橋粱構件應力與結構安全直接(jiē)相關, 應力測試至關重要。通過測量應變再利(lì)用彈性模量換算為應力, 這一種方式應用普遍(biàn), 應變測試技術作為橋梁結構(gòu)施工監測、健康(kāng)監測, 荷載試驗的手(shǒu)段,在橋梁工程中使用(yòng)最多的應變傳感技術是電阻應變片,振弦弦應變計和光纖光(guāng)柵應(yīng)變計(jì)。
關(guān)鍵詞:橋梁荷載、應變測試、應變、應力
1.機械式應變測量方法
機械式應變測量已經(jīng)有很長的曆史,其主要利用百分表(biǎo)或千分表測量變形前後測試標距(jù)內(nèi)的距離(lí)變化(huà),從而得到構件測試標距內的平均應變。工程測量中使用的機(jī)械式(shì)應變(biàn)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(yào)優點是讀數直觀、環境適應能力(lì)強(qiáng)、可重複性(xìng)使用等。但需要人工讀數,費時費力、精度差,對於應變測點數量眾多的橋梁靜載試驗顯然不合(hé)適(shì)。因此,除了少數室內模型試驗的特殊需要,工程結(jié)構中很少使用。
2.電阻式應變測量方法
目前工程檢測(cè)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首次發現了可以利用惠斯通電(diàn)橋來測量電阻,奠定了應(yīng)變電測技術的基礎;William Thomson通過(guò)試(shì)驗驗證了金屬絲在應變作用(yòng)下(xià)其電阻(zǔ)會產生變化(huà),即應(yīng)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同時成功研發了電阻絲繞式紙基應變片,1938年粘貼式電阻應變(biàn)片正式誕生。至今(jīn)電阻應變片的種類已達兩萬多(duō)種。常用應變片外觀(guān)如圖所示。
應變電測法(fǎ)的主要優點是:應變片靈敏度高,尺寸小,容易粘貼牢固,易於實現數字化、自動(dòng)化測量等。但應變片電測法的缺點也很突出:橋(qiáo)梁靜載試驗往往要在幾米(mǐ)甚至數十米的高空(kōng)進行電阻(zǔ)應變(biàn)片的粘貼,操作不便,工作效率低,並且要求工(gōng)作人員具(jù)備一定的貼片技能;應變測量值受現場環境溫度、濕度影響很大,長時間(jiān)加載導致數據漂移過大,給後期分(fèn)析處理(lǐ)帶來極大困難;應變(biàn)片為一次性使用,無法重複(fù)利用(yòng)等。
3.光纖應變測量方法
光纖(xiān)傳(chuán)感技術的發展起源於20世(shì)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應用於鋼筋混凝土結構的檢測中,並(bìng)闡述了這一研究領域在實際應用中的一些基本構想。在(zài)此之後,英國、法國、加拿大、德國、日本等國家也紛紛將光纖傳(chuán)感技術應用於各種橋梁結構試驗檢測(cè)中。我國對光纖傳感技(jì)術的研究起源於20世紀90年代,同濟大學、東(dōng)南大學、重慶大學等多所高校先(xiān)後將光纖傳感技術應用於橋梁檢(jiǎn)測中,並且取(qǔ)得了良好的成效。光纖(xiān)傳(chuán)感器傳輸波長信息,波長不會由於光源的功率波動以及連(lián)接與耦合的損壞而受(shòu)到(dào)影響。因此,與一般應變測量設備相比,光纖傳感器具有抗電磁幹擾能力強、傳(chuán)輸(shū)距離遠、溫度適應性好、靈敏度高、信號失真小等許(xǔ)多優點。光纖傳感器原理及外觀示意如圖(tú)3所示。但是,由於傳感器的價格比較昂貴,因此在橋梁靜載試(shì)驗中鮮見使用。另外,近年來許(xǔ)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(jiū)。
4.振(zhèn)弦式應變測量方法
振弦式應變測量傳感(gǎn)器的研究起(qǐ)源於20世紀30年代,其工作(zuò)原理(lǐ)如(rú)下:鋼弦在一定的張(zhāng)力作用下具有固定的(de)自振頻率,當張力發生變化時其自振頻率也(yě)會隨之發生改變。當結構產生應變時,安裝在其上的振弦式傳感器內的(de)鋼弦張力(lì)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(zhí),能夠計算得出測點的應力變化值。振弦式傳感器外觀如圖(tú)5所示。
振弦式應變測量傳感器的優點是具有較強的抗幹(gàn)擾能(néng)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,傳感器結構相對簡(jiǎn)單(dān)、製作與安裝過程比較方(fāng)便。但是,由於工藝(yì)和材料原因,振弦式傳感(gǎn)器不可避免會產生鋼(gāng)弦鬆弛,從而引起測量誤(wù)差。鋼弦鬆(sōng)弛主要體現在兩個(gè)方(fāng)麵:一是鋼弦(xián)錨固端產生的鬆弛,二是(shì)鋼弦自身材(cái)料特(tè)性導致(zhì)的鬆弛。另一方麵,振弦(xián)式傳感器軸向剛度(dù)較大,不能采用粘貼式安裝方法,不適(shì)合荷載試驗應用,一般多用於橋梁施工(gōng)監控。