市政橋梁培訓之橋梁荷載試驗應力測試技術

1、市政橋梁培訓橋梁荷載試驗 福州大學土木工程實驗教學中心 林友勤橋梁荷載試驗第一章 應力測試技術第二章 橋梁振動測試技術 應力測試主要內容：1-1 概述1-2 機測法1-3 光測法1-4 電測法 一、鋼振弦傳感器及斜拉橋索力測量 二、電阻應變式傳感器1-5 應變數據處理應力應變轉換關系1-6 利用動應變或動撓度測量橋梁沖擊系數1-1 概述 根據應力與應變之間的轉換關系，通過測結構或構件表面、內部應變來得到結構或構件的應力狀態(tài)。 鋼材的拉伸試驗中，在其屈服之前，其應力應變之間存在著線性關系 我們就可以通過測應變來測應力，而應變測試方法比較簡單，因為根據應變的定義： 1-1

2、概述應變的定義：式中： 應變 測區(qū)長度的變化量 測區(qū)的原始長度，稱之為標距 1-1 概述如在機測中，將 放大后測量；在光測中，將 變化轉換光波長的變化；在電測法，將其轉換為電的某些特性的變化并放大后測量；如在電阻應變測試技術中，將 轉換為傳感元件的電阻并進一步轉換為電壓的變化等等。 1-1 概述應變測試的主要方法：機測法光測法電測法 1-2 機測法 定義： 利用機械式測試儀器來實現對應變的測量 常用儀器： 手持式應變儀 接觸式應變儀手持式應變儀 手持式應變儀 接觸式應變儀 千分表 千分表 構造： 千分表由測桿、齒輪、彈簧、指針和度盤等各種零部件組合而形成四個機構：傳感機構（千分表中的觸桿）轉換

3、機構（千分表中的大小齒輪及彈簧）指示機構（千分表中的指針）機體和保護部分工作原理及特點機測法工作原理：將測區(qū)長度的變化通過千分表的測桿傳遞給一組齒輪，通過齒輪將長度的變化進行放大并改變方向，轉換為指針在刻度盤上的轉動并指示，進而計算出應變值。機測法特點：安裝便捷，讀數方便、準確度高、對環(huán)境的適應性強即一般不受溫濕度影響以及電磁場的干擾、性能可靠，但靈敏度不高、需要人工測讀、速度慢、工作量大。 1-3 光測法 定義： 利用光的某些特性如波長的變化與應變之間的轉換關系，通過測量光波長的變化來實現對應變的測量 傳感器：光纖布拉格光柵傳感器 （fiber optic Bragg grating str

4、ain sensor） 表面式光纖應變傳感器內埋式光纖應變傳感器表面式溫度光纖傳感器內埋式光纖溫度傳感器1-3 光纖布拉格光柵傳感器 構造：光纖、布拉格光柵組成 1-3 光纖布拉格光柵傳感器 工作原理：式中： 光纖光柵的中心波長 纖芯的有效折射率 光柵周期。 1-3 光纖布拉格光柵傳感器 結構應變勢必導致光柵周期的變化這為采用光纖布拉格光柵制成光纖應變傳感器提供了最基本的物理特性。同樣溫度變化也會引起光柵布拉格波長的變化。波長的變化與應變以及溫度的變化可用下式來表示： 1-3 光纖布拉格光柵傳感器 式中： 應變以及溫度變化引起的波長變化 光纖光柵不受應變及溫度變化的中心波長 待測應變 為溫度變

5、化量 光纖光柵應變傳感靈敏度系數 光纖光柵溫度傳感靈敏度系數。 可采用相同溫度環(huán)境下的光纖光柵進行溫度補償。 1-3 光纖布拉格光柵傳感器 特點：光纖傳感器是90年代出現的一種用于觀測應力、應變、溫度以及內部裂縫、變形等結構參數的新型傳感器。高精度高靈敏度遠距離分布式耐久性光纖的小巧、柔軟、不易拉斷抗電磁干擾能力強集傳感與傳輸于一體易于制作和埋入結構內部而且物理截面和力學強度小，在粘貼或嵌入到主體中不會對其性能和結構造成影響。 1-4 電測法 電測法：利用電的某些特性如電阻、電流、電壓、頻率等的變化與結構應變之間的轉換關系來測定結構的應變。主要有鋼振弦式與電阻式及電渦流式 一、振弦式傳感器利用

6、固定在結構上的鋼弦振動頻率與結構應變之間的轉換關系，通過測量鋼弦的振動頻率來實現對應變的測量。構造：由夾塊、振弦、永久磁鐵、線圈等組成。一般有埋入式與外置式，主要產品有德國麥哈克、法國德來馬克、美國基康等以及中國丹東傳感器廠生產。 1-4 電測法鋼弦式傳感器 1-4 電測法鋼弦式傳感器 工作原理：利用鋼弦自振頻率與鋼弦應變之間存在一定關系，通過測鋼弦的頻率來測應變。式中： 鋼弦自振頻率 鋼弦長度 待測應變 鋼弦彈模 鋼弦材料常數 1-4 電測法鋼弦式傳感器 1-4 電測法鋼弦式傳感器 應力監(jiān)測1-4 電測法鋼弦式傳感器 特點：結構簡單、制作方便、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強及遠距離傳輸誤差小等優(yōu)點，

7、近年來得到廣泛應用，特別是應用于施工應力監(jiān)控中。缺點是價格昂貴。 理想弦的振動方程在斜拉索索力測試中的運用目前測量索力的方法主要有：壓力表測定法、壓力傳感器測定法（應變式或振弦式）、鋼索測力儀法、振動頻率法、磁通量法、電阻應變片測試法等，顯然除了振動頻率法外其它方法均無法應用于成索的索力測試。 理想弦的振動方程T是索的張力（N）；m是索的線密度（kg/m）；L是索的計算長度（m）；fn是索的第n階振動頻率（Hz）；索的振動方程弦振動的頻譜圖呈倍頻關系利用基頻（或頻差）計算弦的張力f為理想頻率段內的各階頻率差的平均值 思考題：下圖為索的振動頻譜圖，其基頻是多少？G15高速公路青洲閩江大橋，主跨6

8、05米楊浦大橋，主跨603米晉江大橋晉江大橋晉江大橋施工監(jiān)控晉江大橋施工監(jiān)控索力監(jiān)測晉江大橋荷載試驗莆田木蘭溪特大橋荷載試驗木蘭溪大橋工程是荔港大道的關鍵工程。全長860米，左岸引橋長240米；右岸引橋長240米。其中，主橋跨徑為40+50+2100+50+40米的獨塔單索面自錨式懸索橋，全長364米；加勁梁為六孔一聯(lián)預應力混凝土結構，采用單箱三室截面，梁高3.5米，橋梁全寬37.5米；主塔處墩塔梁固結，其余橋墩均采用活動支座；全橋布置一根主纜，置于梁中央，主纜直接錨固于梁體；形成塔、梁、索的受力體系。引橋為430米跨徑預應力混凝土連續(xù)梁橋。設計荷載為城A級。 莆田市木蘭溪大橋莆田市木蘭溪大橋

9、莆田市木蘭溪大橋通車前福州鼓山大橋鼓山大橋吊桿力測試鼓山大橋吊桿力測試恒載下某一吊桿頻譜圖試驗荷載下某一吊桿頻譜圖福州市解放大橋福州市解放大橋福州市解放大橋福州市解放大橋利用振動法測量斜拉索索力的影響因素利用理想弦的振動方程計算斜拉索索力有一定的誤差，主要是因為斜拉索索力不僅跟索的長度、線密度、振動頻率有關，還跟索的剛度及垂度有關。Tension adjusterHammerAccelerometerPoint 1L/8CableBottom anchorTop anchorWallLoad cellPoint 2L/4Point 3L/2HammerAccelerometerAmplifie

10、rData acquisition PC Matlab 斜拉索索力實驗研究斜拉索索力實驗研究斜拉索索力實驗研究斜拉索索力實驗研究壓電式傳感器1-4電測法電渦流式組成 探頭、延伸電纜、前置器、被測體特點 非接觸式、靜態(tài)、動態(tài)、高線性、高分辯率原理 前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產生交變的磁場。如果在這一交變磁場的有效范圍內沒有金屬材料靠近，則這一磁場能量會全部損失；當有被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產生感應電流，電磁學上稱之為電渦流。與此同時該電渦流場也產生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的

11、有效阻抗），這一變化與金屬體磁導率、電導率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率、探頭頭部線圈到金屬導體表面的距離等參數有關。1-4電測法電渦流式1-4電測法電渦流式工作過程 被測金屬與探頭之間的距離變化線圈的有效阻抗的變化振蕩電壓幅度的變化經過檢波、濾波、線性補償、放大歸一輸出電壓的變化FS8000系列電渦流式位移計電渦流式-探頭電測法電渦流式-前置器電測法電渦流式-應用混凝土試件收縮實驗探頭安裝-非接觸電渦流式-應用IMP電壓信號采集板數據實時監(jiān)測1-4 電測法電阻應變測試技術 電阻應變測試技術的基本原理通過粘貼在結構表面上的傳感元件（電阻應變片）把所測的結構應變轉換為電阻的變化，再通過橋路

12、、儀器把電阻的變化轉換為電壓的變化并加以放大，由顯示器顯示出應變值。工作框圖：1-4 電測法電阻應變測試技術 電阻應變測試技術的優(yōu)點：靈敏度高，可測到1個微應變；標距小，箔式應變片最小標距可達0.2mm，可測點應力，用于應力集中測試；可遠距離測試；可測動、測靜；通過應變測量可轉換為測力（軸力、彎矩、扭矩、剪力）、位移等；1-4 電測法電阻應變測試技術 缺點：測表面應力準確度高，測內部應力需要一定技術；測應力集中不準確；測量系統(tǒng)線路多、易干攏，易受環(huán)境（溫度、濕度、電磁場）干攏； 1-4 電測法電阻應變片 電阻應變片的構造： 電阻應變片由三個部份組成：基底（紙張、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺等膠

13、膜）敏感柵或電阻絲柵（康銅、鎳、鉻等特殊材料制成）引出線 基底起到保護及固定敏感柵的作用，敏感柵或電阻絲柵直接感受結構變形并將結構變形轉換為電阻變化，引出線連結到測量橋路上； 1-4電測法 電阻應變片 1-4 電測法電阻應變片 1-4電測法電阻應變片 電阻應變片的工作原理： 利用電阻絲的應變效應，所謂電阻絲的應變效應指的是電阻絲的電阻值隨其本身應變（伸長或縮短）而改變的一種物理性質。 1-4 電測法電阻應變片 通過數學分析，對R求微分得：由材料力學可知：整理得：令： Ks 電阻絲的靈敏系數1-4 電測法電阻應變片 由于電阻應變片是由電阻絲按一定規(guī)格撓制而成的，因此電阻應變片同樣有如下的電阻變化

14、率與應變的關系：其中K為電阻應變片靈敏系數，一般的電阻應變片的靈敏系數比電阻絲的靈敏系數來得小。 1-4 電測法電阻應變片 應變片類型 1.繞絲式應變片（U式） 構造：由電阻絲撓制而成，根據基底材料的不同可分為紙基、膠基 特點：制作簡單、價格便宜、紙基易受潮、橫向靈敏度大 1-4 電測法電阻應變片 應變片類型 2. 短接式應變片繞絲式的改進（H式） 構造：縱橫向電阻絲通過點焊連接 特點：橫向靈敏度小、焊點易脫落，不適用于動測 1-4 電測法電阻應變片 應變片類型 3.箔式應變片短接式應變片的改進 構造：敏感柵由很薄的金屬箔片采用光刻技術制成，彎頭截面大 1-4 電測法電阻應變片 箔式應變片的特

15、點: 敏感柵截面為矩形，較圓斷面大，粘合面積大不易脫落，傳遞應變較絲式好;具有較大的散熱能力；彎頭大，橫向效應小可忽略；蠕變、機械滯后小、壽命高；由于采用光刻技術，標距可小到0.2mm，可用于點應力測試。1-4 電測法電阻應變片 應變片的組成：單軸片雙軸片三軸片四軸片 1-4 電測法電阻應變片 1-4 電測法電阻應變片 電阻應變片規(guī)格及特點 ： 幾何尺寸(柵長、柵寬） 阻值：標準R=120 靈敏系數：K=2.00 橫向敏度(H) 極限應變：6000 絕緣電阻：R200M 機械滯后：應變片感受結構的變形會滯后一段時間 工作電流：Imax25mA，并不能用高電壓、高電流 零漂與蠕變：零漂是指在恒溫

16、、結構不受力情況下應變片指示的應變 值隨時間而變化用/h表示。原因是受潮、電磁場干 攏；濡變結構受荷穩(wěn)定后，應變片指示的應變繼續(xù) 變化。 溫度效應：應通過橋路補償或自補償給予消除 1-4 電測法電阻應變片 應變片選用結構材性 均質材料：鋼絲、鋼板、鋼筋用中小片（標距2、3、5、10mm） 非均質材料：如混凝土應選用標距長的應變片結構受力 應力梯度大用小片，應力集中用箔式小片，應力變化不大用中大片，單向應力場用單軸片，已知主應力方向的雙向應力場用雙軸片，主應力方向未知的復雜應力場用三、四軸片1-4 電測法電阻應變片粘貼工藝 測點表面處理打磨測點表面處理清洗測點表面處理刷防潮絕緣層測點表面處理刷防

17、潮絕緣層測點表面處理砂紙打磨測點表面處理清洗貼片固定接線端子焊線1-4 電測法靜態(tài)電阻應變儀 將電阻應變片阻值的變化，轉換為電壓的變化，并放大后測量。4 電測法靜態(tài)電阻應變儀 TS3860靜態(tài)電阻應變儀TS3860靜態(tài)電阻應變儀DH3816應變測試分析系統(tǒng) （60點/臺）1-4 電測法靜態(tài)電阻應變儀 惠斯登電橋（串并聯(lián)橋路）頂點：A B C D E+, U+, E-, U-1-4 電測法靜態(tài)電阻應變儀通過電學分析，可得輸出電壓：對上式求微分，利用R/R=K并令R1 =R2 = R3 =R4 =R，可得： 1-4 電測法靜態(tài)電阻應變儀上式表明，輸出電壓的變化量與橋路電阻應變的關系，完成了應變電阻

18、電壓的轉換，從而可以通過測試電壓的變化來測試應變，這就是電阻應變儀工作原理，其中： 上式表明：橋路總輸出應變等于鄰臂應變相減，對臂應變相加。1-4 電測法靜態(tài)電阻應變儀基本測量橋路：1/4橋、1/2橋、全橋橋適用于恒溫環(huán)境、導線電阻極小橋應用較廣全橋適用于條件相當惡劣 1-4 電測法靜態(tài)電阻應變儀基本測量橋路 ：全橋測量法橋路圖輸出應變與各橋臂應變關系1-4 電測法靜態(tài)電阻應變儀基本測量橋路 ：半橋測量法橋路圖輸出應變與各橋臂應變關系1-4 電測法靜態(tài)電阻應變儀基本測量橋路 ：每臂雙片測量法橋路圖輸出應變與各橋臂應變關系1-4 電測法半橋測量法（舉例）1-4 電測法半橋測量法應用舉例全橋測量法

19、筒式壓力傳感器電阻應變原理的推廣貼片圖應用舉例全橋測量法筒式壓力傳感器接線（橋路）圖筒式壓力傳感器（筒式）壓力傳感器彈簧式測力計人工測讀自動采集橋墩抗震性能試驗-靜位移測量電測位移計-電阻應變測試技術的應用電測位移計-電阻應變測試技術的應用1-5 應變數據處理應力應變轉換關系 單向應力場 鋼材 1）采用規(guī)范彈模計算：2）利用實測應力應變曲線確定： 1-5 應變數據處理應力應變轉換關系混凝土 1）用初始的彈性模量值計算 2）曲線確定法 1-5 應變數據處理應力應變轉換關系混凝土 3）假設曲線法 雙向應力場1-5 應變數據處理應力應變轉換關系雙向應力場 1）點應變 雙向應力場中，任意角度的應變值：

20、 對其極值，可得主應變大小及方向： 1-5 應變數據處理應力應變轉換關系雙向應力場 2）點應力 雙向應力場中，任意角度的應力值： 對其極值，可得主應力大小及方向： 1-5 應變數據處理應力應變轉換關系雙向應力中，應力應變關系 或1-5 應變數據處理應力應變轉換關系舉例45度應片花的計算 1-5 應變數據處理應力應變轉換關系舉例60度應片花的計算 一）應力測點布置 一）應力測點布置 整體式板板底縱橫向應力測試箱梁頂板縱橫向應力測試箱梁底板縱橫向應力測試剪應力測量 剪應力測量 1-6 利用動應變或動撓度測量橋梁沖擊系數橋梁承受活載，主要是以動荷載形式出現運動中的車輛荷載作用于橋梁上產生的動撓度或動應變，一般較同樣的靜荷載產生的相應靜撓度或靜應變要大。動撓度或動應變與靜撓度或靜應變的比值稱為活荷載的沖擊系數?；钶d沖擊系數綜合反映了荷載對橋梁的動力作用。它與結構的型式、車輛型式及車輛運行速度