探百变之神器——浅谈桥梁应变测试新技术及工程应用

应变是指结构在外力作用下的相对变形，是掌握结构力学性能及判断结构承载力的重要指标，在土木工程、机械制造、航空航天等多种学科的力学性能测试中广泛应用。在桥梁工程领域，为了掌握新建桥梁或者运营桥梁的实际承载力，判断其是否达到设计荷载或目标荷载要求，通常需要采用荷载试验的方法，对桥梁的承载力进行鉴定。此时，应变测试就是一项主要测试内容。桥梁荷载试验中的应变测试一般是通过在桥梁控制截面安装应变传感器(多采用电阻应变片)，然后通过对比加载前后的应变变化，获得结构承受活荷载的能力。再通过试验荷载与设计(目标)荷载的对比，反映桥梁承载力的状况。由于电阻应变片一般需要直接粘贴在构件被检测部位，常需高空操作,操作不便且效率低下。野外测试中，随着桥梁跨径的增大，试验加载车辆数量的增多，导致加载历程时间较长，应变片受环境影响很大，经常出现数值漂移过大的问题。由于应变测量数值不稳定，经常导致结果不可用。

因此，如何减小应变测试中的各种干扰因素，提高检测效率和测量数据的可信度，降低检测成本，是长期以来技术人员一直努力探索的问题。本文在传统应变测试方法的基础上，提出了一种基于双悬臂梁工作特性的可装配式应变测量传感器，大幅提高了现场检测的工作效率和应变测量数据的可靠性。

常用应变测试技术的分析与比较

常用应变测试技术主要包括机械式、电阻式、振旋式、光纤式四种应变测量方法。

机械式应变测量装置一般将千分表与百分表等与顶杆等连接构造组合在一起，为一种组合式应变测量装置。该方法虽然读数直观、构造简便，但其读数耗时耗力，且精度较低，一般仅用在实验室测试中。常用机械式应变测量装置测试原理及应用示意如图1所示。

图1 机械式应变测量装置示意图

振弦式应变测量方法是基于张紧弦振动频率与张力之间的关系而进行的结构应变测试方法。该测量方法具有结构简单、安装方便、抗干扰能力强、信号失真小等优点。基于该原理研发的应变计、锚索计等，广泛应用在桥梁施工监控与健康监测的应变、力值测试。根据其测量方法可知，张紧的钢弦需要可靠固定在外部结构（钢壳）上，当钢壳产生应变，才能带动并引起钢弦振动频率变化。因此，必须保证钢壳与被测结构的可靠锚固。对于大多混凝土和钢结构桥梁，荷载试验均采用粘贴工艺，而振弦式传感器钢壳轴向刚度极大，当采用粘贴工艺时，不能保证传感器与被测结构的协同变形，导致数据偏小失真。因此，除非采用焊接或锚栓等可靠锚固措施，否则该类传感器则不建议应用在桥梁荷载试验中。

图2 振弦式应变测量传感器示意图

光纤式应变测量方法具有抗电磁干扰能力强、传输距离远、温度适应性好、灵敏度高、信号失真小等诸多优点，理论上其稳定性要显著高于前两种方法。但由于其价格较高，光纤传感器的使用、安装及传输较为复杂，一般仅用于桥梁长期监测中，并不适合与桥梁荷载试验这种相对应变的快速测试中。光纤传感器示意见图3。

图3 光纤传感器示意图

电阻式应变测量方法因其灵敏度高、易于实现数字化及自动化、测试费用低等优点得到了广泛使用。桥梁荷载试验中经常采用电阻应变片进行单向应变和平面应变测试。由于实验中测点众多，通常采用半桥连接方法，即采用温度的公共补偿方式。因野外试验环境恶劣，受温度、湿度以及其他自然因素和人为因素影响大；随着桥梁跨径增大，需要的试验加载车辆也增多，车辆加载、卸载历程随之也较长，会使应变数据出现较大的漂移，掩盖了应变真值，导致测试结果无法使用。因此，如何提高电阻式应变测试方法的稳定性和抗干扰能力，是该方法改进和进一步推广应用的前提。电阻应变片构造如图4所示。

图4 电阻应变片示意图

常用的四类应变测试技术的分析与比较如表1所示。

综合以上分析并结合桥梁荷载试验的特点和要求，机械式、振弦式、光纤光栅式应变传感器（装置）等均不适合荷载试验应用。电阻式应变测量具有精度高、灵敏度高、使用方便的优点，但是重点需要克服其稳定性差、受环境影响大的缺点。因此，本文基于电阻式测量原理，提出一种新的应变测试技术，研发出了多用途应变测量传感器。基于特殊的技术措施，攻克了电阻应变片测量中的缺陷，可适应各种不同应变量程需求，满足桥梁及其他结构野外测试的要求。

应变测试的创新之举

技术原理

新型多用途应变测量传感器是基于电阻式应变测量技术研发而成的。新型传感器的核心元件为双悬臂构造、全桥电路，从根本上提升了其测试效果。因双悬臂梁端部在产生微小挠度时近似平动（梁端在外力作用下其端部转角很小，可以忽略不计），从而保证了传感器输入与输出的线性关系，从理论上避免了梁在小挠度下附加弯矩引起的非线性结果。而且双悬臂梁抗扭刚度显著增大，梁截面弯矩较同尺寸单悬臂梁增大一倍，极大地增加了传感器的稳定性，提高了传感器的输出灵敏度。

图5 双悬臂梁构造示意图

传统电阻式应变测量技术多为四分之一桥或半桥电路，测试灵敏度较低。新型传感器在内部双悬臂梁表面粘贴诺干枚高精度应变片组成全桥电路，一方面使测试灵敏度达到四分之一桥的四倍，半桥的两倍，极大增加了测试效果；另一方面将电路集合在传感器，省去了复杂的贴片与接线工作。

图6 全桥电路示意图

新型传感器问世

根据以上技术原理，某科研团队研发了新型多用途应变测量传感器。该传感器主要由传感器、连杆、支座三个部分构成，连杆的一端与应变传感器相连，另一端则连接支座。使用时将传感器和支座用胶粘贴在构件被测部位，当构件发生变形时，传感器与支座之间会产生相对位移ΔL，通过标定系数，从而可以直接得到被测部位的平均应变值。新型多用途应变测量传感器的构造如图7所示，外观示意如图8所示。

图7 传感器构造示意图

图8 新型多用途应变测量传感器外观示意图

传感器内部的双悬臂梁上粘贴一组高精度传感器专用应变片，组成全桥电路。桥路温度补偿和多重防护措施，有效地降低了温度影响，提高传感器稳定性。新型应变测量传感器具有如下主要技术特征：

（1）精度高，量程大。该传感器灵敏度高，且根据连杆长度不同，可提供不同量程，满足各类结构的测试需要。它不仅可以用于一般混凝土、钢结构表面应变测试，还可以用于圬工结构表面平均应变测试、跨裂缝测试、微小变位测试等。

（2）数据可靠，稳定性好。传感器内设温度自补偿及桥路补偿，并加装衬套隔热措施与多层防潮措施，以减小环境对测值稳定性的影响。试验表明，该传感器良好的稳定和绝缘特性，适应各类环境测试，环境越恶劣，该传感器的优势越明显。

（3）可装配式结构设计，安装使用方便。该传感器无需结构表面打磨、焊线等复杂操作，安装方便快捷，工作效率高，且可以反复使用。

（4）多种工作模式，扩展性强。该传感器不仅可以通过调整连杆长度满足不同量程的单向应变测试需要，还可以自由组合形成应变花，实现平面应变测试。优良的结构设计还能够实现各类建筑结构的动态应变测试。

无线应变测量传感器研发

为了提高桥梁荷载试验效率，减少测试布线和采集设备及辅助设备的使用，在多用途应变测量传感器基础上，研究团队将单通道应变采集仪与传感器巧妙结合在一起，形成无线应变测量传感器，如图9所示。

图9 无线应变测量传感器构造示意图

无线应变测量传感器采用无线方式传输数字信号，不需要连接导线，省去应变仪等大型设备；内置高精度低温漂调理电路和桥路供电电路，实现静态、动态应变数据采集，可以消除长电缆传输模拟信号带来的噪声和干扰；具有稳定性能好、功耗低、温漂小、测试距离远（>300m）、连续测试时间长（>30h）、自动休眠和唤醒等特殊优点，大大提高了测试效率和测试的体验感，对于难以布线的大型桥梁的静动态应变测试具有独特的优势。

应用特征

新型应变测量传感器不仅可以广泛应用于公路、铁路、市政等桥梁荷载试验，亦能用于土木建筑、水利水电、材料、机械、航空航天等领域，实现静动态应变的高精度、高稳定性和高可靠性测试。根据其在桥梁荷载试验中的应用，其使用方向和特征如下：

（1）单向应变测试。适用于桥梁结构测试截面不同部位的纵向、横向应变测试，结构表面仅需简单除去浮灰，便可实现传感器与结构的可靠粘接。极小的轴向刚度和极高的灵敏性，使其具有极高的测试精度和可靠性，且安装方便，测试效率高，如图10、11所示。

图10 单向应变测试

图11 钢塔模型应变测试

（2）多向应变测试。通过特殊设计的多向支座，单向应变计可方便地组合形成不同角度的应变花，实现桥梁结构复杂应力状态下的平面应变测试，特别适合桥梁剪弯区的主拉（主压）应变测试，如图12所示。

图12 多向应变测试

（3）大应变测试。该传感器可以通过改变连接杆长度，实现应变量程的变化。80mm标距时，应变量程为3000με；130mm标距时，其应变量程可达6000με，且可以自由扩展。基于该设计特征，该传感器不仅可以应用于预应力混凝土、钢结构表面应变测试，还可用于圬工结构、跨裂缝混凝土结构、墩台微小位移等大应变以及小位移的高精度测试，如图13-15所示。

图13 圬工结构应变测试

图14 拱脚水平变位测试

图15 吊杆伸长量测试

本文主要探讨以下几方面内容：

（1）通过对常用应变测试方法的分析，总结四类应变测量技术在桥梁荷载试验应用中的特点和局限性，提出了桥梁荷载试验中应变测试的典型特征和需求，指出了新型应变测试技术在桥梁测试中的发展方向。

（2）提出了桥梁应变测试新技术，研发了基于电阻应变测量原理的多用途可装配式应变测量传感器，可用于结构表面单向应变、平面应变测试。该传感器具有测试精度高、稳定性好、灵敏度高、量程大且可扩展、重量轻、安装拆卸方便、操作简便、工作效率高等诸多优点，特别适应于野外桥梁荷载试验的应变测量，且环境越恶劣，该传感器的优势越突出。

（3）新型应变测试传感器特殊的构造设计，不仅可以应用于单向、多向应变测试，还可以用于圬工结构表面平均应变测试、跨裂缝平均应变测试、微小位移测试、建筑结构动态应变测试等。

（4）无线应变测量传感器将单通道采集仪与传感器结合，采用无线传输方式，避免了连接导线带来的麻烦，测试结果可靠，安装、测试方便快捷，具有广泛的应用前景。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志

2021年 第2期 总第14期

作者 / 赵煜

作者单位 / 长安大学

编辑 / 陈晖

美编 / 赵雯

责编 / 周洋

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

联系人：李天颖

联系邮箱：xmt@bridgecn.org

联系电话：13552183635

联系人：黎伯阳

联系邮箱：xmt@bridgecn.org

联系电话：010-64282959-503 18601025686

稿件投递

联系人：裴小吟

联系邮箱：xmt@bridgecn.org

喜欢请转发吧！

原创稿件，转载请标明出处