唐 濤 蔡華俊

(湖北交通職業(yè)技學(xué)院， 湖北 武漢 430079）

1 公路橋梁結(jié)構(gòu)常用應(yīng)變傳感器原理分析

1.1 振弦式應(yīng)變傳感器工作原理

振動(dòng)式應(yīng)變傳感器又稱為鋼弦式傳感器，其構(gòu)成零部件有：彈性殼、鋼制弦、緊固夾、激振源及接收線圈，具體結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。振動(dòng)式應(yīng)變傳感器的工作原理為：鋼弦應(yīng)變傳感器的端部與端塊可靠連接，端塊固定在母材上，在外荷載作用下，待側(cè)母材出現(xiàn)變形，帶動(dòng)端部的端塊滑動(dòng)，與其連接的振弦應(yīng)變傳感器受力緊固，產(chǎn)生相應(yīng)的張拉力，張拉作用下鋼弦以一定的頻率振動(dòng)，張拉荷載與鋼弦振動(dòng)頻率存在相關(guān)關(guān)系，建立振動(dòng)頻率與張拉力之間的函數(shù)關(guān)系，通過測(cè)定振弦的頻率變化值，間接得出被測(cè)母材的應(yīng)變響應(yīng)情況[1-3]。

圖1 振弦式應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)形式

公式1 為振弦式應(yīng)變傳感器振動(dòng)頻率、張拉力、長(zhǎng)度和質(zhì)量參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系：

其中，在振弦式應(yīng)變傳感器安裝至待測(cè)母材上后，由于振弦端部和待測(cè)母材可靠連接，二者可以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)變形，因此，二者的應(yīng)變協(xié)調(diào)關(guān)系如下式3 所示：

定量分析上式可知，待測(cè)母材的應(yīng)變值和振弦應(yīng)變傳感器的振動(dòng)頻率的平方值呈正相關(guān)關(guān)系，因此，測(cè)定振弦的振動(dòng)頻率值可以得到待測(cè)母材的真實(shí)應(yīng)變值[4]。

定量分析上式可知，待測(cè)母材的應(yīng)變值和振弦應(yīng)變傳感器的振動(dòng)頻率的平方值呈正相關(guān)關(guān)系，因此，測(cè)定振弦的振動(dòng)頻率值可以得到待測(cè)母材的真實(shí)應(yīng)變值[4]。

1.2 光柵式應(yīng)變傳感器工作原理

光柵式應(yīng)變傳感器借助光纖實(shí)現(xiàn)信息傳輸，其基本結(jié)構(gòu)形式如下圖2所示，光纖的傳輸核心由光導(dǎo)纖維制成，外包層使用光折射率較低的纖維材料制成，最外層的保護(hù)層主要功能是緩沖外部荷載壓力，提升光纖傳輸線的抗拉、壓性能，降低光纖的溫度敏感性，光纖憑借傳輸速度快、信息衰減小等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在光柵式應(yīng)變傳感器中[5]。

圖2 光纖傳輸結(jié)構(gòu)圖

光纖光柵式傳感器的信息傳輸原理為：在光纖傳輸線路內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄐ盘?hào)，在外部溫度、荷載、加速度、電磁場(chǎng)等作用的影響下引起的光波信號(hào)特征值出現(xiàn)規(guī)律性變化，相應(yīng)的光波信號(hào)類型有：光波振動(dòng)幅值、光波相位值、光波偏振狀態(tài)、波長(zhǎng)等；將傳輸光波轉(zhuǎn)化為可以被調(diào)制和解調(diào)的信號(hào)源，通過光照探測(cè)設(shè)備及調(diào)制解調(diào)器對(duì)光波信號(hào)的測(cè)試能夠間接地獲取被監(jiān)測(cè)物理量的變化情況。本項(xiàng)目中使用的光纖光柵式傳感器實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖3 所示，光纖光柵應(yīng)變傳感器由全金屬外殼包裝，保護(hù)殼和光纖之間的空隙將光纖光柵和待監(jiān)測(cè)母材分離，保證光柵僅能夠采集到縱向應(yīng)變，防止橫線應(yīng)變的影響[6]。

圖3 光纖光柵式傳感器實(shí)物結(jié)構(gòu)

2 橋梁結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控應(yīng)變測(cè)試及分析

2.1 項(xiàng)目概況

本工程建設(shè)項(xiàng)目選取二廣高速山西省內(nèi)太長(zhǎng)段某多跨連續(xù)梁為例，主梁結(jié)構(gòu)形式預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，箱梁截面形式為單箱單室，沿主梁方向箱梁高度值呈二次拋物線形式變化，主跨跨徑分布形式為50+80+50m，公路等級(jí)為高速公路。圖4、圖5 分別為主梁跨徑結(jié)構(gòu)分布形式和箱梁截面應(yīng)變片粘貼分布形式[7]。

圖4 主梁跨徑結(jié)構(gòu)分布形式

圖5 箱梁截面應(yīng)變片粘貼分布形式

2.2 應(yīng)變傳感器布設(shè)及參數(shù)采集

本工程建設(shè)項(xiàng)目施工方法采用懸臂澆筑施工技術(shù)，以3#塊澆筑施工為例，在澆筑前，在圖5 中所示位置安裝振弦式應(yīng)變傳感器及光纖傳感器。為了能夠準(zhǔn)確獲取鋼筋及箱梁截面腹板位置受力主筋、構(gòu)造鋼筋的應(yīng)變參數(shù)；振弦式傳感器的安裝方向應(yīng)與被測(cè)試應(yīng)力方向保持平行；傳感器布設(shè)完畢后應(yīng)妥善保護(hù)，尤其是傳感器線路，防止由于外力振搗和施工荷載影響對(duì)零部件造成的影響[8]。圖6 為鋼筋應(yīng)變傳感器布設(shè)實(shí)物圖。

圖6 鋼筋應(yīng)變傳感器布設(shè)實(shí)物

鋼筋應(yīng)變傳感器布設(shè)完畢后，在具體測(cè)試之前應(yīng)先進(jìn)行應(yīng)變預(yù)測(cè)試工作，以識(shí)別和明確布設(shè)的應(yīng)變傳感器的存活率，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)試結(jié)果表明，傳感器存活率為98%，滿足設(shè)計(jì)要求，在3#懸臂澆筑段預(yù)應(yīng)力張拉完成以后，在3#梁段澆筑之前，讀取傳感器數(shù)據(jù)并做好記錄，并以對(duì)應(yīng)的應(yīng)變、光纖波長(zhǎng)及溫度作為初始值作為計(jì)算基礎(chǔ)。鋼筋及混凝土應(yīng)變采集根據(jù)具體的施工環(huán)節(jié)劃分為：混凝土澆筑強(qiáng)度形成后、預(yù)應(yīng)力張拉及懸臂澆筑掛籃移動(dòng)三個(gè)環(huán)節(jié)。應(yīng)變數(shù)據(jù)采集時(shí)間點(diǎn)應(yīng)盡量控制在溫差較低的晚上或者凌晨[9]。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試曲線分析

本文選取圖5 中左側(cè)截面中的A 點(diǎn)應(yīng)力值作為分析對(duì)象，圖7 分別為3#和4#澆筑節(jié)段對(duì)應(yīng)的截面A 位置的應(yīng)力測(cè)試變化曲線。

通過對(duì)比分析A 位置應(yīng)力的光柵測(cè)試值、振弦傳感器測(cè)試值及理論計(jì)算值，論證不同應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的可行性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。分析上圖中的3#、4#澆筑節(jié)段的三種測(cè)試數(shù)據(jù)可知，三種數(shù)據(jù)相互之間的偏差值較為明顯。以頂腹板的A 點(diǎn)為例，采用光柵傳感器采集到的數(shù)據(jù)和理論計(jì)算值吻合程度要明顯優(yōu)于振弦式傳感器，說明在工程實(shí)際監(jiān)控中光柵的監(jiān)測(cè)精度總體上要超過振弦傳感器。通過對(duì)誤差及誤差成因分析可知，引起三種指標(biāo)偏差的主要因素有：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土材料的收縮及徐變因素影響、不同類型傳感器的自重及各項(xiàng)性能差異影響、有限元仿真模型計(jì)算過程中的結(jié)構(gòu)剛度“過剛”，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)變值低于實(shí)際值的影響等。因此，在工程監(jiān)控費(fèi)用允許的情況下應(yīng)盡量選用光柵式傳感器，以提高施工監(jiān)控的精度和可靠性。

3 結(jié)束語

通過本次分析可知，光柵傳感器和振弦傳感器是目前橋梁結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控實(shí)踐中的主流監(jiān)控技術(shù)，雖然已經(jīng)明確引起三個(gè)計(jì)算指標(biāo)之間偏差的影響因素類型，但是沒有對(duì)各種偏差進(jìn)行量化分析。因此，本文認(rèn)為在后期的橋梁施工監(jiān)控實(shí)踐中，應(yīng)該著重從引起應(yīng)變偏差的各種影響因素的量化分析和提高應(yīng)變傳感器的自身性能穩(wěn)定性角度出發(fā)，繼續(xù)提高橋梁工程施工監(jiān)控的質(zhì)量和精度；在保證應(yīng)變采集數(shù)據(jù)精度和可靠性的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)提供技術(shù)基礎(chǔ)。