截至2017年底，我國公路橋梁83.25萬座，比上年（nián）增加2.72萬座。其中特大橋梁4646座，大橋91777座。橋梁體係不斷創（chuàng）新，各（gè）類橋梁規模和跨徑居於國際前列（liè），湧現出（chū）杭（háng）州灣跨海大橋、青島海灣大橋、舟山連島（dǎo）工程、港（gǎng）珠澳大橋等跨海世（shì）紀工程，也出現了蘇（sū）通大橋、西堠門（mén）大橋、滬通長江大橋、虎門二橋等（děng）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（guó）奠定（dìng）了堅實基礎。

為了檢驗（yàn）新建橋梁承載（zǎi）力是否符合設（shè）計要求，為橋梁竣工驗收提供基礎資料（liào）,或者檢驗在役舊橋承載力是否（fǒu）滿足目標（biāo）荷載（zǎi）要（yào）求，為在（zài）役橋梁（liáng）維修、養（yǎng）護（hù）和加固決策（cè）提供依據，均需（xū）要對橋（qiáo）梁進行荷載試驗。截（jié）至目前，橋梁（liáng）荷載試驗是唯一一種能夠準確評定橋（qiáo）梁承載力的方法。依據《公路橋梁荷載試驗（yàn）規程》（JTG/T J02-01—2015），靜力荷載（zǎi）試驗測試參數包括應變、變位、裂縫、傾角和索（杆），其中應（yīng）變和變位是主要測試內容。應變測試用（yòng）傳感器包（bāo）括（kuò）引伸計、電阻應變片（piàn）、振弦式（shì）應變計或光纖光柵式應（yīng）變計等（děng），以電阻應變片的應用最為（wéi）廣泛。變位測試儀（yí）器主要包（bāo）括機械式變位測試設備（千分（fèn）表、百分表、連通管和撓度計（jì））及電測設備（bèi）（電測變形計、水準儀、經緯儀、全站儀、測距儀和機電百分表）等，以（yǐ）機電百分表和水準（zhǔn）儀最（zuì）為常用（yòng）。應變片雖然尺寸（cùn）小、靈（líng）敏度高，但其（qí）安裝工序繁瑣、工作效率低、測試結果受環境影響很大（dà），數據穩定性差，特別對於加載曆程較長的大橋荷載試驗，其測試數值漂移較大，給後期數據分析和判斷帶來困難。用於撓度測試的百分表則需要搭設安裝支架，臨時（shí）設施需要耗費大量人力物力，且無法在水（shuǐ）上橋梁、通航（車）橋梁和（hé）高墩大跨橋梁（liáng）應用。水準（zhǔn）儀等測量儀器隻能在橋麵兩側進行變形測試，無法（fǎ）反映橫向多片主梁撓度（dù）分（fèn）布狀況。因此，急需研發新型應（yīng）變及變形（xíng）測（cè）量設備，改進（jìn）和解決目前荷載試驗中存在的（de）不足。本文在（zài）傳統應（yīng）變和變形測（cè）試方法的基（jī）礎上，提出了新型應變和變形測量方（fāng）法，研發了相關儀器設備（bèi），有效推動了我國橋梁（liáng）荷載試驗測試（shì）技術的進（jìn）步。

應變測試技術

傳統應變測試方法

1.機械式應（yīng）變測量方法

機械式應變測（cè）量已經有很長的曆史，其主要利用百分（fèn）表或千分表測量變形前後測試標距（jù）內的距離變化，從而得到（dào）構件測試標距內的平均（jun1）應變。工程測量中使用的機械式（shì）應變測量儀器主要包括手（shǒu）持應變（biàn）儀和千分表引伸計。機械式應變測量方法主要優點是讀數直觀、環境適應能力強、可重複（fù）性使用等。但（dàn）需要人工讀數，費時費力、精度（dù）差，對於應變測點數量眾多的橋梁靜載試驗（yàn）顯然不合適。因此，除了少數室內模型試驗的（de）特殊（shū）需要，工程結構中很少使用。

2.電阻式應變測量方法

目前工程檢測中應用（yòng）最多的（de）是電阻式（shì）應變測量方法（fǎ）。19世（shì）紀30年代，英國物理學家Charle Wheatstone首次發現了可以利用惠斯通電橋來測量電阻，奠（diàn）定了應變電測技術的基礎；William Thomson通過（guò）試驗驗證了金屬絲在（zài）應變作用下（xià）其電阻會產生變化，即應變-電阻（zǔ）效應，這就是電阻（zǔ）應變計的（de）工作（zuò）原理；1936到1938年間，美國A.C.Ruge和E.E.Simmons同時成功研發了電阻絲繞（rào）式紙基應變（biàn）片（piàn），1938年粘貼式電阻應變片正式誕生。至今電阻（zǔ）應變（biàn）片的種類已達兩萬多種。常用應變片（piàn）外觀如圖1～2所（suǒ）示。

圖1 單向應變片示意

圖2 應變花示意

應變電測（cè）法的主要優點是：應變片靈敏度高，尺寸小，容易粘貼牢固，易（yì）於（yú）實現數字化、自動化測量（liàng）等。但應變（biàn）片電測法的缺點（diǎn）也很突出：橋梁靜載試驗往往要在幾米（mǐ）甚至數十米的（de）高空進行電阻應（yīng）變片的（de）粘貼，操作不便，工（gōng）作效（xiào）率低，並且要求工作人員具備一（yī）定的貼片技能；應變測量值（zhí）受現場環境溫度、濕度影響很大，長時間加（jiā）載導致數據漂移過大，給後期（qī）分析處理帶來（lái）極（jí）大困難（nán）；應變片為一次性使用，無法重（chóng）複利用等（děng）。

3.光纖應變測量（liàng）方法

光纖傳感技術的發展起源於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）應用於鋼筋混凝土結構的檢測中，並闡述了這一研究領（lǐng）域在（zài）實際應用（yòng）中的一些基本構想。在此之（zhī）後，英國、法國、加拿大、德國、日本等國家也紛紛將光纖傳感技術應用於各種（zhǒng）橋梁結構試（shì）驗檢測中。我國對光纖傳感技術的研究起源於20世（shì）紀90年代，同濟大學、東南大學、重慶大（dà）學等多所高校先後將光纖傳感技術應用於橋（qiáo）梁檢測中，並且（qiě）取（qǔ）得了良好（hǎo）的成效。

光纖傳感器傳（chuán）輸波長信息，波長不會由於光源的功率波動（dòng）以及連接與耦（ǒu）合的（de）損壞而（ér）受到影（yǐng）響。因此，與（yǔ）一般應變測量設備（bèi）相比，光纖傳感（gǎn）器具有抗電磁幹擾能力強、傳輸（shū）距離遠、溫度適應性好、靈敏（mǐn）度高、信號失真小等許多優點。光纖傳感（gǎn）器原理及外觀示意如圖（tú）3～4所示。但是，由於傳感器的價格比較昂貴（guì），因此在橋梁靜載試驗中鮮見使用。另外，近（jìn）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。

圖3 光纖傳感器原理

圖（tú）4 光纖傳感（gǎn）器外觀示（shì）意

4.振（zhèn）弦式應變測量方法（fǎ）

振弦式應（yīng）變測量傳（chuán）感（gǎn）器的研究起源於20世紀30年代（dài），其工作原理如下：鋼弦在（zài）一定的張力作用下具有固定（dìng）的自振頻率，當張力（lì）發生變化時其自振頻率也會隨之發生改變。當結構產生應變（biàn）時，安裝在其上的振弦式傳感（gǎn）器內的鋼弦張力發生變化，導致其自振頻率發生變化。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（biàn）化值。振弦式傳感器外觀如圖5所示。

圖5 振弦式應變測量傳（chuán）感器示意

振弦式應變測（cè）量傳感器的優點是具有較強的（de）抗幹擾能力,在進行遠距離輸送時信號失真非常（cháng）小（xiǎo）,測量（liàng）值不受導線電阻變化，溫度變化的影響,傳感器結構相對簡單、製作與安裝過程比（bǐ）較方（fāng）便。但是,由於工藝（yì）和材料（liào）原（yuán）因,振（zhèn）弦式傳（chuán）感（gǎn）器不可避免會產生鋼弦鬆弛,從而（ér）引起測（cè）量誤差。鋼弦鬆（sōng）弛主要體現在（zài）兩個方麵:一是鋼（gāng）弦錨（máo）固端產生的鬆弛（chí）,二是鋼弦自身材料特性（xìng）導致的（de）鬆弛。另一方麵,振弦式傳感器軸向剛度較大,不能采用粘貼式安（ān）裝方法,不適合荷載試驗應用,一般多用於橋梁施工（gōng）監控(如圖（tú）6所（suǒ）示)。

圖6 埋入（rù）式振（zhèn）弦傳（chuán）感器（qì）安裝示意

應變測試新技術

在橋（qiáo）梁靜（jìng）動載試驗時，如何減小應（yīng）變測試中的各種幹擾因素，提高檢測效率和測量數據的可信度，是長期以來工程師們一直在苦苦探索的問題。長安大學經過多（duō）年的技術攻關，研發成功了（le）一種可裝配式（shì）多用途應（yīng）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（dào）的（de）一（yī）係列問題，特別是惡（è）劣環境下的應變測（cè）試問（wèn）題。

1.多用途電阻式（shì）應變測量傳感器工作原（yuán）理

連杆的（de）一（yī）端與應變傳感器相連接、另一（yī）端與支座（zuò）相聯接，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件上被測部位，當構（gòu）件發生變形時，傳（chuán）感器與（yǔ）支（zhī）座（zuò）間發生相對位移ΔL，則可推算出構件被測部位的平均應變值。為了（le）測量ΔL，在傳感（gǎn）器內部設計了雙懸臂梁結構，梁表（biǎo）麵粘貼若幹枚高精度應變片，組成了全橋電路，經過封裝設計，就形成了如圖7所示傳感器。

圖7 傳感器工作原（yuán）理示意

2.技術特點及應用

該傳感器標距可以根據需要選取，因此（cǐ）可用來測量石拱橋拱圈的應（yīng）變；可以組成應變花，測量結構平麵（miàn）應變；可以跨裂縫粘貼，監測裂縫（féng）的變化情況；可裝配式結構設（shè）計（jì）有效地保證了其良好工作性能的長期穩定性。多用途電阻式應變傳感器應用如圖8～11所示。

圖8 單向應（yīng）變測試（shì）

圖9 大標距應變測試在圬工結構中的應用

圖10 吊杆伸長量（liàng）測試（shì）

圖11 混凝土結構裂縫寬度變化監測

撓（náo）度（dù）測試技（jì）術

傳統撓度（dù）測試方法

1.機（jī）械式撓度測量方法（fǎ）

國（guó）內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（náo）度測量時，將百分（fèn）表安裝在主梁結構下緣待測部位。主梁發生豎向變形時，其（qí）撓度變化將直接反映在百分（fèn）表的（de）讀數（shù）上。百分表測量法設備簡單，測量結果穩定可（kě）靠，可以進行多點檢測（cè），直接得到各測點的撓度值。百分表外觀如圖12所示，在結構（gòu）變（biàn）形測量中的應用如圖13、14所示。

圖12 常用百分表外觀示意

圖13 試驗梁變形測試示意

圖14 橋梁靜載試驗撓度測量示意

百分表測（cè）量法在橋梁撓度測量中應用的（de）不足之處主要表（biǎo）現（xiàn）在以下（xià）幾個方麵。采用百分表測量撓度時，需要在（zài）各測試截麵搭設臨時支架或吊拉鋼絲，然後在支架上或鋼絲另一端安裝百分表。安裝繁（fán）瑣，耗時較（jiào）長，現場使用具有一定的局限性（xìng）；機械式（shì）百分表（biǎo）隻能人工（gōng）讀數，占用人力較多，使用（yòng）不便；受鐵路、公路行車限（xiàn）界及橋下障礙物的影（yǐng）響，對跨線橋（qiáo）、跨越山穀、河流的橋梁無法采用百分表法進行測量。

2.電（diàn）阻式撓度（dù）測（cè）量方法

電阻式撓度測量方法是將電阻測量與變形測（cè）量相結合，將變（biàn）形測試轉換為彎曲（qǔ）應變測試，再利用應變測試技術，實現撓度的測量。電阻式撓度儀常與機械式百分表相結合，形成機電式百分表，廣泛應用在結構變形測試中（zhōng）。機電百分表的突出優點是既可直接進（jìn）行目視讀數，也可與應變儀配合電測，進行多點撓（náo）度的快速測量。機電百分表外觀如圖15所示（shì）。

圖15 機電百分表外（wài）觀示意

3.激光式撓度（dù）測量方法

激光式撓度測量方法（fǎ）主要利用激光良好的方向性來實現（xiàn）結構（gòu）變形測量。當進行橋梁變形測試時，將激光器安（ān）裝在（zài）橋梁上。隨著橋梁的變形，固定在（zài）橋梁上的激光器可（kě）通過激光光斑（bān）位（wèi）置變（biàn）化而間接得到橋梁的撓度變化。

激（jī）光器固定在（zài）橋梁被測結構上,從激光器發出（chū）的準直激光束照射在遠處固定的（de）半透射接（jiē）收屏上形（xíng）成一個圓形光（guāng）斑。任一時刻,從CCD攝像機輸出的（de）模擬視頻信號，經圖像采集卡采集後（hòu）可即時進行處理，得到光斑在接（jiē）收屏上的中心位置。被測（cè）結構受外界環境（jìng）的影響,沿豎向移動了ΔY,由於激光器固定（dìng）在被（bèi）測結構上,其結果使得照射在接收屏上的激光光斑也發生相（xiàng）同的位移,通過采集處理前後兩次的圖片（piàn）,能夠計算（suàn）出前後兩次光（guāng）斑在接收屏上中心位置的變化,經比較即得（dé）到（dào）橋梁被測點的撓度變化值。激光圖像撓度測量方法（fǎ）的原理如圖16所示。

圖16 激光圖像撓度測量係統原理示意

激光撓（náo）度儀的特點（diǎn）是可實（shí）現遠距離、非接觸式測量，避免（miǎn）搭設支架等臨時工程。但是，激光撓度儀測試距離不太遠，精度較差，當結構變形（xíng）較小時精度難以保（bǎo）證。

4.水（shuǐ）準式撓度測量方法

水準式撓（náo）度（dù）測量主（zhǔ）要借助水準儀進行測量。水準儀由望遠鏡、水準器（qì）及基座三部分組成,主要作用是提供一條水平視線,並能照準水準尺進行（háng）讀數（shù）。其測量（liàng）示意如圖17所示（shì）。

圖（tú）17 水準式撓度測量示（shì）意

由於水準測量法原理和儀器構造要求,隻能在橋麵進行撓度測量（liàng）。橋梁靜（jìng）載（zǎi）試驗時,受加載車輛布載影（yǐng）響，一般隻能沿橋梁兩側縱橋向布置測點。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（liáng）橫向撓度分布特（tè）征。因此,水（shuǐ）準法一般僅用橋下（xià）無法安裝撓度測點的情況,其應用受到（dào）限製。

5.其他撓度測量方法

長安大學研發的QY型撓（náo）度測試（shì）係統,通過測量分（fèn）布在橋梁各測點的傾角值，經過專用軟件處理後得到橋梁各截麵的撓度值、傾角值和曲（qǔ）率值（zhí）。該方法（fǎ）的核心是在回轉擺上（shàng）利用（yòng）電容傳感技（jì）術和無源伺服技術,構成高靈敏度抗振動幹（gàn）擾的傾角測量（liàng）儀器（qì）。

該撓（náo）度測量方法克服了以往橋梁撓度測量（liàng）方法的（de）不足，不僅適用於簡支梁和靜載（zǎi）情形，也適用於連續梁和動（dòng）載（zǎi）情形。值得指出的是，利用該（gāi）方法在每跨的最後（hòu）一段（duàn）需做出合理的處理，以“消（xiāo）化”由於前麵（miàn）各段測量誤差（chà）而引起的誤差積（jī）累，使得撓（náo）度曲線、傾（qīng）角曲線和曲率曲線更趨合理。實驗（yàn）室對比測量表明，該方法（fǎ）的精度滿足工程要求。該撓度計外觀及應用如圖18～19所示。

圖18 撓度計示意（yì）

圖19 撓度計的工程（chéng）應用（yòng）

撓（náo）度測試（shì）新技術

1.基於（yú）圖像的遠（yuǎn）距（jù）離撓（náo）度測（cè）量方法

①單目視覺測量基本原理

單目視覺測量係統可以用中心透視投影的（de）原理解釋，如圖20所示。被測量的物體（tǐ）表麵反射的光線,經過一個針孔投射到（dào）成像平麵上，物像點的大地實際坐標（x，y，z）和對應的相機成像麵的坐標在幾何光路中構成一定的關係，實際的坐標經過（guò）一步的旋轉和一步的平移,可以得到其（qí）在相機平麵的坐標。

圖20 成像模型示意

②撓度測（cè）量係統方案（àn）

該係統主要由工業CCD、長焦（jiāo）鏡（jìng）頭、標（biāo）靶和軟（ruǎn）件（jiàn）係統組成。當安裝在橋梁上的標靶產生豎向位移時，工業CCD和長焦鏡頭高（gāo）頻采集標靶上的數字化圖像，計算機對采集到的圖像進行同（tóng）步處理，計算（suàn）出圖像中標（biāo）靶中心坐標的位移。由於（yú）已（yǐ）知標靶中（zhōng）心（xīn）點的實際距離和實際坐標，通過計算采集（jí）的圖像標誌點的像素距離，得到像素距離（lí）和（hé）實（shí）際（jì）距離的轉（zhuǎn）換參數，從而將測量得到的標誌點的像素位移轉換為實際距離。其轉（zhuǎn）化關係如下：

轉換參數（mm/pixel）=實際距離（mm）/像素距離（pixel）

通過換算就可以得到標靶的（de）實際位（wèi）移（yí），從而得到橋梁的撓度變化值。經過後續處理能夠觀測待測點的靜態（tài）位（wèi）移和動態位移，觀測實時數據和曲線。單個待（dài）測點係（xì）統原理示意如（rú）圖21所示。

圖21 測點係統（tǒng）原理示意

③技術優點（diǎn）及應用

基於圖像的遠距（jù）離撓度測量（liàng）係統具（jù）有以下突出優點：1)精度高，10米的距離測試精度可達0.01mm；2)可實現無靶標測量；3)測試距離遠,可達到300米以上；4) 適用範圍廣,大中小型橋梁均可進行測量；5)測試方（fāng）法簡單,方便（biàn）快（kuài）捷,易於掌握；6)實現30～100HZ的高頻測試，消除工業CCD自身的抖動、環境波動產生的誤差等。測試係統在橋梁縱、橫向撓度（dù）測試中的應用如圖（tú）22～23所示。

圖22 橫橋向撓度（dù）測試

圖23 縱（zòng）橋向（xiàng）撓度測試

本（běn）文主要對（duì）橋梁荷載試驗（yàn）中的應（yīng）變與（yǔ）變形測試方法進行了分析,針對荷載（zǎi）試驗應變測試中存在的問題與（yǔ）不（bú）足,研發了一種新型多用途應變測量（liàng）傳感器,具有精度高、穩定性好、受（shòu）環境（jìng）影響小、安裝方便、反複（fù）使用等突出優點。可實現預應力混凝土、鋼筋混凝土（tǔ）、鋼結構、圬工結（jié）構的單向及多（duō）向應變測試,也可應用（yòng）於裂縫監測及微小位移監（jiān）測。

此外，本文還提出了一種（zhǒng）基於圖像法的遠距離撓度測試係統，具有遠距離、非接觸、精度高、多點同時（shí）測量等突出優點。可實（shí）現橋梁的遠距離靜、動態撓（náo）度測（cè）量，提高了撓度測試效率，可廣泛應用於橋梁施工監控及運（yùn）營期間撓度（dù）的長期監測。

作（zuò）者（zhě） / 趙煜（yù）

作（zuò）者單位 / 長安大學