桥梁荷载试验中的测试新技术

桥梁荷载试验中的测试新技术

曾向往 1 周灵均 2

1. 湖北省城建设计院股份有限公司 湖北 武汉 430051

2.华中科技大学 湖北 武汉 430074

摘要：随着经济的飞速发展，道路桥梁的建设得到极大发展。为了保障桥梁工程在服役期间的安全性和可靠性，需依据相应标准对桥梁的力学性能进行检测、评估，荷载试验是一种十分常见的桥梁检测手段。本文主要分析桥梁荷载试验中的测试新技术。

关键词：桥梁；荷载试验；新技术

1、桥梁荷载试验对象的选定

(1)桥梁在建时丢失了相关的设计或施工数据资料，无法判定工程能否满足预先设计的要求;(2)桥梁的建设和竣工验收没有出现问题，但在实际的使用过程中出现了损伤其承载能力的、性质十分严重的意外伤害;(3)桥梁的建设质量和使用效果俱佳，但是有关单位想要在可实现的范围内提高该桥梁的承载能力。除了质量问题和主观因素之外，一些进行过修复作业、固化或改进措施的桥梁也需要进行荷载试验的检测。

2、静载试验情况详解

( 1) 了解试验对象；在满足了选出合适的试验内力或外观检测时能够将位移控制好这两个条件之后， 选择荷载试验孔的试验对象务必符合这些特征: 工程建设的施工质量不达标、建设成品存在许多问题、出现过性质恶劣的伤害、受力计算不能正常完成等。( 2) 确定试验荷载数值；桥梁结构的设计或期望荷载时控制截面出现的内力最不利组合值即为对应截面的控制荷载; 计算该数值还可以得到本截面的荷载内力影响线。荷载试验中，选用荷载必须与控制荷载在类型上保持一致， 充分考虑内力对该结构最不利布载的影响之后才能计算试验荷载的数值。此外，试验荷载在该桥梁结构的主要控制截面上所产生的效果要和设计荷载效果尽可能保持一致， 这样可以进一步确保荷载试验的效果。是否一致可用试验荷载效率的系数进行检查。( 3) 静载试验结果分析与评价；需测桥梁在某处测点的静载实测值与理论值之间的比值是静载试验的主要评价指标， 我们通常称之为校验系数， 该系数一般以“1”作为衡量标准:等于“1”表示该桥梁的实测值与理论值完全符合， 小于“1”表示该桥梁结构的使用性能好， 大于“1”则说明该桥梁在结构上不具备应有的使用性能。

一般情况下只做静载试验，必要时增做部分动载试验。

3、应变测试新技术

桥梁荷载试验中，如何减少变形试验中的各种干扰，提高检测效率和测量数据的可信度，这是一个长期以来工程师们一直在高度关注的问题。经过多年的技术研究，多用途应变测量传感器在多座桥梁静载试验中得到了成功的应用，有效解决了桥梁静载试验中，尤其是恶劣环境下的应变试验中出现的一系列应变测量问题。

3.1多用途电阻式应变测量传感器工作原理

连杆一端与应变片连接，另一端与支架连接，传感器与应变片连接。使用时，用胶水将传感器和支架粘贴到被测部位，当元件发生变形时，传感器和支架之间会发生相对位移ΔL，则可推算出元件被测部位的平均变形值。为测量ΔL，传感器内部设计了双悬臂梁结构，梁表面粘贴若干枚高精度应变片，组成了全桥电路，经过封装设计，就形成了如图1所示传感器。

1-四芯插座；2-传感器；3-连杆（可拆装）；4-限动螺钉；5-支座；6-被测构件图7传感器工作原理示意

3.2技术特点及应用

该传感器可根据需要选择，可用于测量平面或者曲面变形；可以形成应变仪，测量结构的平面应变；可插入裂缝之间，控制裂缝变化；预制结构设计有效保证了其良好工作性能的长期稳定性。

4、挠度测试技术

4.1传统的测试技术

从传统挠度测量方法来看，第一，机械式挠度测量法。机械式挠度测量法是国内外早期采用的挠度测量方法，比如采用百分表进行测量，在桥梁挠度测量过程中需要在主梁结构下缘待测位置安装百分表，一旦主梁出现竖向变形挠度变化，将会反映在百分表的数值中，该方法设备简单，而且能够获取稳定可靠的测量结果，实现多点测量，直接获得各个测量位置的挠度值。不足之处在于采用百分表测量法存在安装流程复杂，耗时长，且只能够通过人工读数，很容易受天气、行车及周边环境（如铁路界限）等因素的影响；对于跨越山谷、河流的桥梁来说极难采用该方法进行挠度测量。第二，电阻式挠度测量。该方法是将变形测量与电阻测量进行融合，进一步将变形转为弯曲应变的测试，利用应变测试技术以实现挠度测量。电阻式挠度仪与机械式百分表进行融合，可用于结构变形的测试，实现目视读数，同时也可配合应变仪实现多点挠度快速测量。

4.2挠度测量的新技术

挠度测量的新技术即单目视觉测量。单目视觉测量系统是利用中心透射投影原理，被测物体方面产生光线，可经过一个针孔将其透视到成像平面中，物像点的大地实际坐标和对应相机成像坐标，可以在几何光路构成一定联系，实际坐标可通过旋转平移获得在相机坐标中的平面坐标。从挠度测量系统的方案来看，该系统是由长焦镜头、软件、标靶和CCD共同构成，在桥梁上安装标靶形成竖向位移后，长焦镜头和CCD能够采集标靶的数字化图像，由计算机进行图像同步处理，计算其图像中标靶坐标位移，由已知中心点距离坐标通过计算采集图像标识点距离，进一步获得像素距离和实际距离的参数，将测量获得的标识点像素位移转为实际距离，通过换算获得标靶实际位移，可得到桥梁挠度变化值。经过数据后续处理能够观测待测点静态动态位移的实时数据和曲线。

从该技术的应用来看，首先，基于图像远距离挠度测量系统具有较高的测量精度，比如对于10m测距离测试精度能够达到0.01mm。其次可实现无靶标测量和远距离测试，一般测试距离可达到300m以上，具有较广的适用范围，对于不同施工规模的桥梁来说均可采用该方法进行测量。最后，整体测试方法简单便捷，易于获取数据，能够实现30~100赫兹高频测试，以减少工业CCD本身抖动和环境波动产生误差值，在桥梁纵向横向挠度测试中均可采用这种测试系统。

4.3技术优点及应用

基于图像的远距离挠度测量系统具有以下突出优点：1）精度高，10 米的距离测试精度可达 0.01mm；2）可实现无靶标测量；3）测试距离远，可达到 300 米以上；4）适用范围广，大中小型桥梁均可进行测量；5）测试方法简单，方便快捷，易于掌握；6）实现 30～100HZ 的高频测试，消除工业 CCD 自身的抖动以及环境波动产生的误差等。

结束语

(1) 本文主要对桥梁荷载试验中的应变和应变测试方法进行了分析，针对荷载试验中应变测试存在的问题和不足，提出了一种新型多用途应变测量传感器，该传感器具有精度高、稳定性好、对环境影响小、安装方便等突出优点；(2)本文还提出了一种基于图像法的长距离挠度测试技术，该技术具有距离、非接触性、高精度和多点测量等突出优点，可以实现长距离桥梁静动态挠度的测量，提高挠度测试效率，可广泛应用于桥梁施工监控和运行期间挠度的长期监测。

参考文献

[1]周海俊，吴永昌，谭也平，等.桥梁荷载试验研究综述［J］.中外公路，2015，28（4）：164-166.

[2]谌润水，刘群安.公路桥梁荷载试验的作用与基本原则［J］.公路交通科技，2016，10（5）：6-9.