到0.01 με 甚至更高,可廣泛適用于橋梁荷載試驗(yàn)、健康監(jiān)控及基于動(dòng)應(yīng)變識(shí)別移動(dòng)荷載等技術(shù)領(lǐng)域。
③針對(duì)傳感器本身受溫度變化產(chǎn)生形變導(dǎo)致無(wú)法真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)變值的技術(shù)難題,就傳遞桿和感應(yīng)桿的剛度比及長(zhǎng)度比等參數(shù)推導(dǎo)了溫度變化對(duì)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果影響的關(guān)系式,結(jié)合傳感器實(shí)例進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。結(jié)果證明該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器自身在溫度變化影響下的形變計(jì)算,從而進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正。
④針對(duì)傳感器受力后底座支架協(xié)調(diào)變形致使應(yīng)變測(cè)試產(chǎn)生的誤差,就底座支架的截面特性與高度、傳遞桿和感應(yīng)桿的剛度比及長(zhǎng)度比等參數(shù)推導(dǎo)了底座支架對(duì)應(yīng)變測(cè)試誤差影響的關(guān)系式,結(jié)合傳感器實(shí)例進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。提出了針對(duì)應(yīng)變高分辨率測(cè)試時(shí)計(jì)算和補(bǔ)償連接支架變形的方法。
⑤實(shí)橋測(cè)試結(jié)果表明,高分辨率應(yīng)變曲線較應(yīng)變片測(cè)試曲線峰值清晰、明顯,應(yīng)變信息含量?jī)?yōu)于應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果,尤其是局部區(qū)段上應(yīng)變片測(cè)試波形振動(dòng)不明顯,相比高分辨率測(cè)試結(jié)果有較大的信息缺失。