探百变之神器——浅谈桥梁应变测试新技术及工

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应变是指结构在外力作用下的相对变形，是掌握结构力学性能及判断结构承载力的重要指标，在土木工程、机械制造、航空航天等多种学科的力学性能测试中广泛应用。在桥梁工程领域，为了掌握新建桥梁或者运营桥梁的实际承载力，判断其是否达到设计荷载或目标荷载要求，通常需要采用荷载试验的方法，对桥梁的承载力进行鉴定。此时，应变测试就是一项主要测试内容。桥梁荷载试验中的应变测试一般是通过在桥梁控制截面安装应变传感器(多采用电阻应变片)，然后通过对比加载前后的应变变化，获得结构承受活荷载的能力。再通过试验荷载与设计(目标)荷载的对比，反映桥梁承载力的状况。由于电阻应变片一般需要直接粘贴在构件被检测部位，常需高空操作,操作不便且效率低下。野外测试中，随着桥梁跨径的增大，试验加载车辆数量的增多，导致加载历程时间较长，应变片受环境影响很大，经常出现数值漂移过大的问题。由于应变测量数值不稳定，经常导致结果不可用。

因此，如何减小应变测试中的各种干扰因素，提高检测效率和测量数据的可信度，降低检测成本，是长期以来技术人员一直努力探索的问题。本文在传统应变测试方法的基础上，提出了一种基于双悬臂梁工作特性的可装配式应变测量传感器，大幅提高了现场检测的工作效率和应变测量数据的可靠性。

常用应变测试技术的分析与比较

常用应变测试技术主要包括机械式、电阻式、振旋式、光纤式四种应变测量方法。

机械式应变测量装置一般将千分表与百分表等与顶杆等连接构造组合在一起，为一种组合式应变测量装置。该方法虽然读数直观、构造简便，但其读数耗时耗力，且精度较低，一般仅用在实验室测试中。常用机械式应变测量装置测试原理及应用示意如图1所示。

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图1 机械式应变测量装置示意图

振弦式应变测量方法是基于张紧弦振动频率与张力之间的关系而进行的结构应变测试方法。该测量方法具有结构简单、安装方便、抗干扰能力强、信号失真小等优点。基于该原理研发的应变计、锚索计等，广泛应用在桥梁施工监控与健康监测的应变、力值测试。根据其测量方法可知，张紧的钢弦需要可靠固定在外部结构（钢壳）上，当钢壳产生应变，才能带动并引起钢弦振动频率变化。因此，必须保证钢壳与被测结构的可靠锚固。对于大多混凝土和钢结构桥梁，荷载试验均采用粘贴工艺，而振弦式传感器钢壳轴向刚度极大，当采用粘贴工艺时，不能保证传感器与被测结构的协同变形，导致数据偏小失真。因此，除非采用焊接或锚栓等可靠锚固措施，否则该类传感器则不建议应用在桥梁荷载试验中。

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图2 振弦式应变测量传感器示意图

光纤式应变测量方法具有抗电磁干扰能力强、传输距离远、温度适应性好、灵敏度高、信号失真小等诸多优点，理论上其稳定性要显著高于前两种方法。但由于其价格较高，光纤传感器的使用、安装及传输较为复杂，一般仅用于桥梁长期监测中，并不适合与桥梁荷载试验这种相对应变的快速测试中。光纤传感器示意见图3。

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图3 光纤传感器示意图

电阻式应变测量方法因其灵敏度高、易于实现数字化及自动化、测试费用低等优点得到了广泛使用。桥梁荷载试验中经常采用电阻应变片进行单向应变和平面应变测试。由于实验中测点众多，通常采用半桥连接方法，即采用温度的公共补偿方式。因野外试验环境恶劣，受温度、湿度以及其他自然因素和人为因素影响大；随着桥梁跨径增大，需要的试验加载车辆也增多，车辆加载、卸载历程随之也较长，会使应变数据出现较大的漂移，掩盖了应变真值，导致测试结果无法使用。因此，如何提高电阻式应变测试方法的稳定性和抗干扰能力，是该方法改进和进一步推广应用的前提。电阻应变片构造如图4所示。

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图4 电阻应变片示意图

文章来源：《中国表面工程》 网址: http://www.zgbmgc.cn/zonghexinwen/2021/1010/711.html