中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
橋粱構(gòu)件應(yīng)力與結(jié)構(gòu)安全直接相關(guān), 應(yīng)力測(cè)試至關(guān)重要。通過測(cè)量應(yīng)變?cè)倮脧椥阅Ａ繐Q算為應(yīng)力, 這一種方式應(yīng)用普遍, 應(yīng)變測(cè)試技術(shù)作為橋梁結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)測(cè), 荷載試驗(yàn)的手段,在橋梁工程中使用最多的應(yīng)變傳感技術(shù)是電阻應(yīng)變片,振弦弦應(yīng)變計(jì)和光纖光柵應(yīng)變計(jì)。
關(guān)鍵詞：橋梁荷載、應(yīng)變測(cè)試、應(yīng)變、應(yīng)力
1.機(jī)械式應(yīng)變測(cè)量方法
機(jī)械式應(yīng)變測(cè)量已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史，其主要利用百分表或千分表測(cè)量變形前后測(cè)試標(biāo)距內(nèi)的距離變化，從而得到構(gòu)件測(cè)試標(biāo)距內(nèi)的平均應(yīng)變。工程測(cè)量中使用的機(jī)械式應(yīng)變測(cè)量?jī)x器主要包括手持應(yīng)變儀和千分表引伸計(jì)。機(jī)械式應(yīng)變測(cè)量方法主要優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)直觀、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、可重復(fù)性使用等。但需要人工讀數(shù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、精度差，對(duì)于應(yīng)變測(cè)點(diǎn)數(shù)量眾多的橋梁靜載試驗(yàn)顯然不合適。因此，除了少數(shù)室內(nèi)模型試驗(yàn)的特殊需要，工程結(jié)構(gòu)中很少使用。
2.電阻式應(yīng)變測(cè)量方法
目前工程檢測(cè)中應(yīng)用最多的是電阻式應(yīng)變測(cè)量方法。19世紀(jì)30年代，英國(guó)物理學(xué)家Charle Wheatstone首次發(fā)現(xiàn)了可以利用惠斯通電橋來測(cè)量電阻，奠定了應(yīng)變電測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)；William Thomson通過試驗(yàn)驗(yàn)證了金屬絲在應(yīng)變作用下其電阻會(huì)產(chǎn)生變化，即應(yīng)變-電阻效應(yīng)，這就是電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理；1936到1938年間，美國(guó)A.C.Ruge和E.E.Simmons同時(shí)成功研發(fā)了電阻絲繞式紙基應(yīng)變片，1938年粘貼式電阻應(yīng)變片正式誕生。至今電阻應(yīng)變片的種類已達(dá)兩萬多種。常用應(yīng)變片外觀如圖所示。
應(yīng)變電測(cè)法的主要優(yōu)點(diǎn)是：應(yīng)變片靈敏度高，尺寸小，容易粘貼牢固，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化測(cè)量等。但應(yīng)變片電測(cè)法的缺點(diǎn)也很突出：橋梁靜載試驗(yàn)往往要在幾米甚至數(shù)十米的高空進(jìn)行電阻應(yīng)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(yīng)變測(cè)量值受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度、濕度影響很大，長(zhǎng)時(shí)間加載導(dǎo)致數(shù)據(jù)漂移過大，給后期分析處理帶來極大困難；應(yīng)變片為一次性使用，無法重復(fù)利用等。
3.光纖應(yīng)變測(cè)量方法
光纖傳感技術(shù)的發(fā)展起源于20世紀(jì)70年代中期。1989年美國(guó)布朗大學(xué)的Mendez教授率先提出了將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中，并闡述了這一研究領(lǐng)域在實(shí)際應(yīng)用中的一些基本構(gòu)想。在此之后，英國(guó)、法國(guó)、加拿大、德國(guó)、日本等國(guó)家也紛紛將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于各種橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測(cè)中。我國(guó)對(duì)光纖傳感技術(shù)的研究起源于20世紀(jì)90年代，同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)、重慶大學(xué)等多所高校先后將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于橋梁檢測(cè)中，并且取得了良好的成效。光纖傳感器傳輸波長(zhǎng)信息，波長(zhǎng)不會(huì)由于光源的功率波動(dòng)以及連接與耦合的損壞而受到影響。因此，與一般應(yīng)變測(cè)量設(shè)備相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、溫度適應(yīng)性好、靈敏度高、信號(hào)失真小等許多優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感器原理及外觀示意如圖3所示。但是，由于傳感器的價(jià)格比較昂貴，因此在橋梁靜載試驗(yàn)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(jìn)一步深入研究。
4.振弦式應(yīng)變測(cè)量方法
振弦式應(yīng)變測(cè)量傳感器的研究起源于20世紀(jì)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(dāng)張力發(fā)生變化時(shí)其自振頻率也會(huì)隨之發(fā)生改變。當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，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(dǎo)致其自振頻率發(fā)生變化。通過測(cè)試鋼弦振動(dòng)頻率的變化值，能夠計(jì)算得出測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化值。振弦式傳感器外觀如圖5所示。
振弦式應(yīng)變測(cè)量傳感器的優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的抗干擾能力,在進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送時(shí)信號(hào)失真非常小,測(cè)量值不受導(dǎo)線電阻變化，溫度變化的影響,傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)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(huì)產(chǎn)生鋼弦松弛,從而引起測(cè)量誤差。鋼弦松弛主要體現(xiàn)在兩個(gè)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(dǎo)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(yàn)應(yīng)用,一般多用于橋梁施工監(jiān)控。
