桥梁结构试验检测应变和挠度测量新方法的研究

2015-10-29林彦哲魏初材佘长辉

建材与装饰 2015年10期

关键词：测量法测量方法挠度

林彦哲　魏初材　佘长辉

（福建省建筑工程质量检测中心有限公司）

桥梁结构试验检测应变和挠度测量新方法的研究

林彦哲魏初材佘长辉

（福建省建筑工程质量检测中心有限公司）

桥梁结构的挠度和应变是实施桥梁实验检测的关键物理量，在桥梁结构的试验检测中有极为重要的地位。对桥梁结构试验检测应变和挠度测量方法，进行了深入的分析和阐述，并对各种测量方法进行了研究和评定。

桥梁结构；试验检测；应变；挠度；测量方法

随着经济的飞速发展，桥梁结构试验检测的方法也在不断更新和发展，以满足国家建设的需要。作为桥梁结构试验检测中的重要物理量，应变和挠度测量的准确性，关乎桥梁的使用安全和质量。因此，对于应变和挠度测量方式的研究，有着重要意义。

1　桥梁结构应变测量方法

我国常用于桥梁结构应变测量的方法主要有以下几种：

1.1光测法

该桥梁结构应变测量方法主要包含了激光衍射测量法、云纹测量法、光弹测量法。测量原理则是通过大量运用构件以及节点的某些区域的应力进行分析，应用较为普遍的是光纤桥梁结构应变测量技术。

1.1.1光纤应变传感技术的运行原理

光纤应变传感技术的运行，是充分利用光纤对于某些物理量的敏感性优势，统一将外界的物理量变化有效转变为光信号变化的过程。光纤的性能较为稳定且实用功能较为广泛，能够通过光波传输时所产生的表征参量（包括波长、振幅、偏振态、相位等），通过外在各因素（包括转动、温度、应变、压力、位移等动态因素）的影响而发生直接或者间接的变化，从而使光纤作为传感媒介发挥其测量物理量的作用效能，这之间的动态变化过程就是光纤应变传感器技术的运行原理。

1.1.2光纤应变传感器特征

光纤应变传感器的主要特征是，通过总结测试对象的结构特征，并充分将其特征要素制作成温度传感器和应变传感器，有效实现温度和应变的绝对式测量，完成光纤应变传感器的动态测量和静态测量，保证该信号传输的过程和测量数据的精确度不受电磁波的干预。同时，光纤应变传感器与光纤信息通讯技术有机融合在一起，能够有效对测量对象实施远距离监测。一方面，可以通过焊接在钢结构表层或者黏贴在测量物表面，进行长久的桥梁钢结构健康状况实时监测；另一方面，还可以通过黏贴在桥梁混凝土结构表层，或者嵌于混凝土结构内部，对桥梁的混凝土实施长久的健康状况实时监测。为光纤成网覆盖和复用提供了有利条件，同时也促进了现代光纤通信技术向光纤传感网络和遥测网的发展。然而，应该注意的是，由于受到光纤材料对外界因素抗力较低的影响，光纤应变传感器在抵御外在干扰因素方面的能力较弱，因此在投入使用过程中需要做好充分的防护程序。

1.2电阻应变测量法

1.2.1电阻应变测量仪的工作原理

该设备的工作原理主要是，经由黏贴于试件的量测点之上的感应系统既电阻应变测量仪，使试件测量点表层的应变有效转换为电阻应变，之后再运用电阻应变测量仪将电阻应变转换成电流变化或者电压变化，通过扩大变化数值，并进行测量变化再转用别种测量仪器进行数据记录的方式，将电阻应变测量仪器所获取的应变数值换算称为应力（图1为电阻应变测量仪）。

图1

由于该测量仪器的灵活性以及测量数据的精确度较高，并且仪器本身体积较小，操作流程简单方便，同时适用于动、静两种测量状态，为远距离测量和多点测量提供了有利条件。然而，从另一方面分析，该测量法局限于试件表层的应变，在试件内部机构应变测量方面有所欠缺。又由于其传播信号强度较弱，因此在远距离动态测量中，必须采取彻底的抗干扰措施才能保证该测量的顺利进行（图2为电阻应变测量仪的工作流程）。

图2

1.2.2差动式传感器

差动式传感器主要应用于，桥梁混凝土内部结构或者表层的应变系数测量，同时还兼顾了测量点的温度测量。该测量是建立在钢丝变形致使电阻形成一定的变化，以及钢丝电阻根据自身温度波动而产生应变的基础理论之上的。

差动式传感器的主要应用原理是，在仪器内部选用两根钢丝并使用特殊的方式将其固定，通过对钢丝的预拉，将钢丝张紧于支杆之上。一旦出现其中一根钢丝受到压力后，该装置的电阻将会减小。通过对仪器内部的钢丝电阻比值进行测量，便能够有效获取差动式传感器的应变量。

差动式传感器属于封闭式结构，若将相关传感系统R1、R2密封于圆柱形金属装置内，做好充足的防潮防腐工作，便可将差动式传感器植入桥梁混凝土结构内，实现对混凝土结构的长期观察和测试。由于该设备的体积较大，因此在应用区域方面受到一定限制，仅限于测量大型试件（图3为差动式传感器的三种结构）。

图3　差动变压器差动变压器式压力传感器的三种结构

2　桥梁结构挠度测量方法

2.1桥梁结构挠度测量的现状

在我国桥梁结构挠度测量领域，常用的测量方式是悬锤测量法、百分表测量法、钢弦测量法、光电测量法和水准仪直接测量法等。由于悬锤测量法具有检测设备简单、操作便捷、应用成本较低、测量精确度高等各种优势，因而被广泛应用于各类型桥梁挠度测量中，然而该测量方式存在一定的局限性，只能对测量桥梁的静态挠度，所以在应用范围方面受到一定限制。同时，钢弦测量法也因为仅适用于冰面桥梁挠度的测量，所以在测量范围等方面受到一定的局限。在这其中的光电测量法，则是通过运用CCD图像传感器这一大规模集成电路光电器件，实现对桥梁挠度的测量工作，但由于该测量设备的使用成本较高，同时在设备使用过程中对环境和天气的要求较高，因此不利于常规的桥梁挠度测量。以上常用挠度测量法中，水准仪直接测量法主要运用了标尺或者水准仪器等测量设备，根据桥梁本身发生外力作用的前后状况，并经过对标尺中所显示的数值变化差的计算和处理从而得到该桥梁的静态挠度数据。由于该测量方法的设备以及测量形式的限制，所以仅适用于桥墩空间较宽阔的公路桥梁，因此在适用范围等方面也受到了较大的局限性（图4为桥梁挠度检测仪，非接触式桥梁挠度计）。

图4

2.2桥梁结构挠度测量的新方法

近几年，随着科技飞速发展，更多桥梁结构挠度的测量方式和测量仪器被开发出来，譬如：新兴的GPS全球定位测量法、专业挠度观测法、精密水准观测法和全站仪器观测法等。

2.2.1倾角仪测量法

该测量方法主要是运用数字积分器与电容式伺服倾角仪相互结合的作用，对桥梁结构的挠度曲线进行测量。该测量方式操作起来较为复杂，需要相关测量人员具备较高的专业测量水平和职业素养。另外，由于倾角仪之间存在一定的交流电相位差，以及受到零点漂移和瞬间反应时间的影响，导致无法控制测量数据的精确度，难以在现场测量中发挥效用（图5为数显倾角仪）。

图5

2.2.2激光标靶测量法

该方法主要是利用激光的方向性优势，能够随桥梁的变形进行光线的调整，从而有效将激光照射在固定的光电接收系统上（即光靶），使接收系统的光靶输出电压根据桥梁的变形程度变化发生等量变化，测量人员只需取得光靶的电压数值，就能掌握桥梁的挠度。

激光标靶测量法所测量出的数据可精准到0.1mm，且运行成本较低，检测效率较高。然而该测量方式需要安装标定，这一点对于现阶段测量条件来说较难实现，同时测量挠度的分辨率较低。

2.2.3摄影测量法

该测量方法充分利用了，现代计算机影像处理手段以及工业摄像机等测量设备，对准安装在梁部的靶标进行动态的实时影像采集，并通过连接计算机准确记录测量数据而后对该数据进行自动化分析、计算，最终取得桥梁挠度动态数据以及其数据变化曲线图表，和振动技术参数、冲击系数等。由于该测量法的测量设备体积较为庞大安装起来比较繁琐复杂，且购置成本偏高，因此不利于实施现场测量。

根据对现阶段桥梁结构挠度测量方法的分析可知，以上三种常用测量方式都存在一定的局限性和误差性，因此，要适应不断发展的轨道交通，保证铁路行驶安全，耽误之急是尽快研发出新型测量方式和测量设备。

这些新兴测量方法在传统测量方法的基础之上，不断改进和完善，并更多的运用到了现代信息技术，增强了挠度测量中的科技含量，保证了测量结果的准确性和可靠性，推进了我国桥梁结构测量技术的发展和进步。与此同时我们也应该正视，由于各种局限性因素，以上测量方式仍然存在一定的缺陷，对测量精确度和测量效率产生了一定的影响。