市政桥梁培训之桥梁荷载试验应力测试技术

1、市政桥梁培训桥梁荷载试验 福州大学土木工程实验教学中心 林友勤桥梁荷载试验第一章 应力测试技术第二章 桥梁振动测试技术 应力测试主要内容：1-1 概述1-2 机测法1-3 光测法1-4 电测法 一、钢振弦传感器及斜拉桥索力测量 二、电阻应变式传感器1-5 应变数据处理应力应变转换关系1-6 利用动应变或动挠度测量桥梁冲击系数1-1 概述 根据应力与应变之间的转换关系，通过测结构或构件表面、内部应变来得到结构或构件的应力状态。 钢材的拉伸试验中，在其屈服之前，其应力应变之间存在着线性关系 我们就可以通过测应变来测应力，而应变测试方法比较简单，因为根据应变的定义： 1-1

2、概述应变的定义：式中： 应变 测区长度的变化量 测区的原始长度，称之为标距 1-1 概述如在机测中，将 放大后测量；在光测中，将 变化转换光波长的变化；在电测法，将其转换为电的某些特性的变化并放大后测量；如在电阻应变测试技术中，将 转换为传感元件的电阻并进一步转换为电压的变化等等。 1-1 概述应变测试的主要方法：机测法光测法电测法 1-2 机测法 定义： 利用机械式测试仪器来实现对应变的测量 常用仪器： 手持式应变仪 接触式应变仪手持式应变仪 手持式应变仪 接触式应变仪 千分表 千分表 构造： 千分表由测杆、齿轮、弹簧、指针和度盘等各种零部件组合而形成四个机构：传感机构（千分表中的触杆）转换

3、机构（千分表中的大小齿轮及弹簧）指示机构（千分表中的指针）机体和保护部分工作原理及特点机测法工作原理：将测区长度的变化通过千分表的测杆传递给一组齿轮，通过齿轮将长度的变化进行放大并改变方向，转换为指针在刻度盘上的转动并指示，进而计算出应变值。机测法特点：安装便捷，读数方便、准确度高、对环境的适应性强即一般不受温湿度影响以及电磁场的干扰、性能可靠，但灵敏度不高、需要人工测读、速度慢、工作量大。 1-3 光测法 定义： 利用光的某些特性如波长的变化与应变之间的转换关系，通过测量光波长的变化来实现对应变的测量 传感器：光纤布拉格光栅传感器 （fiber optic Bragg grating str

4、ain sensor） 表面式光纤应变传感器内埋式光纤应变传感器表面式温度光纤传感器内埋式光纤温度传感器1-3 光纤布拉格光栅传感器 构造：光纤、布拉格光栅组成 1-3 光纤布拉格光栅传感器 工作原理：式中： 光纤光栅的中心波长 纤芯的有效折射率 光栅周期。 1-3 光纤布拉格光栅传感器 结构应变势必导致光栅周期的变化这为采用光纤布拉格光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。同样温度变化也会引起光栅布拉格波长的变化。波长的变化与应变以及温度的变化可用下式来表示： 1-3 光纤布拉格光栅传感器 式中： 应变以及温度变化引起的波长变化 光纤光栅不受应变及温度变化的中心波长 待测应变 为温度变

5、化量 光纤光栅应变传感灵敏度系数 光纤光栅温度传感灵敏度系数。 可采用相同温度环境下的光纤光栅进行温度补偿。 1-3 光纤布拉格光栅传感器 特点：光纤传感器是90年代出现的一种用于观测应力、应变、温度以及内部裂缝、变形等结构参数的新型传感器。高精度高灵敏度远距离分布式耐久性光纤的小巧、柔软、不易拉断抗电磁干扰能力强集传感与传输于一体易于制作和埋入结构内部而且物理截面和力学强度小，在粘贴或嵌入到主体中不会对其性能和结构造成影响。 1-4 电测法 电测法：利用电的某些特性如电阻、电流、电压、频率等的变化与结构应变之间的转换关系来测定结构的应变。主要有钢振弦式与电阻式及电涡流式 一、振弦式传感器利用

6、固定在结构上的钢弦振动频率与结构应变之间的转换关系，通过测量钢弦的振动频率来实现对应变的测量。构造：由夹块、振弦、永久磁铁、线圈等组成。一般有埋入式与外置式，主要产品有德国麦哈克、法国德来马克、美国基康等以及中国丹东传感器厂生产。 1-4 电测法钢弦式传感器 1-4 电测法钢弦式传感器 工作原理：利用钢弦自振频率与钢弦应变之间存在一定关系，通过测钢弦的频率来测应变。式中： 钢弦自振频率 钢弦长度 待测应变 钢弦弹模 钢弦材料常数 1-4 电测法钢弦式传感器 1-4 电测法钢弦式传感器 应力监测1-4 电测法钢弦式传感器 特点：结构简单、制作方便、稳定性好、抗干扰能力强及远距离传输误差小等优点，

7、近年来得到广泛应用，特别是应用于施工应力监控中。缺点是价格昂贵。 理想弦的振动方程在斜拉索索力测试中的运用目前测量索力的方法主要有：压力表测定法、压力传感器测定法（应变式或振弦式）、钢索测力仪法、振动频率法、磁通量法、电阻应变片测试法等，显然除了振动频率法外其它方法均无法应用于成索的索力测试。 理想弦的振动方程T是索的张力（N）；m是索的线密度（kg/m）；L是索的计算长度（m）；fn是索的第n阶振动频率（Hz）；索的振动方程弦振动的频谱图呈倍频关系利用基频（或频差）计算弦的张力f为理想频率段内的各阶频率差的平均值 思考题：下图为索的振动频谱图，其基频是多少？G15高速公路青洲闽江大桥，主跨6

8、05米杨浦大桥，主跨603米晋江大桥晋江大桥晋江大桥施工监控晋江大桥施工监控索力监测晋江大桥荷载试验莆田木兰溪特大桥荷载试验木兰溪大桥工程是荔港大道的关键工程。全长860米，左岸引桥长240米；右岸引桥长240米。其中，主桥跨径为40+50+2100+50+40米的独塔单索面自锚式悬索桥，全长364米；加劲梁为六孔一联预应力混凝土结构，采用单箱三室截面，梁高3.5米，桥梁全宽37.5米；主塔处墩塔梁固结，其余桥墩均采用活动支座；全桥布置一根主缆，置于梁中央，主缆直接锚固于梁体；形成塔、梁、索的受力体系。引桥为430米跨径预应力混凝土连续梁桥。设计荷载为城A级。 莆田市木兰溪大桥莆田市木兰溪大桥

9、莆田市木兰溪大桥通车前福州鼓山大桥鼓山大桥吊杆力测试鼓山大桥吊杆力测试恒载下某一吊杆频谱图试验荷载下某一吊杆频谱图福州市解放大桥福州市解放大桥福州市解放大桥福州市解放大桥利用振动法测量斜拉索索力的影响因素利用理想弦的振动方程计算斜拉索索力有一定的误差，主要是因为斜拉索索力不仅跟索的长度、线密度、振动频率有关，还跟索的刚度及垂度有关。Tension adjusterHammerAccelerometerPoint 1L/8CableBottom anchorTop anchorWallLoad cellPoint 2L/4Point 3L/2HammerAccelerometerAmplifie

10、rData acquisition PC Matlab 斜拉索索力实验研究斜拉索索力实验研究斜拉索索力实验研究斜拉索索力实验研究压电式传感器1-4电测法电涡流式组成 探头、延伸电缆、前置器、被测体特点 非接触式、静态、动态、高线性、高分辩率原理 前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的

11、有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率、探头头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。1-4电测法电涡流式1-4电测法电涡流式工作过程 被测金属与探头之间的距离变化线圈的有效阻抗的变化振荡电压幅度的变化经过检波、滤波、线性补偿、放大归一输出电压的变化FS8000系列电涡流式位移计电涡流式-探头电测法电涡流式-前置器电测法电涡流式-应用混凝土试件收缩实验探头安装-非接触电涡流式-应用IMP电压信号采集板数据实时监测1-4 电测法电阻应变测试技术 电阻应变测试技术的基本原理通过粘贴在结构表面上的传感元件（电阻应变片）把所测的结构应变转换为电阻的变化，再通过桥路

12、、仪器把电阻的变化转换为电压的变化并加以放大，由显示器显示出应变值。工作框图：1-4 电测法电阻应变测试技术 电阻应变测试技术的优点：灵敏度高，可测到1个微应变；标距小，箔式应变片最小标距可达0.2mm，可测点应力，用于应力集中测试；可远距离测试；可测动、测静；通过应变测量可转换为测力（轴力、弯矩、扭矩、剪力）、位移等；1-4 电测法电阻应变测试技术 缺点：测表面应力准确度高，测内部应力需要一定技术；测应力集中不准确；测量系统线路多、易干拢，易受环境（温度、湿度、电磁场）干拢； 1-4 电测法电阻应变片 电阻应变片的构造： 电阻应变片由三个部份组成：基底（纸张、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等胶

13、膜）敏感栅或电阻丝栅（康铜、镍、铬等特殊材料制成）引出线 基底起到保护及固定敏感栅的作用，敏感栅或电阻丝栅直接感受结构变形并将结构变形转换为电阻变化，引出线连结到测量桥路上； 1-4电测法 电阻应变片 1-4 电测法电阻应变片 1-4电测法电阻应变片 电阻应变片的工作原理： 利用电阻丝的应变效应，所谓电阻丝的应变效应指的是电阻丝的电阻值随其本身应变（伸长或缩短）而改变的一种物理性质。 1-4 电测法电阻应变片 通过数学分析，对R求微分得：由材料力学可知：整理得：令： Ks 电阻丝的灵敏系数1-4 电测法电阻应变片 由于电阻应变片是由电阻丝按一定规格挠制而成的，因此电阻应变片同样有如下的电阻变化

14、率与应变的关系：其中K为电阻应变片灵敏系数，一般的电阻应变片的灵敏系数比电阻丝的灵敏系数来得小。 1-4 电测法电阻应变片 应变片类型 1.绕丝式应变片（U式） 构造：由电阻丝挠制而成，根据基底材料的不同可分为纸基、胶基 特点：制作简单、价格便宜、纸基易受潮、横向灵敏度大 1-4 电测法电阻应变片 应变片类型 2. 短接式应变片绕丝式的改进（H式） 构造：纵横向电阻丝通过点焊连接 特点：横向灵敏度小、焊点易脱落，不适用于动测 1-4 电测法电阻应变片 应变片类型 3.箔式应变片短接式应变片的改进 构造：敏感栅由很薄的金属箔片采用光刻技术制成，弯头截面大 1-4 电测法电阻应变片 箔式应变片的特

15、点: 敏感栅截面为矩形，较圆断面大，粘合面积大不易脱落，传递应变较丝式好;具有较大的散热能力；弯头大，横向效应小可忽略；蠕变、机械滞后小、寿命高；由于采用光刻技术，标距可小到0.2mm，可用于点应力测试。1-4 电测法电阻应变片 应变片的组成：单轴片双轴片三轴片四轴片 1-4 电测法电阻应变片 1-4 电测法电阻应变片 电阻应变片规格及特点 ： 几何尺寸(栅长、栅宽） 阻值：标准R=120 灵敏系数：K=2.00 横向敏度(H) 极限应变：6000 绝缘电阻：R200M 机械滞后：应变片感受结构的变形会滞后一段时间 工作电流：Imax25mA，并不能用高电压、高电流 零漂与蠕变：零漂是指在恒温

16、、结构不受力情况下应变片指示的应变 值随时间而变化用/h表示。原因是受潮、电磁场干 拢；濡变结构受荷稳定后，应变片指示的应变继续 变化。 温度效应：应通过桥路补偿或自补偿给予消除 1-4 电测法电阻应变片 应变片选用结构材性 均质材料：钢丝、钢板、钢筋用中小片（标距2、3、5、10mm） 非均质材料：如混凝土应选用标距长的应变片结构受力 应力梯度大用小片，应力集中用箔式小片，应力变化不大用中大片，单向应力场用单轴片，已知主应力方向的双向应力场用双轴片，主应力方向未知的复杂应力场用三、四轴片1-4 电测法电阻应变片粘贴工艺 测点表面处理打磨测点表面处理清洗测点表面处理刷防潮绝缘层测点表面处理刷防

17、潮绝缘层测点表面处理砂纸打磨测点表面处理清洗贴片固定接线端子焊线1-4 电测法静态电阻应变仪 将电阻应变片阻值的变化，转换为电压的变化，并放大后测量。4 电测法静态电阻应变仪 TS3860静态电阻应变仪TS3860静态电阻应变仪DH3816应变测试分析系统 （60点/台）1-4 电测法静态电阻应变仪 惠斯登电桥（串并联桥路）顶点：A B C D E+, U+, E-, U-1-4 电测法静态电阻应变仪通过电学分析，可得输出电压：对上式求微分，利用R/R=K并令R1 =R2 = R3 =R4 =R，可得： 1-4 电测法静态电阻应变仪上式表明，输出电压的变化量与桥路电阻应变的关系，完成了应变电阻

18、电压的转换，从而可以通过测试电压的变化来测试应变，这就是电阻应变仪工作原理，其中： 上式表明：桥路总输出应变等于邻臂应变相减，对臂应变相加。1-4 电测法静态电阻应变仪基本测量桥路：1/4桥、1/2桥、全桥桥适用于恒温环境、导线电阻极小桥应用较广全桥适用于条件相当恶劣 1-4 电测法静态电阻应变仪基本测量桥路 ：全桥测量法桥路图输出应变与各桥臂应变关系1-4 电测法静态电阻应变仪基本测量桥路 ：半桥测量法桥路图输出应变与各桥臂应变关系1-4 电测法静态电阻应变仪基本测量桥路 ：每臂双片测量法桥路图输出应变与各桥臂应变关系1-4 电测法半桥测量法（举例）1-4 电测法半桥测量法应用举例全桥测量法

19、筒式压力传感器电阻应变原理的推广贴片图应用举例全桥测量法筒式压力传感器接线（桥路）图筒式压力传感器（筒式）压力传感器弹簧式测力计人工测读自动采集桥墩抗震性能试验-静位移测量电测位移计-电阻应变测试技术的应用电测位移计-电阻应变测试技术的应用1-5 应变数据处理应力应变转换关系 单向应力场 钢材 1）采用规范弹模计算：2）利用实测应力应变曲线确定： 1-5 应变数据处理应力应变转换关系混凝土 1）用初始的弹性模量值计算 2）曲线确定法 1-5 应变数据处理应力应变转换关系混凝土 3）假设曲线法 双向应力场1-5 应变数据处理应力应变转换关系双向应力场 1）点应变 双向应力场中，任意角度的应变值：

20、 对其极值，可得主应变大小及方向： 1-5 应变数据处理应力应变转换关系双向应力场 2）点应力 双向应力场中，任意角度的应力值： 对其极值，可得主应力大小及方向： 1-5 应变数据处理应力应变转换关系双向应力中，应力应变关系 或1-5 应变数据处理应力应变转换关系举例45度应片花的计算 1-5 应变数据处理应力应变转换关系举例60度应片花的计算 一）应力测点布置 一）应力测点布置 整体式板板底纵横向应力测试箱梁顶板纵横向应力测试箱梁底板纵横向应力测试剪应力测量 剪应力测量 1-6 利用动应变或动挠度测量桥梁冲击系数桥梁承受活载，主要是以动荷载形式出现运动中的车辆荷载作用于桥梁上产生的动挠度或动应变，一般较同样的静荷载产生的相应静挠度或静应变要大。动挠度或动应变与静挠度或静应变的比值称为活荷载的冲击系数。活载冲击系数综合反映了荷载对桥梁的动力作用。它与结构的型式、车辆型式及车辆运行速度