橋梁結構應變電測技術探討

李 毅

（廣東省公路建設有限公司，廣東 廣州 528414）

0 引言

隨著現代科學技術的飛速發展，電測技術已廣泛應用于橋梁結構試驗中，各種新型現代化電測儀器不斷涌現，大大提高了橋梁結構試驗的測試精度及測試效率，使大規模橋梁結構試驗成為可能。本節主要介紹結構應力應變的電測技術，即電阻應變測量的原理及應用。電阻應變測量的基本原理是：將電阻應變片粘貼在被測構件上，當構件變形時，應變片與構件一起變形，致使應變片的電阻值發生相應的變化；通過電阻應變測量裝置，可將這種變化測量出來，換算成應變值或輸出與應變成正比的模擬電信號，用記錄儀器記錄下來或直接存入計算機進行處理，得到所需要的應力應變值。

1 電阻應變計的選用

應變片品種和規格很多，選用時必須從滿足測試要求、使用方便和盡可能節省費用等原則出發，結合被測試件所處的環境條件、被測材料的勻質程度、測點部位的重要程度以及應變范圍等多方面考慮。尤其是重點把握標距和種類。

1.1 標距

當結構材料為勻質（如鋼材）或局部應力集中梯度比較大時宜選用小標距應變片，當結構材料為非勻質（如混凝土）或應變梯度小又均勻時可選用大標距應變片（對混凝土標距L≥4～5倍最大骨料直徑）。

1.2 種類

對于箔式應變片適用于各種場合，且性能較絲式優越，是目前使用最多的一種應變片。有時碰到大量使用應變片的場合，環境條件比較好（如室內模型試驗）從經濟上考慮，往往也選用絲式膠基或紙基片。綜合起來說，對于測試鋼構件（或混凝土內鋼筋）應變，一般選用2mm×3mm（B×L）或2mm×6mm的箔式應變片，測混凝土結構表面應變，一般選用10mm×（80～100）mm的絲式膠基片或紙基片。

2 電阻應變片的粘貼和連接

電阻應變片的粘貼和焊接是應變測試技術中極重要的一步，必須足夠重視，通過結合工程實踐，筆者提出正確的操作步驟及其相應的注意事項。

2.1 電阻應變片的選片

首先檢查電阻應變片的外觀質量，好的應變片應該絲柵平直整齊、均勻、無氣泡、無霉、無銹蝕，基底和覆蓋層無破損。其次用惠斯頓電橋測定應變片的電阻值，其準確度應達到0.1Ω，以便按阻值的大小進行編組配對。工作片與補償片之間的電阻值之差不宜大于0.2Ω，以免橋臂阻值不能調平衡。

2.2 試件的表面處理

被測表面與電阻應變片之間是否能牢固地粘在一起，是直接影響被測物與應變片變形傳遞的關鍵。為使應變片能夠粘貼牢固，應對被測表面進行專門處理。

從工程實踐表明對于鋼（或其他金屬）試件，可通過采用砂輪片、鋼絲刷等對試件去銹，去銹的長度比應變片長2～3倍。螺紋鋼筋在不損傷有效面積的條件下，磨去幾個螺紋。去銹以后，需用砂紙（先粗后細）拋光，并達到光潔。拋光結束前的砂削方向應與貼片方向斜交（不要平行）。最后用丙酮棉花擦凈貼片處。而對于混凝土試件，用砂輪磨平欲測的混凝土表面部位，然后用環氧樹脂膠薄薄地涂刮一層并干燥（一般需要一天）。等底層完全干燥后，用細鐵砂紙將表面磨平，注意砂磨方向應與貼片方向斜交。最后用無水酒精棉花擦凈貼片處。

2.3 粘貼應變片

目前適用于金屬或混凝土的貼片且較常用的膠粘劑為氰基丙烯酸乙酯類粘貼劑，粘貼劑在常溫下吸收空氣中的微量水分并固化，使用時僅用手指加壓0.5～1.0min，便能初步固化，現場使用特別方便。環氧樹脂類粘貼劑也可用來貼應變片。貼片時，先看清應變片的位置、方向。把膠水滴在應變片粘貼面上（注意應變片的正反面），片子貼上去以后，蓋上一張塑料薄膜，用大拇指輕輕按住片子，擠出氣泡和多余的膠水，注意留心電阻片的位置和方向不能移動。由于粘貼劑是一種快干型粘貼劑，所以操作過程中需要熟練技術和經驗。

2.4 應變片的干燥處理和質量檢查

應變片粘貼后必須使粘貼劑充分干燥，以保證應變片能夠傳遞試件的變形，同時保證應變片的絕緣度，不致引起讀數漂移。應變片的干燥方法可以分為自然干燥和人工干燥。當溫度大于15℃，相對濕度低于60%時，可通過采用自然干燥，干燥時間一般需要24h。人工干燥就是用紅外燈泡或電吹風烘烤，溫度一般控制在50℃以下，干燥時間一般只需1h。應變片的粘貼質量主要是指粘貼層的好壞，幾何位置是否正確、粘貼層是否有氣泡、引出線是否完好等等。還有一個與粘貼質量有關的因素是試件與應變片引出線之間的絕緣度（絕緣度達不到要求會使儀器產生漂移），這個絕緣度值至少要大于100MΩ，對測量時間較長的情況，應在200MΩ以上。

2.5 應變片的防潮處理

對應變片進行干燥處理和質量檢查后，應及時對應變片進行防潮處理，這對野外試驗是必須的。應變片的短期防潮處理比較簡單。對于應變片的長期防潮，一般采用環氧樹脂配固化劑，也可將石蠟和松香加熱熔化后使用。

2.6 應變片的導線連接

在每片應變片的引出線下面貼一條接線端子，把應變片的引出線和后續接線一起焊在過橋上。應變片的連接導線與采用的應變儀器和測試內容有關。

3 惠斯頓電橋溫度補償處理技巧

對于接入電橋的電阻應變片的電阻值隨溫度變化，這一變化當然要引起電橋輸出電壓，一般每升溫1℃，應變放大器輸出的變量可達幾十微應變。顯然，這是非受力應變，需要排除。根據應變電橋的輸出特性，應用上不難對溫度進行補償，只要用一片和工作片（貼在被測件上的應變片）阻值、靈敏系數和電阻溫度系數都相同的應變片，把它貼在一塊與被測件材料相同而不受力的試件上，并使它們處于同一溫度場，電橋連接時使工作片和補償片處在相鄰橋臂中（如圖1所示），這樣溫度變化就不會造成電橋的輸出電壓。

圖1 溫度補償

實際使用上，補償片可采用單點補償多點的辦法，具體補多少點要根據被測物的材料特性、測點位置及環境條件決定。一般（鋼結構或混凝土）橋梁應變測量，可以一補十。但必須注意，在特別嚴格或特殊場合，要求單獨進行補償。

4 電阻應變儀及數據采集系統

由機械應變引起的電阻應變片阻值的變化通常很小，很難直接檢測出來，必須依靠放大儀器將信號放大。電阻應變儀是電阻應變片的專用放大儀器，其中測量電路涉及電阻應變計和電阻應變儀之間的連接方法，顯然掌握其電學原理，才能夠正確地進行應變測量。測量電路的作用是將應變片的電阻變化轉化為電壓或電流的變化，這種轉化是通過惠斯頓電橋實現的。

從實踐情況來看，動態應變數據的采集比靜態要復雜，特別是對多路采集系統來說，不僅要滿足采樣、速度、精度、信號再現等方面的要求，而且還要求便攜性，這是有一定難度的。以往動態應變信號采集系統中，多個應變的測量和信號的放大要靠多通道動態應變儀去完成，所以難以做到靜態應變測量那樣既多路又便攜。但隨著計算機技術飛速發展正在并已經改變了這一切，便攜式多通道動態應變測試分析系統，已可用于橋梁結構的動態應變采集。

5 結語

文章通過結合實踐經驗，著重論述橋梁檢測中應變電測的應用技術，并以應變檢測為例介紹檢測橋梁中的檢測原理、方法，具體提出電阻應變計的選用等，為同行提供參考借鑒。

［1］李文英，蔣敦斌，劉元紅.智能型便攜式橋梁應變檢測儀［J］.天津師范大學學報：自然科學版，2001，28（9）：118-119.

［2］蒲建雄.應變檢測法在橋梁工程實際中的應用［J］.甘肅科技，2004，31（8）：31-33.

［3］呂少峰，胡大琳，閆光輝.橋梁結構檢測新技術研究［J］.上海建設科技，2012，23（6）：11-15.