王建剛

(長沙理工大學(xué)，湖南長沙 410076)

0 引言

在實(shí)際的橋梁工程中，為了了解鋼筋混凝土橋梁的承載能力和使用性能，為以后的養(yǎng)護(hù)、加固和運(yùn)行后的安全使用提供可靠有效的資料，必須對橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。而在荷載試驗(yàn)過程中，結(jié)構(gòu)在受力時，其內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)力，而內(nèi)部應(yīng)力在正常的情況下無法直接測到，目前通用的做法就是根據(jù)材料力學(xué)中應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系式，通過應(yīng)變測試系統(tǒng)來測出結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，間接的計(jì)算出結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力。因此，結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量是鋼筋混凝土橋梁荷載試驗(yàn)中研究構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)必不可少的一個指標(biāo)。

實(shí)際應(yīng)變測試中，測試方法和測試儀器也是多種多樣的，比如常見的機(jī)械式測量儀器、電測儀器等。在檢測中，通常采用的試驗(yàn)方法是通過應(yīng)變片作為傳感器來完成試驗(yàn)，該試驗(yàn)方法的原理就是被測結(jié)構(gòu)物的變形通過應(yīng)變片電阻值的變化反映出來。而且結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變測試往往采用的是惠斯通電橋電路，并需通過調(diào)理電路提供激勵電壓、組橋及對信號進(jìn)行濾波和放大。在這里，介紹一種叫DH3818-2靜態(tài)應(yīng)變測試儀，該儀器主要就是以電阻應(yīng)變片作為測量傳感器，并與屏蔽線作為導(dǎo)線連接來共同完成試驗(yàn)。

1 應(yīng)變測試分析系統(tǒng)

DH3818-2靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)是一種最常用的測量結(jié)構(gòu)應(yīng)變的方法，該應(yīng)變測量方法的核心元件是應(yīng)變片，主要是通過導(dǎo)線把應(yīng)變片和靜態(tài)應(yīng)變測試儀連接在一起，作為一個測試系統(tǒng)來進(jìn)行靜載試驗(yàn)，完成應(yīng)變的測量。

1.1 系統(tǒng)組成及功能

本文介紹的DH3818-2靜態(tài)應(yīng)變測試儀器共有20個通道，可以同時測量20個測點(diǎn)。測量前，需要根據(jù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)、屏蔽線電阻、橋路連接方式等，計(jì)算出修正系數(shù)，并輸入其值，同時需對每一個通道進(jìn)行平衡操作。儀器圖片見圖1。

1.2 應(yīng)用范圍及修正系數(shù)的確定

本文中介紹的應(yīng)變測試儀的橋路連接方式有6種，每種連接方式的使用用途以及在測試前需要輸入的參數(shù)也是各不相同的，每種方式的用途也是不同的。

圖1 DH3818-2應(yīng)變測試系統(tǒng)（20測點(diǎn)）

1.2.1 測量范圍

1)根據(jù)測量方案，完成全橋、半橋、1/4橋(公共補(bǔ)償)狀態(tài)下的靜態(tài)應(yīng)變的多點(diǎn)檢測。

2)和各種橋式傳感器配合，實(shí)現(xiàn)壓力、荷重等物理量的檢測。

3)可以對小電壓信號進(jìn)行檢測，分辨率高達(dá)1 uv。

1.2.2 修正系數(shù)的確定

在橋梁應(yīng)變測試前，由于應(yīng)變片和導(dǎo)線的不同，需要對應(yīng)變片和導(dǎo)線的靈敏系數(shù)進(jìn)行修正，進(jìn)而確定修正系數(shù)，實(shí)際修正系數(shù)=A×B×C。

其中，A為通過應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K確定的，即A=2/K，K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù);B是由路橋連接方式確定的，方式一、二為1，方式三為1/(1+u)，方式四為1/2，方式五為1/2(1+u)，方式六為1/4;C為導(dǎo)線電阻的影響，C=1+nRL/R，RL為單根導(dǎo)線的電阻，R為應(yīng)變片的電阻。

若導(dǎo)線和應(yīng)變片的電阻差值較大，需要對其進(jìn)行修正，反之，不需要。

1.3 工作原理

本文主要是以1/4橋(公共補(bǔ)償)連接方式來簡述其測量原理，圖2為該橋路連接的測量原理圖。

圖2 測量原理

其中，AC為電源端，A端接電源正極，C端接電源負(fù)極，B，D兩端分別為信號輸出端，Rg為工作片電阻，AD間的R為補(bǔ)償片電阻，BC，CD間的R為測試系統(tǒng)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)電阻，Kf為低漂移儀表放大器增益。

根據(jù)電橋原理，輸出電壓Vi與橋壓Eg、應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K、輸入應(yīng)變ε有關(guān)，表達(dá)式為Vi=0.25Eg×K×ε。

由低漂移儀表放大器輸出電壓的表達(dá)式，即V0=Kf×Vi=0.25 Eg×K×ε×Kf推出應(yīng)變量ε的表達(dá)式，故ε=4V0/(Eg×K×Kf)。

2 測試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該測試系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性，分別采用DH3816和DH3818-2測試系統(tǒng)對某橋的成橋應(yīng)變進(jìn)行了測試試驗(yàn)。由應(yīng)變試驗(yàn)的具體要求可知，在進(jìn)行試驗(yàn)時，可以采用不同方式的橋路連接方式。本次試驗(yàn)采用的1/4橋(公共補(bǔ)償)，分別測得某成橋在某一荷載作用下相應(yīng)梁的實(shí)際應(yīng)變值ε1，ε2及其理論計(jì)算值如表1所示。

表1 應(yīng)變測試數(shù)據(jù)

由表1可知，分析比較測試應(yīng)變值ε1和ε2的測量結(jié)果，DH3818-2應(yīng)變測試系統(tǒng)的精度還是挺高的，而且與理論計(jì)算值幾乎相吻合，能夠應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)工程結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的測試當(dāng)中，但還是存在一定范圍內(nèi)的誤差。引起測試結(jié)果存在誤差的主要原因可能主要有以下兩點(diǎn):

1)該測試系統(tǒng)的組成元件精度不夠，引起測量誤差。

2)在測量前，未對導(dǎo)線的靈敏系數(shù)進(jìn)行修正，導(dǎo)致測量誤差。

在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)變測試中，該應(yīng)變測試系統(tǒng)還受溫度、空氣濕度、電磁、電壓等的影響。

3 常見的主要問題

1)儀器在測試前，不能平衡，主要原因是連接工作片的導(dǎo)線長度和連接補(bǔ)償片的導(dǎo)線長度不等，而且差值較大，致使他們的電阻阻值超值、工作片的電阻和補(bǔ)償片的電阻阻值超出該系統(tǒng)所要求的范圍、沒有設(shè)置修正系數(shù)或者修正系數(shù)設(shè)置為0。

以上原因造成的儀器不能平衡，需要使用萬能表分別檢查導(dǎo)線的電阻來確定是否超值。

2)在測試過程中，應(yīng)變數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定，引起此現(xiàn)象的主要原因是電壓不符合儀器所要求的電壓、導(dǎo)線和應(yīng)變片接觸不良、應(yīng)變片不能很好的與結(jié)構(gòu)物表面接觸、電磁場的影響。

3)測量結(jié)果隨著時間在不斷的變化，而且變化無規(guī)律，時大時小，不能準(zhǔn)確的確定該點(diǎn)的應(yīng)變值，這主要是由于現(xiàn)場溫度在不斷的變化，且溫差大造成的。

4 建議

1)能否考慮裝一個屏蔽測試現(xiàn)場周圍的電磁場的影響，保證測試系統(tǒng)的正常使用，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2)配置一個電源充電裝置，保證在外接電源斷電的情況下，測試系統(tǒng)還能利用自帶的充電裝置正常進(jìn)行，完成應(yīng)變的測量。

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［3］韋 俊.46.5米大跨度門式多弧形剛架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場靜載試驗(yàn)研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)碩士論文，2008.

［4］吳 楊.扣件式鋼管模板支架承載力理論分析與試驗(yàn)研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)碩士論文，2010.