桥梁荷载试验中的测试新技术及应用

胡培芳 刘京津

为检验当前国内新建桥梁承载力是否符合预期设计要求，进而为桥梁竣工提供验收资料，或检验在役旧桥承载力是否满足实际载荷需求，能够为在役旧桥维修加固提供重要决策依据。针对上述桥梁需要开展荷载实验。当前桥梁荷载实验是唯一用于评定桥梁承载力的重要方法。本研究基于传统应变和变形测试前提下，提出新型应变以及变形测量方法，以期能够从一定程度上推动国内桥梁载荷实验技术的进步。

一、应变测试技术分析

传统应变测试法。第一，机械式应变测量。在国内机械式应变测量已经发展多年，其采用千分表或百分表测量变形前后测试标距距离的变化，进而获得构建测试标距平均应变。在工程测量时，机械式应变测量仪器包含千分表引伸机和手持应变仪，采用这种机械式应变测量，能够直观读数，并且需要较强的环境适应性，能够实现重复使用等，但在该方法使用时，需要耗费大量的人力、物力，并且精度差，因此针对应变测量数量较多的实验是不合适的。除室内实验外，该方法在实际工程结构中该方法应用较少。第二，电阻式应变测量法。19 世纪30 年代，由英国研究学者Chare Wheatstone 首次发现利用惠斯通电桥进行电子测量，其也为应变电测技术提供基础。研究学者验证处于应变作用下，金属丝的电阻变化及应变电阻效应，这也是电阻应变计的运行原理。

采用应变电测法其具有较高的灵敏度，并且应变片尺寸小，很容易粘贴牢固，易于实现自动化数字化测量，但使用该方法实验仍面临很多缺点，比如通常桥梁静载荷测试时需要在几米或几十米高空完成电阻应变片粘贴，在粘贴时工作人员的效率低，操作不便，要求工作人员具有较强的贴片技能，同时应变测量值很容易受外界温度因素的影响，长时间加载还会导致数据存在较大偏移，经过后续数据分析，处理难度大。一般来说，应变片是一次使用的，无法实现重复利用。第三，光纤应变测量法，在20 世纪70 年代由美国布朗大学研究学者提出了光纤传感技术，并将其应用于钢筋混凝土结构检测衷，提出了实际应用中的基本构想。之后，日本、英国、德国等国家纷纷在桥梁结构实验检测中引入了光纤传感技术，我国是于20 世纪90年代引入光纤传感技术的，光纤传感器传输波长信息且波长不会有光源功率波动以及连接和耦合损坏受到影响，因此相比传统的应变测量设备来说，这种光纤传感器具有较强的抗电磁干扰能力，能够实现远距离信息传输，具有良好的温度适应性，灵敏度高，信号失真小等特点，但传感器的成本高，因此在桥梁静载荷试验中应用较少。除此之外，近年来在一些大型桥梁中安装光纤传感器失效，对于这一方面还需要后续进行深入探究。第四，振弦式应变测量法。在20 世纪30 年代，研究学者提出了振弦式应变测量传感器。从其原理来看，在处于一定张力条件下，钢弦具有固定自振频率，当张力发生显著变化时会使自身频率也随着变化，在结构形成应变时，安装在其中的钢弦张力也会发生变化，进而使自振频率产生变化。通过检测钢弦振动频率比例的变化，进而能够计算测点应力变化值。这种振弦式应变测量传感器具有较强的抗干扰性能，能够实现远距离信号传输，并且信号失真较小，测量值不会受到温度因素和导线电阻变化的影响。整体来看，结构简单，制作安装流程简便，但由于工艺和材料等因素，导致振弦式传感器可能会产生钢弦松弛，导致测量误差的产生钢弦松弛体现于：第一，钢弦锚固端的松弛；第二，钢弦本身材料特性导致松弛。除此之外，振弦式传感器具有较大的轴向刚度，无法采用粘贴式的方式安装，因此在载荷实验中是不合适的，一般主要用于桥梁施工的监控。

从应变测试新兴技术来看，在进行桥梁静动载荷测试时，如何能够减少应变测试的不良因素，提升检测效率，获取较高可信度的数据，其是目前桥梁工程师急需解决的问题。长安大学通过多年技术研发出可装配式多用途应变测量传感器，在多座桥梁的静动载荷实验中成功应用，能够从一定程度上解决了桥梁静动载荷测试时面临的问题，尤其能够应对恶劣条件下的应变测试。圆杆一端能够与应变传感器进行连接，另一端则能够与支座连接，传感器可与支座进行连接，在使用过程中需要将传感器粘贴在构件的被测位置。当构件产生变形时，支座和传感器会出现相对位移，进一步推测构件被测位置的应变值为测量相对位移，需要在传感器中设计双悬臂梁结构梁，表面粘贴较高精度的应变片，构成全桥电路，进一步通过封装设计。从该传感器的特点和应用来看，利用该传感器标距可结合实际需求进行选取，比如用于施工桥拱圈应变的测量，可构成应变花，测量结构平面应变，跨裂缝粘贴进行裂缝变化的监测，这种可装配式结构设计的方式能够确保传感器具有良好的性能和长期稳定性。

二、挠度测试技术

从传统挠度测量方法来看，第一，机械式挠度测量法。机械式挠度测量法是国内外早期采用的挠度测量方法，比如采用百分表进行测量，在桥梁挠度测量过程中需要在主梁结构下缘待测位置安装百分表，一旦主梁出现竖向变形挠度变化，将会反映在百分表的数值中，该方法设备简单，而且能够获取稳定可靠的测量结果，实现多点测量，直接获得各个测量位置的挠度值。然而在桥梁挠度测量过程中，采用百分表测量法需要在各个测量面搭设临时支架，之后在支架安装百分表，其安装流程复杂，并且需要花费大量的时间，在现场使用时还存在很多局限性，并且这种机械式百分表值只能够通过人工读数，使用不便，很容易受公路、行车、铁路界限因素影响。对于跨越山谷、河流的桥梁来说无法采用该方法进行挠度测量。第二，电阻式挠度测量。该方法是将变形测量与电阻测量进行融合，进一步将变形转为弯曲应变的测试，利用应变测试技术以实现挠度测量。电阻式挠度仪与机械式百分表进行融合，可用于结构变形的测试，实现目视读数，同时也可配合应变仪实现多点挠度快速测量。第三，激光式挠度测量，该方法利用激光较好的方向性以实现结构变形的测量，在具体桥梁变形的测试过程中，需要在桥梁上安装激光器，随着桥梁变形，桥梁中的激光器可通过激光斑位置获得桥梁挠度，在桥梁被测位置上安装激光器，能够从激光器发出准直激光束，将其照射在远端的半透射接受屏中，以形成圆形光斑，在任意时刻能够从CCD 摄像机输出模拟信号，经过图像采集卡进行数据采集，可获得光斑在接收屏中的中心位置，被测结构很容易受外界因素的影响，沿竖向位置产生相对位移。由于激光器固定于被测结构中，其测量结果会使照射在接收屏的激光光斑发生相同位移，通过数据采集前后两次的图片，计算两次光斑在接收屏中心位置发生的变化，进一步获得桥梁被测点挠度变化值。利用该方法能够实现非接触式和远距离测量，同时还能为有效避免临时支架的搭设等工作，但激光挠度仪测量距离受限，精度差，尤其对于桥梁结构变形变小时很难确保精度。

挠度测量的新技术，即单目视觉测量。单目视觉测量系统是利用中心透射投影原理，被测物体方面产生光线，可经过一个针孔将其透视到成像平面中，物像点的大地实际坐标和对应相机成像坐标，可以在几何光路构成一定联系，实际坐标可通过旋转平移获得在相机坐标中的平面坐标。从挠度测量系统的方案来看，该系统是由长焦镜头、软件、标靶和CCD 共同构成，在桥梁上安装标靶形成竖向位移后，长焦镜头和CCD 能够采集标靶的数字化图像，由计算机进行图像同步处理，计算其图像中标靶坐标位移，由已知中心点距离坐标通过计算采集图像标识点距离，进一步获得像素距离和实际距离的参数，将测量获得的标识点像素位移转为实际距离，通过换算获得标靶实际位移，可得到桥梁挠度变化值。经过数据后续处理能够观测待测点静态动态位移的实时数据和曲线。

从该技术的应用来看，首先，基于图像远距离挠度测量系统具有较高的测量精度，比如对于10m 测距离测试精度能够达到0.01mm。其次可实现无靶标测量和远距离测试，一般测试距离可达到300m 以上，具有较广的适用范围，对于不同施工规模的桥梁来说均可采用该方法进行测量。最后，整体测试方法简单便捷，易于获取数据，能够实现30～100 赫兹高频测试，以减少工业CCD 本身抖动和环境波动产生误差值，在桥梁纵向横向牢度测试中均可采用这种测试系统。

三、结语

总而言之，在本研究中主要针对桥梁载荷测试中应变和变形测试方法进行总结，针对当前桥梁载荷实验应变测试存在的问题，提出多用途应变测量传感器，其具有良好的稳定性和高精度，受风险因素较小，可实现重复应用。同时提出基于图像法远距离挠度测试系统，该系统可实现非接触，远距离，高精度测试以及桥梁远距离新动态挠度测量，显著提升桥梁的挠度测试效率。