应力监测在桥梁上的应用与发展

王惠文 梁金栋 孙玥

摘 要： 随着经济社会与钢筋混凝土技术的发展，现代建筑材料与建造方法都取得了巨变，另一方面，人们也更加关注使用过程中建筑物的安全性与耐久性，为此建立了一系列完备的应力监测系统。基于此，本篇文章分析了现有的桥梁应力监测技术与原理，并展望发展方向。

关键词： 应力监测；桥梁；桥梁监测

1 应力监测技术

1.1 应力监测技术的原理

根据材料力学胡克定律，有

（1）

式中σ为混凝土应力；E为混凝土的弹性模量；ε为混凝土应变。

由于材料的形变量较为微小，难以直接测量，因此，根据其在外力下电阻值随着机械变形而改变的特点，可由公式

（2）

测得材料的应变量，应变系数GF已在应变片中标注。

由于材料受力时形变量较小，导致应变片阻值R变化较小，所以通过惠斯通电桥对电阻变化量放大后进行测量，公式

（3）

输出信号v而判断应力是否在容许范围内。

1.2 应力测量常用仪器

应力监测技术研究时期较早，随着科技的逐渐进步发展迅速。在测量钢筋混凝土构造时，导致混凝土产生应变的原因很复杂，主梁应变除荷载作用引发弹性应变外，也有一系列塑性变形，同时还包含收缩、徐变、温度等因素导致的应变，因而精准测量荷载导致的应变较为困难。

当今已有多种测量应力的仪器，例如电阻应变片、振弦式应变仪、光纤光栅应变仪、超声导波监测仪，并有钢绞线、磁通量传感器等配合传输测量值。

电阻应变片通过应变胶黏剂，将应变片粘合在被测体表面，使得应变片随材料的变形而变化，弹性体在外荷载作用下的应变传达到应变片的栅丝上，将微细的应变量转换成电阻变化值，从而得出应变大小。[1]

在此基础上，振弦式应变计将变形传给振弦，从而得出此时的振弦应力，改变内部振动频率，发出信号；光纤光栅传感器经由检测光栅波长分布中波峰的位置来量化应力；超声导波是运用低频扭曲波或纵波对管道进行长距离的观测。

通过将应力监测技术与光学、声波等先进技术相结合，以理论力学原理为基础，现以开发制作出了多种应力监测仪器，可适用于不同场合。

2 应力监测技术在桥梁上的运用

2.1 桥梁监测的形成

自千年前最基础的木制结构起，桥梁就作为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时代革新的当代，桥梁也从初期的木制石制，逐渐转变为了钢筋混凝土或是钢结构。

长期使用的桥梁，可能具有多种问题：混凝土内部可能生出裂缝，有效截面尺寸减小；长时间受力使得混凝土内部凝胶体粘性流动和滑移，即徐变发生；集中受力的桥墩处产生沉降等。除此之外，曾经发生过的交通事故、恶劣天气等，都可能对桥梁产生一系列的破坏。

我国当今使用的各种桥梁中，早期施工由于技术限制、材料等原因，都或多或少存在一些隐患：大跨径梁式桥易出现跨中下挠和梁体中段出现大量裂缝的征象[2]；钢箱梁悬索桥易由于施工不合理而产生应力集中与拉应力征象，在焊接处出现疲劳裂纹。主缆则可能出现漆膜损坏、钢丝腐蚀、渗水漏水等现象[3]；除此之外，对于斜拉桥，也会有保护层开裂，渗水，致使高强钢丝生锈，并有下锚头锈蚀，主梁出现裂缝等现象。

因为，由于桥梁在日常交通生活运用的普遍性与其事故后的严重性，监测桥梁受力情况以预防病害就显得尤为重要。桥梁监测是依据桥梁所处的环境为背景，检测桥梁部分的损伤，一般通过温度、振动和沉降等监测参数对桥梁进行温度场监测、应力监测和线型监测，同时必须考虑桥梁所在地域的交通流量和地震情况，制定不同的安全等级。

传统的桥梁监测是在地面测量技术的基础上，使用温度计、PH值传感器来测量建筑附近的温度与酸碱度，并检查当地记载的地震情况，最后用交通流量来计算出桥梁的交通载荷量。在此之后，经过较长时间的改进，桥梁监测技术转变为运用仪器来检测出某定点的变形值，如应用全站仪、GPS等现代测绘仪器来测量桥梁的位移、挠度变化，从而在一个更为广阔的方面了解桥梁的变形情况，并合用于各种监测环境。[4]

2.2 桥梁应力监测的发展方向

当今常用的桥梁监测方法，尽管在可以在大多数方面满足桥梁应力测量与安全的要求，但仍存在一些不足。利用经纬仪与水准仪进行的监测技术需要大量的现场测量工作，同时仪器对环境也有一定的要求，易受温度等因素影响。另一方面，广泛使用的电阻式应变计也存在环境不利因素影响较大，且电子传感技术存在的零点漂移问题难以克服，使得数据较不稳定。

因此，已有多种改良的新型应变传感器可以运用于桥梁监测的发展。

2.2.1 光纤Bragg光栅传感器

作为传感器而使用的光纤光栅最早运用在航空、航天等军事领域，光纤光栅可以同时对温度与应变等物理量直接测量，具备抗干扰性强、灵敏度高、便于复用、质量较轻等优点，同时耐高温、耐腐蚀。Rutger大学的Prohaska等专家在1992年通过实验，将光纤光栅埋到土木结构中测量应变，这是此传感器的第一次实际运用。1993年，科学家们将其实地运用于加拿大艾伯塔省的一座公路桥上，从而证实了这种传感器的实用性。[5]

在光纤上用紫外光刻写光栅，应变的变化与所导致的栅距变化呈线性，光栅反射波长与栅距改变量也成线性关系。另一方面，光纤光栅传感器采用的光谱调制技术，极适用于长期监测：传感器对于光强的波动不敏感，因此，无论光源变化或是光纤处的光损失都不会影响测量值，正是由于其与信号强度无关的测量特性，使的这种方法不会受到测试中断的影响，利用推广使用[6]

2.2.2 磁弹应力传感器

磁弹应力传感器的原理是钢构件的磁弹效应，磁弹效应是指置于磁场中的钢构件在机械力作用下其内部发生弹性能量变化，致使磁化强度重新取向，磁导率变化的现象。多种实验表明，磁弹应力传感器具有不需要了解钢丝受力历史、稳定性好、重复性好的特点，因此适用于钢结构的应力监测。[7]

3 结语

应力监测技术至今已发展了过百年，随着建筑材料以及建筑模式的不断发展，传统的应力监测装置已无法满足人们的需求，同时，科技的不断发展使得应力监测技术不断发展，不论是运用于桥梁上，亦或是房屋结构、交通轨道等，都有着相当的发展前景。

参考文献

[1]尹福炎.电阻应变片与应变传递原理研究[J].衡器，2010，39（02）：1-8.

[2]楼庄鸿.大跨径梁式桥的主要病害[J].公路交通科技，2006（04）：84-87.

[3]钟华栋.浅谈大跨度钢箱梁悬索桥典型病害及研究[J].四川建材，2017，43（07）：138-139.

[4]吴晖.桥梁监测技术研究及发展方向[J].中国科技纵横，2017，（11）：106.

[5]梁磊，姜德生，周雪芳， 等.光纤Bragg光栅传感器在桥梁工程中的应用[J].光学与光电技术，2003，（2）：36-39.

[6]张巍，吕志涛.光纤布喇格光栅传感器用于桥梁监测[J].世界桥梁，2002，（4）：36-40.

[7]尹文霞，周仙通，段元鋒， 等.基于磁弹效应的高强钢丝应力监测实验研究[J].结构工程师，2013，（5）：113-118.