既有钢筋混凝土梁桥试验检测技术及结果分析

张道英

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210000）

现阶段常用的桥梁荷载测量方式有电阻应变片测量、振弦式应变传感器测量、工具式应变计测量等几种。每一种检测技术在操作内容、适用条件等方面存在明显差异。其中，工具式应变计是以高精度的应变传感器作为测量元件，使用高弹性材料作为外壳，在实际测量时能够很方便的粘贴在构件上，从而简化了检测难度、提高了测试效率，增强了环境适应性。在应用这一技术时，测点的选址、加载的方式等，都是需要注意的技术要点，也是保证检测结果精度达标和提高参考价值的关键。

1 桥梁试验检测中的工具式应变计

1.1 结构组成和工作原理

工具式应变计的结构组成比较简单，大体可分为两部分，即内部的敏感元件和外部的弹性材料。其中，敏感元件是一块低蠕变、高精度的电阻应变片，当施加外部荷载后待测构件发生轻微变形，粘贴在构件表面的工具式应变计也会随之变形，电阻应变片的特性之一是变形幅度越大，则电阻越大，而电阻的变化会引起电流或电压的改变。在检测仪器上通过分析电流或电压的变化值，即可计算出应变量的大小，即变形幅度。电阻应变片的电阻效应关系式为：

式（1）中，R 为工具式应变计的电阻值，ρ 为电阻率，L 为应变片的长度，F 为应变片的横截面积。KD401 系列电阻应变计的工作原理如图1 所示。

图1 KD401 传感器电阻应变计的工作原理

在图1 中，R1-4 分别是电阻应变计电桥上的桥臂电阻，单位为Ω；U 为向整个电桥供电的总电压，单位为V；△U 为电桥的输出电压，单位为mV。其中，△U 和U 的关系可表述为：

式（2）中，K 为灵敏系数，ε 1-4 为4 个桥臂的应变。在全桥电桥接法中，ε 1-4 的绝对值相等，故上式可以转化为:

这样一来，该电阻应变计就能够在电阻和应变之间建立起对应关系，然后利用计算机接收电阻应变计的传输信号，直观地显示待测点的应变值，从而为技术人员掌握桥梁的荷载情况提供了必要的数据支持。

1.2 技术指标和安装方法

KD40 系列应变传感器是现阶段工程结构测量中应用范围较广、检测精度较高的一种仪器，具体又可分为KD401、KD401A、KD402 等若干型号。以KD401 和KD402 为例，其技术指标如表1 所示。

表1 KD401 和KD405 工具式应变计的技术指标

选择对应的仪器之后，开展检测前应先将待测的钢筋混凝土构件表面打磨平整，去掉浮灰、凸起的颗粒，然后在构件表面涂抹适量的AB 胶，将工具式应变计的外壳贴合在构件表面，并用力按压，使两者紧密贴合。撤去定位尺，并检查固定良好后，再将应变传感器放入，盖上后盖并拧紧螺丝。

2 基于工具式应变计的钢混梁桥试验

2.1 试验设计

某市政桥梁的主体结构采用预应力混凝土连续箱梁，全长142m，共5 跨，高度分别为25m、30m、40m、30m、25m。箱梁为单箱单室型式，梁高1.8m，桥面宽9.2m，其中8m 为行车道，两侧各有0.6m 的防撞护栏。该桥梁于2016 年建成并投入使用，近年来车流量持续增加，为保证桥梁结构安全，需要开展荷载试验。

2.2 测点布置

合理布置检测点是保证荷载试验结果精确的关键环节。本次试验中共布置了3 种类型的测点，分别是钢筋片测点、混凝土片测点以及应变传感器测点，布置形式如图2 所示。

图2 桥梁跨中测点布置图

每个测点上，分别放置相同数量的电阻应变片和工具式应变计，在后续的试验数据统计和试验结果分析中，进行两组数据的对比。

2.3 加载方式

选择若干辆3 轴350kN 级加载车，前后轴间距分别为3.2m和1.4m，左右轴间距为1.8m。进行车辆横向正载试验时，以桥面中轴线为参照，在距离中轴线80cm 处做标记，左右对称布置1辆加载车；进行车辆横向偏载试验时，以桥面左侧边线为基准，向内量出80cm 做标记，使第一辆加载车的左轮与标记线对齐。两辆加载车的中间距离为150cm。

基于安全方面考虑，同时也是为了了解不同荷载下应力变形情况，本次试验中采用分级加载模式。首先进行预加载，选择两台加载车在待测桥面上行驶，目的是消除结构的非弹性变形。预加载结束后，现场人员观察工具式应变计，完成初读数，做好记录。再进行正式加载，根据预先设计好的加载步骤，按照从小到大的顺序逐步加载。在第一级加载的车辆到达指定位置，并熄火后，静置一段时间，观察到荷载读数稳定后，记录下该数值，然后将车辆移走，进行下一级荷载的加载。卸载之后，还要继续等待约10 分钟，再进行一次读书，作为残余应变值。

3 钢混梁桥试验结果及分析

3.1 试验结果

桥梁跨中的荷载试验结果如表2 所示。

表2 桥梁跨中荷载测量结果（应变单位：μ ε ）

3.2 试验分析

结合表2 可以发现，桥梁跨中处共设置有5 个测点，分别选择了2 车、4 车进行加载。在测试结果上，使用电阻应变片的测量结果，与工具式应变计的测量结果，差异较小。在1#测点上，2车加载情况下电阻应变片记录的应变值分别为28μ ε 和30μ ε ，而工具式应变计记录的数值为29μ ε 和29μ ε 。在5#测点上，2 车加载情况下，两种测量方法的应变结果均为35μ ε 。由此可见，在钢混桥梁的荷载检测中，无论是选择电阻应变片还是工具式应变计，都能够较为准地获取加载情况下桥梁构件的变形值。但是从实验操作上来看，电阻应变片的张贴难度较大，并且由于敏感元件暴露在空气中，很容易受到电磁干扰，对测点布置位置、仪器抗干扰性能均有着严格要求。相比之下，工具式应变计本身使用高弹性材料作为外壳，既可以起到保护敏感元件、方便粘贴的作用，同时也能够保护敏感元件不受外界的电磁干扰，因此综合应用效果更好。

4 结论

既有钢筋混凝土梁桥在投入使用一定年限后，由于钢混材料的老化以及行车数量的增加，使得桥梁出现结构性裂缝、变形的几率明显增加。为了保障桥梁结构安全，必须要对既有桥梁定期开展荷载检测。在现阶段常用的若干种检测方法中，基于工具式应变计的荷载检测，具有操作简便、精度较高、适用性强等一系列特点，因此得到了推广使用。在应用这一仪器进行荷载试验时，技术人员要重点做好选择检测点、熟练掌握加载方法等工作，然后针对试验结果展开分析，从而明确当前桥梁的荷载情况，为下一步桥梁的维护提供必要的依据。