知识科普 | 桥梁静载挠度自动测试技术

2019-1-14 22:09

原作者: 朱尚清来自: 检师学社收藏分享邀请

随着公路桥梁结构交通荷载的增加，既有桥梁的承载能力会进一步降低，而保证桥梁结构安全运营的则需要对桥梁结构的承载能力进行评定。桥梁结构的静载试验需要在中断交通的条件下进行，试验加载会对测试桥梁的交通产生 ...

随着公路桥梁结构交通荷载的增加，既有桥梁的承载能力会进一步降低，而保证桥梁结构安全运营的则需要对桥梁结构的承载能力进行评定。桥梁结构的静载试验需要在中断交通的条件下进行，试验加载会对测试桥梁的交通产生很大的影响。因此减小桥梁静载试验对交通影响的有效途径，就是测试采用自动化测试技术提高测试的速度。桥梁静载试验静态应变测试通常采用分布式自动化测试系统进行测试，因此提高桥梁静载试验效率的关键就是实现挠度测试的自动化测量。根据常规挠度悬垂法测量手动读数的缺点，将应变式位移传感器集成到静态应变测试系统中，实现应变、挠度同时自动采集测试，能提高静载试验的效率，具有良好的社会经济效益。

1桥梁静态挠度测试常用方法

1.1 机械式位移计法

机械式位移计法常用百分表、千分表等仪表测试桥梁的挠度。该方法测试精度高，安装方便，但需要搭设工作和测试支架，测试需要测试人员多，测试速度较慢，测试过程中观测人员可能会对测试支架产生影响。

1.2 精密水准仪法

精密水准仪法测试桥梁挠度采用精密水准仪进行静态挠度测试。精密水准仪法测试精度高，不需要进行搭设支架，但水准测试需要设置转站，测试时间较长，对交通的影响较大。

1.3 全站仪法

全站仪法采用全站仪对桥梁静载挠度进行测试。全站仪法测试受仪器高、棱镜高、测距以及竖直角等因素会影响其测试精度。在实践中有时全站仪和棱镜在加载或卸载前后保持不动，能有效提高其测试精度，但其测试速度相对较慢。

1.4 桥梁挠度仪法

桥梁挠度仪法的基本原理就是利用的标靶接受激光发射器的激光进行桥梁挠度的测试。目前桥梁挠度仪由于受激光光源汇聚效果差和光接受芯片标靶测量面积小等影响其应用受到一定限制，此外该测试方法受大气环境影响较大。

1.5 其它新型测试方法

其它新型的挠度测试方法有全球定位系统法（GPS）、连通管法、倾角仪法等。其中GPS对测量精度要求很高时，相对价格就非常昂贵；连通管法安装较为复杂，成本相对较高；倾角仪法也同样存在操作较困难，测量精度不高，价格昂贵等问题。

因此，将电阻式位移计与静态应变采集设备集成为分布式静态应变、挠度测试系统，该系统对于中、小跨径桥梁能提高整个桥梁静载试验的效率。

2 电阻式位移计工作原理

本系统采用的是YHD型电阻式位移传感器，主要由机械传动机构、表面指示装置和电气线路等组成。基本工作原理是采用一般静、动态电阻应变仪常用的应变电桥原理，当任何机械量转变为直线位移的变化量∆L，推动机械传动机构，使双触探头在可变电阻上产生一个相应的∆R的变化，为了测出∆R的微小变化量，由位移传感器中特制的双线密绕的无感电阻了外桥电阻，组成了应变电桥，从而实现了机械量转换成电量的目的，这种机械量（位移）转换成为电量的关系，可用通用的电阻应变仪关系式表达（见式1）。

式中：ε—为应变值（×10-6）

R—电桥桥臂电阻（Ω）

∆R—因外位移引起的电阻变化量（Ω）

K—使用仪器的灵敏系数

根据导体电阻阻值（R´）的关系式（见式2）

式中：R′-可变电阻丝的电阻（Ω）

-电阻丝的电阻率（Ω.mm2/m）（欧.毫米2/米）

L—电阻丝的长度（m）

F—电阻丝的截面积（mm2）

从式1、2中不难看出，被测量位移量的大小和∆R和K呈正比，而与桥臂电阻R1R2阻值呈反比，为此位移传感器主要进行适当的选择可变电阻丝R′的直径、长度和电阻率，以及桥路电阻R1、R2就可确定输出灵敏度S（μF/mm），其工作原理见图1所示。

位移传感器的线路结构是采用差动变电阻式应变电桥，该传感器是采用半桥接线方法，例如当测杆受外移动，而带动活动触头向右移动时，R1增加∆R11，而R2减少∆R12，不难可知：

代入应变电桥的有关公式，可得：

从上式中可以看出，这样组桥方法，不仅可以达到温度自动补偿的目的，而且还可以提高应变电桥的输出灵敏度，比半桥单臂变化接法提高一倍，并可以做到输出灵敏度规一化，提高测试精度。

3位移传感器与应变采集系统的集成

3.1位移传感器的使用方法

将位移传感器通过磁性底座固定在测试支架上，位移传感器与主梁测点或测点处的悬垂物接触，安装时应保证测试方向为竖直方向。位移传感器与主梁或悬垂物的接触量根据主梁挠度变形的方向和大小确定。

为提高挠度测试精度，位移传感器与静态应变采集系统采用全桥法进行连接，其输出端分别采用焊片焊接到应变仪的接线柱上。位移传感器的输出四芯屏蔽线缆分别为红、黑、蓝、黄，输出端焊片上用钢印进行标识。输出端焊片与应变仪的全桥连接方式见图2。

3.2 挠度测试与应变采集系统集成

桥梁挠度与应变测试系统集成后，可以同步对桥梁静载试验的挠度和应变参数实现自动采集。集成后的采集系统共有三个部分组成，即传感器、数据传输以及数据的采集控制。其中传感器包括电阻式应变片和YDH位移传感器；数据传输部分为传感器包括传感器、数据采集箱、电源控制器以及现场控制的笔记本电脑间的数据传输线缆；数据的采集控制包括采集箱、电源控制器、现场测试电脑及相应的控制软件。

根据系统的测试参数，系统可以分为桥梁挠度分布式测试采集子系统和桥梁应变分布式测试子系统两大部分，两个部分均通过数据的采集与控制部分进行采集控制。位移传感器及与之连接的数据采集箱同数据的采集控制部分共同组成桥梁挠度分布式测试系统，电阻应变片及与之连接的的数据采集箱同数据的采集控制部分共同组成桥梁应变分布式测试系统。系统中各数据采集箱之间采用串接，在桥梁静载试验中各根据应变测点和挠度测点的数量、分布调整挠度和应变测试的数据采集箱的数量及串接位置。挠度测试与应变采集系统的集成框架图见图3。