林彥哲　魏初材　佘長(zhǎng)輝

（福建省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司）

橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測(cè)應(yīng)變和撓度測(cè)量新方法的研究

林彥哲魏初材佘長(zhǎng)輝

（福建省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司）

橋梁結(jié)構(gòu)的撓度和應(yīng)變是實(shí)施橋梁實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的關(guān)鍵物理量，在橋梁結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)檢測(cè)中有極為重要的地位。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測(cè)應(yīng)變和撓度測(cè)量方法，進(jìn)行了深入的分析和闡述，并對(duì)各種測(cè)量方法進(jìn)行了研究和評(píng)定。

橋梁結(jié)構(gòu)；試驗(yàn)檢測(cè)；應(yīng)變；撓度；測(cè)量方法

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測(cè)的方法也在不斷更新和發(fā)展，以滿(mǎn)足國(guó)家建設(shè)的需要。作為橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測(cè)中的重要物理量，應(yīng)變和撓度測(cè)量的準(zhǔn)確性，關(guān)乎橋梁的使用安全和質(zhì)量。因此，對(duì)于應(yīng)變和撓度測(cè)量方式的研究，有著重要意義。

1　橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量方法

我國(guó)常用于橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量的方法主要有以下幾種：

1.1光測(cè)法

該橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量方法主要包含了激光衍射測(cè)量法、云紋測(cè)量法、光彈測(cè)量法。測(cè)量原理則是通過(guò)大量運(yùn)用構(gòu)件以及節(jié)點(diǎn)的某些區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)行分析，應(yīng)用較為普遍的是光纖橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)。

1.1.1光纖應(yīng)變傳感技術(shù)的運(yùn)行原理

光纖應(yīng)變傳感技術(shù)的運(yùn)行，是充分利用光纖對(duì)于某些物理量的敏感性?xún)?yōu)勢(shì)，統(tǒng)一將外界的物理量變化有效轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)變化的過(guò)程。光纖的性能較為穩(wěn)定且實(shí)用功能較為廣泛，能夠通過(guò)光波傳輸時(shí)所產(chǎn)生的表征參量（包括波長(zhǎng)、振幅、偏振態(tài)、相位等），通過(guò)外在各因素（包括轉(zhuǎn)動(dòng)、溫度、應(yīng)變、壓力、位移等動(dòng)態(tài)因素）的影響而發(fā)生直接或者間接的變化，從而使光纖作為傳感媒介發(fā)揮其測(cè)量物理量的作用效能，這之間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程就是光纖應(yīng)變傳感器技術(shù)的運(yùn)行原理。

1.1.2光纖應(yīng)變傳感器特征

光纖應(yīng)變傳感器的主要特征是，通過(guò)總結(jié)測(cè)試對(duì)象的結(jié)構(gòu)特征，并充分將其特征要素制作成溫度傳感器和應(yīng)變傳感器，有效實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的絕對(duì)式測(cè)量，完成光纖應(yīng)變傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量和靜態(tài)測(cè)量，保證該信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程和測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度不受電磁波的干預(yù)。同時(shí)，光纖應(yīng)變傳感器與光纖信息通訊技術(shù)有機(jī)融合在一起，能夠有效對(duì)測(cè)量對(duì)象實(shí)施遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。一方面，可以通過(guò)焊接在鋼結(jié)構(gòu)表層或者黏貼在測(cè)量物表面，進(jìn)行長(zhǎng)久的橋梁鋼結(jié)構(gòu)健康狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；另一方面，還可以通過(guò)黏貼在橋梁混凝土結(jié)構(gòu)表層，或者嵌于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對(duì)橋梁的混凝土實(shí)施長(zhǎng)久的健康狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為光纖成網(wǎng)覆蓋和復(fù)用提供了有利條件，同時(shí)也促進(jìn)了現(xiàn)代光纖通信技術(shù)向光纖傳感網(wǎng)絡(luò)和遙測(cè)網(wǎng)的發(fā)展。然而，應(yīng)該注意的是，由于受到光纖材料對(duì)外界因素抗力較低的影響，光纖應(yīng)變傳感器在抵御外在干擾因素方面的能力較弱，因此在投入使用過(guò)程中需要做好充分的防護(hù)程序。

1.2電阻應(yīng)變測(cè)量法

1.2.1電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x的工作原理

該設(shè)備的工作原理主要是，經(jīng)由黏貼于試件的量測(cè)點(diǎn)之上的感應(yīng)系統(tǒng)既電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x，使試件測(cè)量點(diǎn)表層的應(yīng)變有效轉(zhuǎn)換為電阻應(yīng)變，之后再運(yùn)用電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x將電阻應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電流變化或者電壓變化，通過(guò)擴(kuò)大變化數(shù)值，并進(jìn)行測(cè)量變化再轉(zhuǎn)用別種測(cè)量?jī)x器進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的方式，將電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x器所獲取的應(yīng)變數(shù)值換算稱(chēng)為應(yīng)力（圖1為電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x）。

圖1

由于該測(cè)量?jī)x器的靈活性以及測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度較高，并且儀器本身體積較小，操作流程簡(jiǎn)單方便，同時(shí)適用于動(dòng)、靜兩種測(cè)量狀態(tài)，為遠(yuǎn)距離測(cè)量和多點(diǎn)測(cè)量提供了有利條件。然而，從另一方面分析，該測(cè)量法局限于試件表層的應(yīng)變，在試件內(nèi)部機(jī)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量方面有所欠缺。又由于其傳播信號(hào)強(qiáng)度較弱，因此在遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)測(cè)量中，必須采取徹底的抗干擾措施才能保證該測(cè)量的順利進(jìn)行（圖2為電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x的工作流程）。

圖2

1.2.2差動(dòng)式傳感器

差動(dòng)式傳感器主要應(yīng)用于，橋梁混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者表層的應(yīng)變系數(shù)測(cè)量，同時(shí)還兼顧了測(cè)量點(diǎn)的溫度測(cè)量。該測(cè)量是建立在鋼絲變形致使電阻形成一定的變化，以及鋼絲電阻根據(jù)自身溫度波動(dòng)而產(chǎn)生應(yīng)變的基礎(chǔ)理論之上的。

差動(dòng)式傳感器的主要應(yīng)用原理是，在儀器內(nèi)部選用兩根鋼絲并使用特殊的方式將其固定，通過(guò)對(duì)鋼絲的預(yù)拉，將鋼絲張緊于支桿之上。一旦出現(xiàn)其中一根鋼絲受到壓力后，該裝置的電阻將會(huì)減小。通過(guò)對(duì)儀器內(nèi)部的鋼絲電阻比值進(jìn)行測(cè)量，便能夠有效獲取差動(dòng)式傳感器的應(yīng)變量。

差動(dòng)式傳感器屬于封閉式結(jié)構(gòu)，若將相關(guān)傳感系統(tǒng)R1、R2密封于圓柱形金屬裝置內(nèi)，做好充足的防潮防腐工作，便可將差動(dòng)式傳感器植入橋梁混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期觀察和測(cè)試。由于該設(shè)備的體積較大，因此在應(yīng)用區(qū)域方面受到一定限制，僅限于測(cè)量大型試件（圖3為差動(dòng)式傳感器的三種結(jié)構(gòu)）。

圖3　差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器式壓力傳感器的三種結(jié)構(gòu)

2　橋梁結(jié)構(gòu)撓度測(cè)量方法

2.1橋梁結(jié)構(gòu)撓度測(cè)量的現(xiàn)狀

在我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)撓度測(cè)量領(lǐng)域，常用的測(cè)量方式是懸錘測(cè)量法、百分表測(cè)量法、鋼弦測(cè)量法、光電測(cè)量法和水準(zhǔn)儀直接測(cè)量法等。由于懸錘測(cè)量法具有檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作便捷、應(yīng)用成本較低、測(cè)量精確度高等各種優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)型橋梁撓度測(cè)量中，然而該測(cè)量方式存在一定的局限性，只能對(duì)測(cè)量橋梁的靜態(tài)撓度，所以在應(yīng)用范圍方面受到一定限制。同時(shí)，鋼弦測(cè)量法也因?yàn)閮H適用于冰面橋梁撓度的測(cè)量，所以在測(cè)量范圍等方面受到一定的局限。在這其中的光電測(cè)量法，則是通過(guò)運(yùn)用CCD圖像傳感器這一大規(guī)模集成電路光電器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁撓度的測(cè)量工作，但由于該測(cè)量設(shè)備的使用成本較高，同時(shí)在設(shè)備使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境和天氣的要求較高，因此不利于常規(guī)的橋梁撓度測(cè)量。以上常用撓度測(cè)量法中，水準(zhǔn)儀直接測(cè)量法主要運(yùn)用了標(biāo)尺或者水準(zhǔn)儀器等測(cè)量設(shè)備，根據(jù)橋梁本身發(fā)生外力作用的前后狀況，并經(jīng)過(guò)對(duì)標(biāo)尺中所顯示的數(shù)值變化差的計(jì)算和處理從而得到該橋梁的靜態(tài)撓度數(shù)據(jù)。由于該測(cè)量方法的設(shè)備以及測(cè)量形式的限制，所以?xún)H適用于橋墩空間較寬闊的公路橋梁，因此在適用范圍等方面也受到了較大的局限性（圖4為橋梁撓度檢測(cè)儀，非接觸式橋梁撓度計(jì)）。

圖4

2.2橋梁結(jié)構(gòu)撓度測(cè)量的新方法

近幾年，隨著科技飛速發(fā)展，更多橋梁結(jié)構(gòu)撓度的測(cè)量方式和測(cè)量?jī)x器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，譬如：新興的GPS全球定位測(cè)量法、專(zhuān)業(yè)撓度觀測(cè)法、精密水準(zhǔn)觀測(cè)法和全站儀器觀測(cè)法等。

2.2.1傾角儀測(cè)量法

該測(cè)量方法主要是運(yùn)用數(shù)字積分器與電容式伺服傾角儀相互結(jié)合的作用，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的撓度曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)量方式操作起來(lái)較為復(fù)雜，需要相關(guān)測(cè)量人員具備較高的專(zhuān)業(yè)測(cè)量水平和職業(yè)素養(yǎng)。另外，由于傾角儀之間存在一定的交流電相位差，以及受到零點(diǎn)漂移和瞬間反應(yīng)時(shí)間的影響，導(dǎo)致無(wú)法控制測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度，難以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中發(fā)揮效用（圖5為數(shù)顯傾角儀）。

圖5

2.2.2激光標(biāo)靶測(cè)量法

該方法主要是利用激光的方向性?xún)?yōu)勢(shì)，能夠隨橋梁的變形進(jìn)行光線(xiàn)的調(diào)整，從而有效將激光照射在固定的光電接收系統(tǒng)上（即光靶），使接收系統(tǒng)的光靶輸出電壓根據(jù)橋梁的變形程度變化發(fā)生等量變化，測(cè)量人員只需取得光靶的電壓數(shù)值，就能掌握橋梁的撓度。

激光標(biāo)靶測(cè)量法所測(cè)量出的數(shù)據(jù)可精準(zhǔn)到0.1mm，且運(yùn)行成本較低，檢測(cè)效率較高。然而該測(cè)量方式需要安裝標(biāo)定，這一點(diǎn)對(duì)于現(xiàn)階段測(cè)量條件來(lái)說(shuō)較難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)測(cè)量撓度的分辨率較低。

2.2.3攝影測(cè)量法

該測(cè)量方法充分利用了，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)影像處理手段以及工業(yè)攝像機(jī)等測(cè)量設(shè)備，對(duì)準(zhǔn)安裝在梁部的靶標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)影像采集，并通過(guò)連接計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確記錄測(cè)量數(shù)據(jù)而后對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化分析、計(jì)算，最終取得橋梁撓度動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及其數(shù)據(jù)變化曲線(xiàn)圖表，和振動(dòng)技術(shù)參數(shù)、沖擊系數(shù)等。由于該測(cè)量法的測(cè)量設(shè)備體積較為龐大安裝起來(lái)比較繁瑣復(fù)雜，且購(gòu)置成本偏高，因此不利于實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

根據(jù)對(duì)現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)撓度測(cè)量方法的分析可知，以上三種常用測(cè)量方式都存在一定的局限性和誤差性，因此，要適應(yīng)不斷發(fā)展的軌道交通，保證鐵路行駛安全，耽誤之急是盡快研發(fā)出新型測(cè)量方式和測(cè)量設(shè)備。

這些新興測(cè)量方法在傳統(tǒng)測(cè)量方法的基礎(chǔ)之上，不斷改進(jìn)和完善，并更多的運(yùn)用到了現(xiàn)代信息技術(shù)，增強(qiáng)了撓度測(cè)量中的科技含量，保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，推進(jìn)了我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。與此同時(shí)我們也應(yīng)該正視，由于各種局限性因素，以上測(cè)量方式仍然存在一定的缺陷，對(duì)測(cè)量精確度和測(cè)量效率產(chǎn)生了一定的影響。

3　結(jié)束語(yǔ)

在橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測(cè)撓度和應(yīng)變的測(cè)量過(guò)程中，要充分結(jié)合實(shí)際情況以及測(cè)量條件，不斷改進(jìn)和完善測(cè)量方式，為橋梁的測(cè)量提供真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)。作為合格的測(cè)量人員應(yīng)該不斷提高自身專(zhuān)業(yè)水平，積極探索橋梁測(cè)量的新工藝、新方法、新技術(shù)，有效推進(jìn)我國(guó)橋梁測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。

[1]姚育文.簡(jiǎn)論橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測(cè)應(yīng)變和撓度測(cè)量方法[J].四川建材，2012，38（05）：87～88.

[2]趙華.淺談橋梁撓度測(cè)量方法與變形監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2012（32）.

[3]徐攀.基于梁體轉(zhuǎn)角的一種橋梁撓度測(cè)量方法與實(shí)驗(yàn)研究[D].重慶交通大學(xué)，2010.

[4]金瑞云.現(xiàn)代橋梁撓度測(cè)量方法簡(jiǎn)析[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2009，16（07）：32～ 33.

魏初材，助理工程師，本科，主要從事橋梁工程試驗(yàn)檢測(cè)、結(jié)構(gòu)安全性及承載能力鑒定、施工監(jiān)測(cè)工作。

佘長(zhǎng)輝，助理工程師，本科，主要從事橋梁工程試驗(yàn)檢測(cè)、結(jié)構(gòu)安全性及承載能力鑒定、施工監(jiān)測(cè)工作。

U446

A

1673-0038（2015）10-0170-03

2015-2-12

林彥哲，助理工程師，本科，主要從事橋梁工程試驗(yàn)檢測(cè)、結(jié)構(gòu)安全性及承載能力鑒定、施工監(jiān)測(cè)工作。