中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術(shù)集團企業(yè)。
截至2017年底，我國公路橋梁83.25萬座，比上年增加2.72萬座。其中特大橋梁4646座，大橋91777座。橋梁體系不斷創(chuàng)新，各類橋梁規(guī)模和跨徑居于國際前列，涌現(xiàn)出杭州灣跨海大橋、青島海灣大橋、舟山連島工程、港珠澳大橋等跨海世紀工程，也出現(xiàn)了蘇通大橋、西堠門大橋、滬通長江大橋、虎門二橋等已建成和在建的單體超級橋梁工程，為我國從橋梁大國邁向橋梁強國奠定了堅實基礎(chǔ)。
為了檢驗新建橋梁承載力是否符合設(shè)計要求，為橋梁竣工驗收提供基礎(chǔ)資料,或者檢驗在役舊橋承載力是否滿足目標荷載要求，為在役橋梁維修、養(yǎng)護和加固決策提供依據(jù)，均需要對橋梁進行荷載試驗。截至目前，橋梁荷載試驗是唯一一種能夠準確評定橋梁承載力的方法。依據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J02-01—2015），靜力荷載試驗測試參數(shù)包括應變、變位、裂縫、傾角和索（桿），其中應變和變位是主要測試內(nèi)容。應變測試用傳感器包括引伸計、電阻應變片、振弦式應變計或光纖光柵式應變計等，以電阻應變片的應用最為廣泛。變位測試儀器主要包括機械式變位測試設(shè)備（千分表、百分表、連通管和撓度計）及電測設(shè)備（電測變形計、水準儀、經(jīng)緯儀、全站儀、測距儀和機電百分表）等，以機電百分表和水準儀最為常用。應變片雖然尺寸小、靈敏度高，但其安裝工序繁瑣、工作效率低、測試結(jié)果受環(huán)境影響很大，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差，特別對于加載歷程較長的大橋荷載試驗，其測試數(shù)值漂移較大，給后期數(shù)據(jù)分析和判斷帶來困難。用于撓度測試的百分表則需要搭設(shè)安裝支架，臨時設(shè)施需要耗費大量人力物力，且無法在水上橋梁、通航（車）橋梁和高墩大跨橋梁應用。水準儀等測量儀器只能在橋面兩側(cè)進行變形測試，無法反映橫向多片主梁撓度分布狀況。因此，急需研發(fā)新型應變及變形測量設(shè)備，改進和解決目前荷載試驗中存在的不足。本文在傳統(tǒng)應變和變形測試方法的基礎(chǔ)上，提出了新型應變和變形測量方法，研發(fā)了相關(guān)儀器設(shè)備，有效推動了我國橋梁荷載試驗測試技術(shù)的進步。
應變測試技術(shù)
傳統(tǒng)應變測試方法
1.機械式應變測量方法
機械式應變測量已經(jīng)有很長的歷史，其主要利用百分表或千分表測量變形前后測試標距內(nèi)的距離變化，從而得到構(gòu)件測試標距內(nèi)的平均應變。工程測量中使用的機械式應變測量儀器主要包括手持應變儀和千分表引伸計。機械式應變測量方法主要優(yōu)點是讀數(shù)直觀、環(huán)境適應能力強、可重復性使用等。但需要人工讀數(shù)，費時費力、精度差，對于應變測點數(shù)量眾多的橋梁靜載試驗顯然不合適。因此，除了少數(shù)室內(nèi)模型試驗的特殊需要，工程結(jié)構(gòu)中很少使用。
2.電阻式應變測量方法
目前工程檢測中應用最多的是電阻式應變測量方法。19世紀30年代，英國物理學家Charle Wheatstone首次發(fā)現(xiàn)了可以利用惠斯通電橋來測量電阻，奠定了應變電測技術(shù)的基礎(chǔ)；William Thomson通過試驗驗證了金屬絲在應變作用下其電阻會產(chǎn)生變化，即應變-電阻效應，這就是電阻應變計的工作原理；1936到1938年間，美國A.C.Ruge和E.E.Simmons同時成功研發(fā)了電阻絲繞式紙基應變片，1938年粘貼式電阻應變片正式誕生。至今電阻應變片的種類已達兩萬多種。常用應變片外觀如圖1～2所示。
應變電測法的主要優(yōu)點是：應變片靈敏度高，尺寸小，容易粘貼牢固，易于實現(xiàn)數(shù)字化、自動化測量等。但應變片電測法的缺點也很突出：橋梁靜載試驗往往要在幾米甚至數(shù)十米的高空進行電阻應變片的粘貼，操作不便，工作效率低，并且要求工作人員具備一定的貼片技能；應變測量值受現(xiàn)場環(huán)境溫度、濕度影響很大，長時間加載導致數(shù)據(jù)漂移過大，給后期分析處理帶來極大困難；應變片為一次性使用，無法重復利用等。
3.光纖應變測量方法
光纖傳感技術(shù)的發(fā)展起源于20世紀70年代中期。1989年美國布朗大學的Mendez教授率先提出了將光纖傳感技術(shù)應用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的檢測中，并闡述了這一研究領(lǐng)域在實際應用中的一些基本構(gòu)想。在此之后，英國、法國、加拿大、德國、日本等國家也紛紛將光纖傳感技術(shù)應用于各種橋梁結(jié)構(gòu)試驗檢測中。我國對光纖傳感技術(shù)的研究起源于20世紀90年代，同濟大學、東南大學、重慶大學等多所高校先后將光纖傳感技術(shù)應用于橋梁檢測中，并且取得了良好的成效。
光纖傳感器傳輸波長信息，波長不會由于光源的功率波動以及連接與耦合的損壞而受到影響。因此，與一般應變測量設(shè)備相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾能力強、傳輸距離遠、溫度適應性好、靈敏度高、信號失真小等許多優(yōu)點。光纖傳感器原理及外觀示意如圖3～4所示。但是，由于傳感器的價格比較昂貴，因此在橋梁靜載試驗中鮮見使用。另外，近年來許多大橋上安裝的光纖傳感器失效，其原因有待進一步深入研究。
4.振弦式應變測量方法
振弦式應變測量傳感器的研究起源于20世紀30年代，其工作原理如下：鋼弦在一定的張力作用下具有固定的自振頻率，當張力發(fā)生變化時其自振頻率也會隨之發(fā)生改變。當結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應變時，安裝在其上的振弦式傳感器內(nèi)的鋼弦張力發(fā)生變化，導致其自振頻率發(fā)生變化。通過測試鋼弦振動頻率的變化值，能夠計算得出測點的應力變化值。振弦式傳感器外觀如圖5所示。
振弦式應變測量傳感器的優(yōu)點是具有較強的抗干擾能力,在進行遠距離輸送時信號失真非常小,測量值不受導線電阻變化，溫度變化的影響,傳感器結(jié)構(gòu)相對簡單、制作與安裝過程比較方便。但是,由于工藝和材料原因,振弦式傳感器不可避免會產(chǎn)生鋼弦松弛,從而引起測量誤差。鋼弦松弛主要體現(xiàn)在兩個方面:一是鋼弦錨固端產(chǎn)生的松弛,二是鋼弦自身材料特性導致的松弛。另一方面,振弦式傳感器軸向剛度較大,不能采用粘貼式安裝方法,不適合荷載試驗應用,一般多用于橋梁施工監(jiān)控(如圖6所示)。
應變測試新技術(shù)
在橋梁靜動載試驗時，如何減小應變測試中的各種干擾因素，提高檢測效率和測量數(shù)據(jù)的可信度，是長期以來工程師們一直在苦苦探索的問題。長安大學經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)成功了一種可裝配式多用途應變測量傳感器，成功地應用在了多座橋梁的靜動載試驗中，有效地解決了橋梁靜動載試驗中應變測量時遇到的一系列問題，特別是惡劣環(huán)境下的應變測試問題。
1.多用途電阻式應變測量傳感器工作原理
連桿的一端與應變傳感器相連接、另一端與支座相聯(lián)接，傳感器與應變儀連接。使用時將傳感器和支座用膠粘貼在構(gòu)件上被測部位，當構(gòu)件發(fā)生變形時，傳感器與支座間發(fā)生相對位移ΔL，則可推算出構(gòu)件被測部位的平均應變值。為了測量ΔL，在傳感器內(nèi)部設(shè)計了雙懸臂梁結(jié)構(gòu)，梁表面粘貼若干枚高精度應變片，組成了全橋電路，經(jīng)過封裝設(shè)計，就形成了如圖7所示傳感器。
2.技術(shù)特點及應用
該傳感器標距可以根據(jù)需要選取，因此可用來測量石拱橋拱圈的應變；可以組成應變花，測量結(jié)構(gòu)平面應變；可以跨裂縫粘貼，監(jiān)測裂縫的變化情況；可裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計有效地保證了其良好工作性能的長期穩(wěn)定性。多用途電阻式應變傳感器應用如圖8～11所示。
撓度測試技術(shù)
傳統(tǒng)撓度測試方法
1.機械式撓度測量方法
國內(nèi)外早期的撓度測量主要為機械式撓度測量方法，如百分表測量法。當進行橋梁撓度測量時，將百分表安裝在主梁結(jié)構(gòu)下緣待測部位。主梁發(fā)生豎向變形時，其撓度變化將直接反映在百分表的讀數(shù)上。百分表測量法設(shè)備簡單，測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，可以進行多點檢測，直接得到各測點的撓度值。百分表外觀如圖12所示，在結(jié)構(gòu)變形測量中的應用如圖13、14所示。
百分表測量法在橋梁撓度測量中應用的不足之處主要表現(xiàn)在以下幾個方面。采用百分表測量撓度時，需要在各測試截面搭設(shè)臨時支架或吊拉鋼絲，然后在支架上或鋼絲另一端安裝百分表。安裝繁瑣，耗時較長，現(xiàn)場使用具有一定的局限性；機械式百分表只能人工讀數(shù)，占用人力較多，使用不便；受鐵路、公路行車限界及橋下障礙物的影響，對跨線橋、跨越山谷、河流的橋梁無法采用百分表法進行測量。
2.電阻式撓度測量方法
電阻式撓度測量方法是將電阻測量與變形測量相結(jié)合，將變形測試轉(zhuǎn)換為彎曲應變測試，再利用應變測試技術(shù)，實現(xiàn)撓度的測量。電阻式撓度儀常與機械式百分表相結(jié)合，形成機電式百分表，廣泛應用在結(jié)構(gòu)變形測試中。機電百分表的突出優(yōu)點是既可直接進行目視讀數(shù)，也可與應變儀配合電測，進行多點撓度的快速測量。機電百分表外觀如圖15所示。
3.激光式撓度測量方法
激光式撓度測量方法主要利用激光良好的方向性來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形測量。當進行橋梁變形測試時，將激光器安裝在橋梁上。隨著橋梁的變形，固定在橋梁上的激光器可通過激光光斑位置變化而間接得到橋梁的撓度變化。
激光器固定在橋梁被測結(jié)構(gòu)上,從激光器發(fā)出的準直激光束照射在遠處固定的半透射接收屏上形成一個圓形光斑。任一時刻,從CCD攝像機輸出的模擬視頻信號，經(jīng)圖像采集卡采集后可即時進行處理，得到光斑在接收屏上的中心位置。被測結(jié)構(gòu)受外界環(huán)境的影響,沿豎向移動了ΔY,由于激光器固定在被測結(jié)構(gòu)上,其結(jié)果使得照射在接收屏上的激光光斑也發(fā)生相同的位移,通過采集處理前后兩次的圖片,能夠計算出前后兩次光斑在接收屏上中心位置的變化,經(jīng)比較即得到橋梁被測點的撓度變化值。激光圖像撓度測量方法的原理如圖16所示。
激光撓度儀的特點是可實現(xiàn)遠距離、非接觸式測量，避免搭設(shè)支架等臨時工程。但是，激光撓度儀測試距離不太遠，精度較差，當結(jié)構(gòu)變形較小時精度難以保證。
4.水準式撓度測量方法
水準式撓度測量主要借助水準儀進行測量。水準儀由望遠鏡、水準器及基座三部分組成,主要作用是提供一條水平視線,并能照準水準尺進行讀數(shù)。其測量示意如圖17所示。
由于水準測量法原理和儀器構(gòu)造要求,只能在橋面進行撓度測量。橋梁靜載試驗時,受加載車輛布載影響，一般只能沿橋梁兩側(cè)縱橋向布置測點。受測量距離和測點影響,測試精度較差,效率不高,無法測量橫橋向多片主梁的撓度值,也就無法得到橋梁橫向撓度分布特征。因此,水準法一般僅用橋下無法安裝撓度測點的情況,其應用受到限制。
5.其他撓度測量方法
長安大學研發(fā)的QY型撓度測試系統(tǒng),通過測量分布在橋梁各測點的傾角值，經(jīng)過專用軟件處理后得到橋梁各截面的撓度值、傾角值和曲率值。該方法的核心是在回轉(zhuǎn)擺上利用電容傳感技術(shù)和無源伺服技術(shù),構(gòu)成高靈敏度抗振動干擾的傾角測量儀器。
該撓度測量方法克服了以往橋梁撓度測量方法的不足，不僅適用于簡支梁和靜載情形，也適用于連續(xù)梁和動載情形。值得指出的是，利用該方法在每跨的最后一段需做出合理的處理，以“消化”由于前面各段測量誤差而引起的誤差積累，使得撓度曲線、傾角曲線和曲率曲線更趨合理。實驗室對比測量表明，該方法的精度滿足工程要求。該撓度計外觀及應用如圖18～19所示。
撓度測試新技術(shù)
1.基于圖像的遠距離撓度測量方法
①單目視覺測量基本原理
單目視覺測量系統(tǒng)可以用中心透視投影的原理解釋，如圖20所示。被測量的物體表面反射的光線,經(jīng)過一個針孔投射到成像平面上，物像點的大地實際坐標（x，y，z）和對應的相機成像面的坐標在幾何光路中構(gòu)成一定的關(guān)系，實際的坐標經(jīng)過一步的旋轉(zhuǎn)和一步的平移,可以得到其在相機平面的坐標。
②撓度測量系統(tǒng)方案
該系統(tǒng)主要由工業(yè)CCD、長焦鏡頭、標靶和軟件系統(tǒng)組成。當安裝在橋梁上的標靶產(chǎn)生豎向位移時，工業(yè)CCD和長焦鏡頭高頻采集標靶上的數(shù)字化圖像，計算機對采集到的圖像進行同步處理，計算出圖像中標靶中心坐標的位移。由于已知標靶中心點的實際距離和實際坐標，通過計算采集的圖像標志點的像素距離，得到像素距離和實際距離的轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而將測量得到的標志點的像素位移轉(zhuǎn)換為實際距離。其轉(zhuǎn)化關(guān)系如下：
轉(zhuǎn)換參數(shù)（mm/pixel）=實際距離（mm）/像素距離（pixel）
通過換算就可以得到標靶的實際位移，從而得到橋梁的撓度變化值。經(jīng)過后續(xù)處理能夠觀測待測點的靜態(tài)位移和動態(tài)位移，觀測實時數(shù)據(jù)和曲線。單個待測點系統(tǒng)原理示意如圖21所示。
③技術(shù)優(yōu)點及應用
基于圖像的遠距離撓度測量系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點：1)精度高，10米的距離測試精度可達0.01mm；2)可實現(xiàn)無靶標測量；3)測試距離遠,可達到300米以上；4) 適用范圍廣,大中小型橋梁均可進行測量；5)測試方法簡單,方便快捷,易于掌握；6)實現(xiàn)30～100HZ的高頻測試，消除工業(yè)CCD自身的抖動、環(huán)境波動產(chǎn)生的誤差等。測試系統(tǒng)在橋梁縱、橫向撓度測試中的應用如圖22～23所示。
本文主要對橋梁荷載試驗中的應變與變形測試方法進行了分析,針對荷載試驗應變測試中存在的問題與不足,研發(fā)了一種新型多用途應變測量傳感器,具有精度高、穩(wěn)定性好、受環(huán)境影響小、安裝方便、反復使用等突出優(yōu)點?？蓪崿F(xiàn)預應力混凝土、鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、圬工結(jié)構(gòu)的單向及多向應變測試,也可應用于裂縫監(jiān)測及微小位移監(jiān)測。
此外，本文還提出了一種基于圖像法的遠距離撓度測試系統(tǒng)，具有遠距離、非接觸、精度高、多點同時測量等突出優(yōu)點?？蓪崿F(xiàn)橋梁的遠距離靜、動態(tài)撓度測量，提高了撓度測試效率，可廣泛應用于橋梁施工監(jiān)控及運營期間撓度的長期監(jiān)測。
作者 / 趙煜
作者單位 / 長安大學
