橋梁荷載試驗中的測試新技術(shù)及應用

胡培芳 劉京津

為檢驗當前國內(nèi)新建橋梁承載力是否符合預期設(shè)計要求，進而為橋梁竣工提供驗收資料，或檢驗在役舊橋承載力是否滿足實際載荷需求，能夠為在役舊橋維修加固提供重要決策依據(jù)。針對上述橋梁需要開展荷載實驗。當前橋梁荷載實驗是唯一用于評定橋梁承載力的重要方法。本研究基于傳統(tǒng)應變和變形測試前提下，提出新型應變以及變形測量方法，以期能夠從一定程度上推動國內(nèi)橋梁載荷實驗技術(shù)的進步。

一、應變測試技術(shù)分析

傳統(tǒng)應變測試法。第一，機械式應變測量。在國內(nèi)機械式應變測量已經(jīng)發(fā)展多年，其采用千分表或百分表測量變形前后測試標距距離的變化，進而獲得構(gòu)建測試標距平均應變。在工程測量時，機械式應變測量儀器包含千分表引伸機和手持應變儀，采用這種機械式應變測量，能夠直觀讀數(shù)，并且需要較強的環(huán)境適應性，能夠?qū)崿F(xiàn)重復使用等，但在該方法使用時，需要耗費大量的人力、物力，并且精度差，因此針對應變測量數(shù)量較多的實驗是不合適的。除室內(nèi)實驗外，該方法在實際工程結(jié)構(gòu)中該方法應用較少。第二，電阻式應變測量法。19 世紀30 年代，由英國研究學者Chare Wheatstone 首次發(fā)現(xiàn)利用惠斯通電橋進行電子測量，其也為應變電測技術(shù)提供基礎(chǔ)。研究學者驗證處于應變作用下，金屬絲的電阻變化及應變電阻效應，這也是電阻應變計的運行原理。

采用應變電測法其具有較高的靈敏度，并且應變片尺寸小，很容易粘貼牢固，易于實現(xiàn)自動化數(shù)字化測量，但使用該方法實驗仍面臨很多缺點，比如通常橋梁靜載荷測試時需要在幾米或幾十米高空完成電阻應變片粘貼，在粘貼時工作人員的效率低，操作不便，要求工作人員具有較強的貼片技能，同時應變測量值很容易受外界溫度因素的影響，長時間加載還會導致數(shù)據(jù)存在較大偏移，經(jīng)過后續(xù)數(shù)據(jù)分析，處理難度大。一般來說，應變片是一次使用的，無法實現(xiàn)重復利用。第三，光纖應變測量法，在20 世紀70 年代由美國布朗大學研究學者提出了光纖傳感技術(shù)，并將其應用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢測衷，提出了實際應用中的基本構(gòu)想。之后，日本、英國、德國等國家紛紛在橋梁結(jié)構(gòu)實驗檢測中引入了光纖傳感技術(shù)，我國是于20 世紀90年代引入光纖傳感技術(shù)的，光纖傳感器傳輸波長信息且波長不會有光源功率波動以及連接和耦合損壞受到影響，因此相比傳統(tǒng)的應變測量設(shè)備來說，這種光纖傳感器具有較強的抗電磁干擾能力，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離信息傳輸，具有良好的溫度適應性，靈敏度高，信號失真小等特點，但傳感器的成本高，因此在橋梁靜載荷試驗中應用較少。除此之外，近年來在一些大型橋梁中安裝光纖傳感器失效，對于這一方面還需要后續(xù)進行深入探究。第四，振弦式應變測量法。在20 世紀30 年代，研究學者提出了振弦式應變測量傳感器。從其原理來看，在處于一定張力條件下，鋼弦具有固定自振頻率，當張力發(fā)生顯著變化時會使自身頻率也隨著變化，在結(jié)構(gòu)形成應變時，安裝在其中的鋼弦張力也會發(fā)生變化，進而使自振頻率產(chǎn)生變化。通過檢測鋼弦振動頻率比例的變化，進而能夠計算測點應力變化值。這種振弦式應變測量傳感器具有較強的抗干擾性能，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離信號傳輸，并且信號失真較小，測量值不會受到溫度因素和導線電阻變化的影響。整體來看，結(jié)構(gòu)簡單，制作安裝流程簡便，但由于工藝和材料等因素，導致振弦式傳感器可能會產(chǎn)生鋼弦松弛，導致測量誤差的產(chǎn)生鋼弦松弛體現(xiàn)于：第一，鋼弦錨固端的松弛；第二，鋼弦本身材料特性導致松弛。除此之外，振弦式傳感器具有較大的軸向剛度，無法采用粘貼式的方式安裝，因此在載荷實驗中是不合適的，一般主要用于橋梁施工的監(jiān)控。

從應變測試新興技術(shù)來看，在進行橋梁靜動載荷測試時，如何能夠減少應變測試的不良因素，提升檢測效率，獲取較高可信度的數(shù)據(jù)，其是目前橋梁工程師急需解決的問題。長安大學通過多年技術(shù)研發(fā)出可裝配式多用途應變測量傳感器，在多座橋梁的靜動載荷實驗中成功應用，能夠從一定程度上解決了橋梁靜動載荷測試時面臨的問題，尤其能夠應對惡劣條件下的應變測試。圓桿一端能夠與應變傳感器進行連接，另一端則能夠與支座連接，傳感器可與支座進行連接，在使用過程中需要將傳感器粘貼在構(gòu)件的被測位置。當構(gòu)件產(chǎn)生變形時，支座和傳感器會出現(xiàn)相對位移，進一步推測構(gòu)件被測位置的應變值為測量相對位移，需要在傳感器中設(shè)計雙懸臂梁結(jié)構(gòu)梁，表面粘貼較高精度的應變片，構(gòu)成全橋電路，進一步通過封裝設(shè)計。從該傳感器的特點和應用來看，利用該傳感器標距可結(jié)合實際需求進行選取，比如用于施工橋拱圈應變的測量，可構(gòu)成應變花，測量結(jié)構(gòu)平面應變，跨裂縫粘貼進行裂縫變化的監(jiān)測，這種可裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計的方式能夠確保傳感器具有良好的性能和長期穩(wěn)定性。

二、撓度測試技術(shù)

從傳統(tǒng)撓度測量方法來看，第一，機械式撓度測量法。機械式撓度測量法是國內(nèi)外早期采用的撓度測量方法，比如采用百分表進行測量，在橋梁撓度測量過程中需要在主梁結(jié)構(gòu)下緣待測位置安裝百分表，一旦主梁出現(xiàn)豎向變形撓度變化，將會反映在百分表的數(shù)值中，該方法設(shè)備簡單，而且能夠獲取穩(wěn)定可靠的測量結(jié)果，實現(xiàn)多點測量，直接獲得各個測量位置的撓度值。然而在橋梁撓度測量過程中，采用百分表測量法需要在各個測量面搭設(shè)臨時支架，之后在支架安裝百分表，其安裝流程復雜，并且需要花費大量的時間，在現(xiàn)場使用時還存在很多局限性，并且這種機械式百分表值只能夠通過人工讀數(shù)，使用不便，很容易受公路、行車、鐵路界限因素影響。對于跨越山谷、河流的橋梁來說無法采用該方法進行撓度測量。第二，電阻式撓度測量。該方法是將變形測量與電阻測量進行融合，進一步將變形轉(zhuǎn)為彎曲應變的測試，利用應變測試技術(shù)以實現(xiàn)撓度測量。電阻式撓度儀與機械式百分表進行融合，可用于結(jié)構(gòu)變形的測試，實現(xiàn)目視讀數(shù)，同時也可配合應變儀實現(xiàn)多點撓度快速測量。第三，激光式撓度測量，該方法利用激光較好的方向性以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形的測量，在具體橋梁變形的測試過程中，需要在橋梁上安裝激光器，隨著橋梁變形，橋梁中的激光器可通過激光斑位置獲得橋梁撓度，在橋梁被測位置上安裝激光器，能夠從激光器發(fā)出準直激光束，將其照射在遠端的半透射接受屏中，以形成圓形光斑，在任意時刻能夠從CCD 攝像機輸出模擬信號，經(jīng)過圖像采集卡進行數(shù)據(jù)采集，可獲得光斑在接收屏中的中心位置，被測結(jié)構(gòu)很容易受外界因素的影響，沿豎向位置產(chǎn)生相對位移。由于激光器固定于被測結(jié)構(gòu)中，其測量結(jié)果會使照射在接收屏的激光光斑發(fā)生相同位移，通過數(shù)據(jù)采集前后兩次的圖片，計算兩次光斑在接收屏中心位置發(fā)生的變化，進一步獲得橋梁被測點撓度變化值。利用該方法能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式和遠距離測量，同時還能為有效避免臨時支架的搭設(shè)等工作，但激光撓度儀測量距離受限，精度差，尤其對于橋梁結(jié)構(gòu)變形變小時很難確保精度。

撓度測量的新技術(shù)，即單目視覺測量。單目視覺測量系統(tǒng)是利用中心透射投影原理，被測物體方面產(chǎn)生光線，可經(jīng)過一個針孔將其透視到成像平面中，物像點的大地實際坐標和對應相機成像坐標，可以在幾何光路構(gòu)成一定聯(lián)系，實際坐標可通過旋轉(zhuǎn)平移獲得在相機坐標中的平面坐標。從撓度測量系統(tǒng)的方案來看，該系統(tǒng)是由長焦鏡頭、軟件、標靶和CCD 共同構(gòu)成，在橋梁上安裝標靶形成豎向位移后，長焦鏡頭和CCD 能夠采集標靶的數(shù)字化圖像，由計算機進行圖像同步處理，計算其圖像中標靶坐標位移，由已知中心點距離坐標通過計算采集圖像標識點距離，進一步獲得像素距離和實際距離的參數(shù)，將測量獲得的標識點像素位移轉(zhuǎn)為實際距離，通過換算獲得標靶實際位移，可得到橋梁撓度變化值。經(jīng)過數(shù)據(jù)后續(xù)處理能夠觀測待測點靜態(tài)動態(tài)位移的實時數(shù)據(jù)和曲線。

從該技術(shù)的應用來看，首先，基于圖像遠距離撓度測量系統(tǒng)具有較高的測量精度，比如對于10m 測距離測試精度能夠達到0.01mm。其次可實現(xiàn)無靶標測量和遠距離測試，一般測試距離可達到300m 以上，具有較廣的適用范圍，對于不同施工規(guī)模的橋梁來說均可采用該方法進行測量。最后，整體測試方法簡單便捷，易于獲取數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)30～100 赫茲高頻測試，以減少工業(yè)CCD 本身抖動和環(huán)境波動產(chǎn)生誤差值，在橋梁縱向橫向牢度測試中均可采用這種測試系統(tǒng)。

三、結(jié)語

總而言之，在本研究中主要針對橋梁載荷測試中應變和變形測試方法進行總結(jié)，針對當前橋梁載荷實驗應變測試存在的問題，提出多用途應變測量傳感器，其具有良好的穩(wěn)定性和高精度，受風險因素較小，可實現(xiàn)重復應用。同時提出基于圖像法遠距離撓度測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)非接觸，遠距離，高精度測試以及橋梁遠距離新動態(tài)撓度測量，顯著提升橋梁的撓度測試效率。