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)。
截至2017年底，我國(guó)公路橋梁83.25萬(wàn)座，比上年增加2.72萬(wàn)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(guó)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(jì)工程，也出現(xiàn)了蘇通大橋、西堠門(mén)大橋、滬通長(zhǎng)江大橋、虎門(mén)二橋等已建成和在建的單體超級(jí)橋梁工程，為我國(guó)從橋梁大國(guó)邁向橋梁強(qiáng)國(guó)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
為了檢驗(yàn)新建橋梁承載力是否符合設(shè)計(jì)要求，為橋梁竣工驗(yàn)收提供基礎(chǔ)資料,或者檢驗(yàn)在役舊橋承載力是否滿足目標(biāo)荷載要求，為在役橋梁維修、養(yǎng)護(hù)和加固決策提供依據(jù)，均需要對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。截至目前，橋梁荷載試驗(yàn)是唯一一種能夠準(zhǔn)確評(píng)定橋梁承載力的方法。依據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J02-01—2015），靜力荷載試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)包括應(yīng)變、變位、裂縫、傾角和索（桿），其中應(yīng)變和變位是主要測(cè)試內(nèi)容。應(yīng)變測(cè)試用傳感器包括引伸計(jì)、電阻應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變計(jì)或光纖光柵式應(yīng)變計(jì)等，以電阻應(yīng)變片的應(yīng)用最為廣泛。變位測(cè)試儀器主要包括機(jī)械式變位測(cè)試設(shè)備（千分表、百分表、連通管和撓度計(jì)）及電測(cè)設(shè)備（電測(cè)變形計(jì)、水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀、測(cè)距儀和機(jī)電百分表）等，以機(jī)電百分表和水準(zhǔn)儀最為常用。應(yīng)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(cè)試結(jié)果受環(huán)境影響很大，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差，特別對(duì)于加載歷程較長(zhǎng)的大橋荷載試驗(yàn)，其測(cè)試數(shù)值漂移較大，給后期數(shù)據(jù)分析和判斷帶來(lái)困難。用于撓度測(cè)試的百分表則需要搭設(shè)安裝支架，臨時(shí)設(shè)施需要耗費(fèi)大量人力物力，且無(wú)法在水上橋梁、通航（車(chē)）橋梁和高墩大跨橋梁應(yīng)用。水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器只能在橋面兩側(cè)進(jìn)行變形測(cè)試，無(wú)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(yīng)變及變形測(cè)量設(shè)備，改進(jìn)和解決目前荷載試驗(yàn)中存在的不足。本文在傳統(tǒng)應(yīng)變和變形測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，提出了新型應(yīng)變和變形測(cè)量方法，研發(fā)了相關(guān)儀器設(shè)備，有效推動(dòng)了我國(guó)橋梁荷載試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步。
應(yīng)變測(cè)試技術(shù)
傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)試方法
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(lái)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(guò)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(wàn)多種。常用應(yīng)變片外觀如圖1～2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(guò)大，給后期分析處理帶來(lái)極大困難；應(yīng)變片為一次性使用，無(wú)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3～4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(jiàn)使用。另外，近年來(lái)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(guò)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(guò)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(如圖6所示)。
應(yīng)變測(cè)試新技術(shù)
在橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)，如何減小應(yīng)變測(cè)試中的各種干擾因素，提高檢測(cè)效率和測(cè)量數(shù)據(jù)的可信度，是長(zhǎng)期以來(lái)工程師們一直在苦苦探索的問(wèn)題。長(zhǎng)安大學(xué)經(jīng)過(guò)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(yīng)變測(cè)量傳感器，成功地應(yīng)用在了多座橋梁的靜動(dòng)載試驗(yàn)中，有效地解決了橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)量時(shí)遇到的一系列問(wèn)題，特別是惡劣環(huán)境下的應(yīng)變測(cè)試問(wèn)題。
1.多用途電阻式應(yīng)變測(cè)量傳感器工作原理
連桿的一端與應(yīng)變傳感器相連接、另一端與支座相聯(lián)接，傳感器與應(yīng)變儀連接。使用時(shí)將傳感器和支座用膠粘貼在構(gòu)件上被測(cè)部位，當(dāng)構(gòu)件發(fā)生變形時(shí)，傳感器與支座間發(fā)生相對(duì)位移ΔL，則可推算出構(gòu)件被測(cè)部位的平均應(yīng)變值。為了測(cè)量ΔL，在傳感器內(nèi)部設(shè)計(jì)了雙懸臂梁結(jié)構(gòu)，梁表面粘貼若干枚高精度應(yīng)變片，組成了全橋電路，經(jīng)過(guò)封裝設(shè)計(jì)，就形成了如圖7所示傳感器。
2.技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用
該傳感器標(biāo)距可以根據(jù)需要選取，因此可用來(lái)測(cè)量石拱橋拱圈的應(yīng)變；可以組成應(yīng)變花，測(cè)量結(jié)構(gòu)平面應(yīng)變；可以跨裂縫粘貼，監(jiān)測(cè)裂縫的變化情況；可裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效地保證了其良好工作性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。多用途電阻式應(yīng)變傳感器應(yīng)用如圖8～11所示。
撓度測(cè)試技術(shù)
傳統(tǒng)撓度測(cè)試方法
1.機(jī)械式撓度測(cè)量方法
國(guó)內(nèi)外早期的撓度測(cè)量主要為機(jī)械式撓度測(cè)量方法，如百分表測(cè)量法。當(dāng)進(jìn)行橋梁撓度測(cè)量時(shí)，將百分表安裝在主梁結(jié)構(gòu)下緣待測(cè)部位。主梁發(fā)生豎向變形時(shí)，其撓度變化將直接反映在百分表的讀數(shù)上。百分表測(cè)量法設(shè)備簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，直接得到各測(cè)點(diǎn)的撓度值。百分表外觀如圖12所示，在結(jié)構(gòu)變形測(cè)量中的應(yīng)用如圖13、14所示。
百分表測(cè)量法在橋梁撓度測(cè)量中應(yīng)用的不足之處主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。采用百分表測(cè)量撓度時(shí)，需要在各測(cè)試截面搭設(shè)臨時(shí)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(shí)較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)使用具有一定的局限性；機(jī)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(chē)限界及橋下障礙物的影響，對(duì)跨線橋、跨越山谷、河流的橋梁無(wú)法采用百分表法進(jìn)行測(cè)量。
2.電阻式撓度測(cè)量方法
電阻式撓度測(cè)量方法是將電阻測(cè)量與變形測(cè)量相結(jié)合，將變形測(cè)試轉(zhuǎn)換為彎曲應(yīng)變測(cè)試，再利用應(yīng)變測(cè)試技術(shù)，實(shí)現(xiàn)撓度的測(cè)量。電阻式撓度儀常與機(jī)械式百分表相結(jié)合，形成機(jī)電式百分表，廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)變形測(cè)試中。機(jī)電百分表的突出優(yōu)點(diǎn)是既可直接進(jìn)行目視讀數(shù)，也可與應(yīng)變儀配合電測(cè)，進(jìn)行多點(diǎn)撓度的快速測(cè)量。機(jī)電百分表外觀如圖15所示。
3.激光式撓度測(cè)量方法
激光式撓度測(cè)量方法主要利用激光良好的方向性來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形測(cè)量。當(dāng)進(jìn)行橋梁變形測(cè)試時(shí)，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(guò)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(cè)結(jié)構(gòu)上,從激光器發(fā)出的準(zhǔn)直激光束照射在遠(yuǎn)處固定的半透射接收屏上形成一個(gè)圓形光斑。任一時(shí)刻,從CCD攝像機(jī)輸出的模擬視頻信號(hào)，經(jīng)圖像采集卡采集后可即時(shí)進(jìn)行處理，得到光斑在接收屏上的中心位置。被測(cè)結(jié)構(gòu)受外界環(huán)境的影響,沿豎向移動(dòng)了ΔY,由于激光器固定在被測(cè)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(guò)采集處理前后兩次的圖片,能夠計(jì)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(cè)點(diǎn)的撓度變化值。激光圖像撓度測(cè)量方法的原理如圖16所示。
激光撓度儀的特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸式測(cè)量，避免搭設(shè)支架等臨時(shí)工程。但是，激光撓度儀測(cè)試距離不太遠(yuǎn)，精度較差，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形較小時(shí)精度難以保證。
4.水準(zhǔn)式撓度測(cè)量方法
水準(zhǔn)式撓度測(cè)量主要借助水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量。水準(zhǔn)儀由望遠(yuǎn)鏡、水準(zhǔn)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(zhǔn)水準(zhǔn)尺進(jìn)行讀數(shù)。其測(cè)量示意如圖17所示。
由于水準(zhǔn)測(cè)量法原理和儀器構(gòu)造要求,只能在橋面進(jìn)行撓度測(cè)量。橋梁靜載試驗(yàn)時(shí),受加載車(chē)輛布載影響，一般只能沿橋梁兩側(cè)縱橋向布置測(cè)點(diǎn)。受測(cè)量距離和測(cè)點(diǎn)影響,測(cè)試精度較差,效率不高,無(wú)法測(cè)量橫橋向多片主梁的撓度值,也就無(wú)法得到橋梁橫向撓度分布特征。因此,水準(zhǔn)法一般僅用橋下無(wú)法安裝撓度測(cè)點(diǎn)的情況,其應(yīng)用受到限制。
5.其他撓度測(cè)量方法
長(zhǎng)安大學(xué)研發(fā)的QY型撓度測(cè)試系統(tǒng),通過(guò)測(cè)量分布在橋梁各測(cè)點(diǎn)的傾角值，經(jīng)過(guò)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(wú)源伺服技術(shù),構(gòu)成高靈敏度抗振動(dòng)干擾的傾角測(cè)量?jī)x器。
該撓度測(cè)量方法克服了以往橋梁撓度測(cè)量方法的不足，不僅適用于簡(jiǎn)支梁和靜載情形，也適用于連續(xù)梁和動(dòng)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(cè)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(shí)驗(yàn)室對(duì)比測(cè)量表明，該方法的精度滿足工程要求。該撓度計(jì)外觀及應(yīng)用如圖18～19所示。
撓度測(cè)試新技術(shù)
1.基于圖像的遠(yuǎn)距離撓度測(cè)量方法
①單目視覺(jué)測(cè)量基本原理
單目視覺(jué)測(cè)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(cè)量的物體表面反射的光線,經(jīng)過(guò)一個(gè)針孔投射到成像平面上，物像點(diǎn)的大地實(shí)際坐標(biāo)（x，y，z）和對(duì)應(yīng)的相機(jī)成像面的坐標(biāo)在幾何光路中構(gòu)成一定的關(guān)系，實(shí)際的坐標(biāo)經(jīng)過(guò)一步的旋轉(zhuǎn)和一步的平移,可以得到其在相機(jī)平面的坐標(biāo)。
②撓度測(cè)量系統(tǒng)方案
該系統(tǒng)主要由工業(yè)CCD、長(zhǎng)焦鏡頭、標(biāo)靶和軟件系統(tǒng)組成。當(dāng)安裝在橋梁上的標(biāo)靶產(chǎn)生豎向位移時(shí)，工業(yè)CCD和長(zhǎng)焦鏡頭高頻采集標(biāo)靶上的數(shù)字化圖像，計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行同步處理，計(jì)算出圖像中標(biāo)靶中心坐標(biāo)的位移。由于已知標(biāo)靶中心點(diǎn)的實(shí)際距離和實(shí)際坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算采集的圖像標(biāo)志點(diǎn)的像素距離，得到像素距離和實(shí)際距離的轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而將測(cè)量得到的標(biāo)志點(diǎn)的像素位移轉(zhuǎn)換為實(shí)際距離。其轉(zhuǎn)化關(guān)系如下：
轉(zhuǎn)換參數(shù)（mm/pixel）=實(shí)際距離（mm）/像素距離（pixel）
通過(guò)換算就可以得到標(biāo)靶的實(shí)際位移，從而得到橋梁的撓度變化值。經(jīng)過(guò)后續(xù)處理能夠觀測(cè)待測(cè)點(diǎn)的靜態(tài)位移和動(dòng)態(tài)位移，觀測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和曲線。單個(gè)待測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)原理示意如圖21所示。
③技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用
基于圖像的遠(yuǎn)距離撓度測(cè)量系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：1)精度高，10米的距離測(cè)試精度可達(dá)0.01mm；2)可實(shí)現(xiàn)無(wú)靶標(biāo)測(cè)量；3)測(cè)試距離遠(yuǎn),可達(dá)到300米以上；4) 適用范圍廣,大中小型橋梁均可進(jìn)行測(cè)量；5)測(cè)試方法簡(jiǎn)單,方便快捷,易于掌握；6)實(shí)現(xiàn)30～100HZ的高頻測(cè)試，消除工業(yè)CCD自身的抖動(dòng)、環(huán)境波動(dòng)產(chǎn)生的誤差等。測(cè)試系統(tǒng)在橋梁縱、橫向撓度測(cè)試中的應(yīng)用如圖22～23所示。
本文主要對(duì)橋梁荷載試驗(yàn)中的應(yīng)變與變形測(cè)試方法進(jìn)行了分析,針對(duì)荷載試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)試中存在的問(wèn)題與不足,研發(fā)了一種新型多用途應(yīng)變測(cè)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(fù)使用等突出優(yōu)點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)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(yīng)變測(cè)試,也可應(yīng)用于裂縫監(jiān)測(cè)及微小位移監(jiān)測(cè)。
此外，本文還提出了一種基于圖像法的遠(yuǎn)距離撓度測(cè)試系統(tǒng)，具有遠(yuǎn)距離、非接觸、精度高、多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量等突出優(yōu)點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)橋梁的遠(yuǎn)距離靜、動(dòng)態(tài)撓度測(cè)量，提高了撓度測(cè)試效率，可廣泛應(yīng)用于橋梁施工監(jiān)控及運(yùn)營(yíng)期間撓度的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
作者 / 趙煜
作者單位 / 長(zhǎng)安大學(xué)
