土木工程测试基本原理与设备

第一章绪论检测的目的与意义桥梁检测的内容和依据我国土木工程检测机构及现状第一节检测的目的与意义

一、检测技术检测技术是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。广义地讲，从信息科学角度考察，检测技术任务为：寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号，以及确定二者间的定性、定量关系；从反映某一信息的多种信号表现中挑选出在所处条件下最为合适的表现形式，以及寻求最佳的采集、变换、处理、传输、存储、显示等的方法和相应的设备。自动检测系统第一节检测的目的与意义

被测量敏感元件电子测量电路输出单元二、土木工程检测1、大背景：交通高速发展的需要新技术新理论发展的需要第一节检测的目的与意义

2、土木工程检测的任务和意义

原型试验--生产鉴定性试验

通过试验，掌握桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态，判定桥梁结构的承载能力和使用条件，检验设计与施工质量，提出桥梁养护、加固、改建、限载对策，有效地保证桥梁结构的安全使用。生产鉴定性试验也称之为桥梁检测，包括静载试验、动载试验、无损检测与长期监控测试四个方面。

模型试验--研究性试验

在专门的试验室内进行，利用特定的加载装置，以消除或减少外界因素的干扰影响，同时突出所要研究的主要因素，从而研究结构的受力行为，探索结构应力、应变的内在规律，为设计施工服务。

第一节检测的目的与意义

2、土木工程检测的任务和意义

在桥梁试验中，原型试验存在费用高、期限长、测试环境多变等不利的影响因素，如对一些大型桥梁进行多因素的研究性试验，有时是难以实现的。因此，结合原型桥梁进行模型试验往往成为科技工作者的一种有效手段，可以更为方便全面地研究主要影响因素之间的关系，探索结构行为的普遍规律，推动新结构、新材料、新工艺的发展与应用。第一节检测的目的与意义

2、土木工程检测的任务和意义

意义：施工质量控制和竣工验收评定工作中不可缺少的一个主要环节加快工程程进度、降低工程造价、提高养护水平、推动工程施工技术进步，将起到极为重要的作用工程设计参数、施工质量控制竣工验收评定、养护管理决策的主要依据。对于推动和发展结构设计计算理论、解决生产实践中出现的疑难问题往往起到了重要的作用。第一节检测的目的与意义

3、桥梁试验检测技术的分类

根据试验荷载作用的性质：

静荷载试验动荷载试验

根据试验对结构产生的后果：

破坏性试验非破坏性

根据试验持续时间的长短：

长期试验短期试验

根据进行时期：

成桥试验施工监控

第一节检测的目的与意义

第二节桥梁检测的内容和依据１、内容：准备规划阶段加载与观测阶段分析总结阶段

２、依据桥梁工程试验检测应以国家和交通部、铁道部颁市的有关公路／铁路工程的法规、技术标照、设计施工规范和材料试验规程为依据进行。

规范标准的四个层次：综合基础标准指导制定专业基础标准的国家统一标准。如《工程程结构可靠度没对统一标准》

专业基础标准

指导专业通用标准和专业专用标准的行业统—标准。如《公路工程结构可靠度设计统一标准》

专业通用标准

如《公路桥涵设计通用规范》专业专用标准

如《公路桥梁抗震设计规范》第二节桥梁检测的内容和依据专业试验检测机构大专院校设立的试验检测机构勘察设计部门成立的试验检测机构科研机构成立的试验检测部门公路／铁路养护部门和施工企业组建的实验检测机构第三节我国土木工程检测机构及现状第二章桥梁结构试验的技术检测仪器应变电测技术常用机测仪表的构造及使用方法振动测量的传感器

量测技术、仪器设备、测试元件是桥梁结构试验的重要技术保障测试的内容：

作用力的大小应力的分布及大小结构的各种静态变形，包括水平位移、相对滑动、转角等结构局部的损坏现象结构的动力反应，包括动应力、自振特性、加速度、衰减特性等

第一节检测仪器1、检测仪器的分类按仪器的工作原理：

机械式测试仪器、电测仪器、光学仪器、声学仪器、复合式仪器、伺服式仪器等按仪器的用途：测力计、应变计、位移计、倾角仪、测振仪等

按测定的方法：平衡式和非平衡式

按结果的显示与记录方式：

直读式、自动记录式、模拟式、数字式按照仪器与结构的相对关系：

附着式，接触式、手持式、摇测式第一节检测仪器2、仪器的性能指标

量程最小刻度灵敏度准确度误差滞后

第一节检测仪器３、桥梁检测对仪器的要求仪器的量程.准确度.灵敏度要根据检测的要求合理选用,仪器工作性能要稳定,抗干扰能力良好。仪器使用方便,安装快捷,适应性强.仪器结构简单,经久耐用,无论是外包装还是仪器本身结构,都应具有良好的防护装置,便于运输,不易损坏.仪器轻巧，自重轻，体积小，便于野外桥梁检测时携带。

仪器的用途多，所使用的仪器具有多种用途。如应变仪，既可单点测量，也可多点测量，既可测应变也可测位移。使用安全。包括仪器本身不易损坏，不会危及操作人员的人身安全。第一节检测仪器四、仪器的计量标定标定的意义统一量值确保计量器具准确的重要措施进行标准传递的重要形式是为生产、科研、生活等提供计量保证的重要条件实行国家监督的一种手段标定方式强制标定非强制标定

第一节检测仪器计量标定的特点标定的目的是确保量值的统一，主要是评定量测仪器的计量性能，确定仪器的误差大小，准确程度、使用寿命、安全性能等。

标定的结论是要确定仪器是否合格，是否可以继续正常使用，是否达到国家计量标准。标定具有法制性，标定证书在社会具有法律效力，标定的本身是国家对量测的一种监督，标定结果具有法律地位和效力。第一节检测仪器桥梁检测需定期标定的常用仪器：电子仪器的标定：超声波仪超声时间的标定，应变仪、应变计的标定，荷载传感器的标定。光学仪器的标定：如精密水准仪、测距仪、激光扰度仪、倾角仪、读数显微镜等。第一节检测仪器应变检测技术

凭借安装在试件上的应变片将力学量转换成电阻变化，并用专门的仪器使其转换为电压、电流或功率输出，从而获得应变读数的测试方法.

第二节应变检测技术电阻应变片测量线路放大器显示仪器或记录仪优点：灵敏度高，测量速度快，测量结果精确、可靠。易于实现测试过程中的全自动化数据采集、多点同步测量、远距离测量和遥控检测。应变片标距小、粘贴方便。质量轻。适用范围广。使用广泛。操作方便，测试方法易于掌握。第二节应变检测技术缺陷：贴片工作量大使用的导线多易受温度和电磁场等的影响不能重复使用

第二节应变检测技术第二节应变检测技术第二节应变检测技术第二节应变检测技术第二节应变检测技术第二节应变检测技术第二节应变检测技术第二节应变检测技术电阻应变片电阻应变仪应变测试方法电阻应变测试技术的推广应用一、电阻应变片电阻应变测试中，将应变转化为电阻变化的传感元件。应用：测量应变、温度、压力、裂纹、制造各类传感器。第二节应变检测技术1、电阻应变片的工作原理电阻应变效应：导体或者半导体在机械变形（伸长或缩短）时，其电阻随其变形而发生变化的物理现象。第二节应变检测技术2、电阻应变片的构造敏感栅粘合剂基底引出线第二节应变检测技术3、应变片的技术指标几何尺寸电阻值敏感系数应变极限绝缘电阻最大允许电流温度效应零点漂移和蠕变疲劳寿命第二节应变检测技术第二节应变检测技术4、应变片的分类根据敏感元件金属应变片半导体应变片根据基础材料纸基应变片胶基应变片金属片基应变片临时金属片基应变片根据标局标距大标距应变片小标距应变片根据敏感山栅形状单轴应变片应变花5、应变片的选用标距应变片电阻灵敏系数基底种类敏感栅材料试件的受力状态测试精度特殊环境或者有特殊要求第二节应变检测技术6、应变片的粘贴工艺粘结剂的选用粘贴工艺

防护措施

第二节应变检测技术粘贴剂性能要求:粘结强度高,电绝缘性能好,化学稳定性及工艺性好等.此外,在特殊条件下应考虑特殊要求,如耐高温、耐老化、耐介质、耐疲劳等。桥梁检测中常用粘贴剂：快干胶环氧树脂第二节应变检测技术粘贴工艺检查分选测点检查粘贴固化处理粘贴质量检查导线连接第二节应变检测技术防护措施防潮防损第二节应变检测技术二、电阻应变仪在应变电测技术中,用于测量和鉴别测量电阻变化的专用仪器.分类:·静态电阻应变仪·动态电阻应变仪·静动态电阻应变仪

第二节应变检测技术·静态电阻应变仪第二节应变检测技术第二节应变检测技术·动态电阻应变仪·静动态电阻应变仪第二节应变检测技术电阻应变仪的组成第二节应变检测技术电源振荡器电桥放大器指示或记录仪滤波器相敏检波器1.电桥原理

第二节应变检测技术Ｒ１Ｒ２Ｒ３Ｒ４ＵＡＤＣＢΔＵＢＤ２.平衡电桥原理第二节应变检测技术３.温度补偿技术４.动态电阻应变仪５.应变测量防干扰技术使用屏蔽导线远离干扰源缩短导线长度，合理选用导线面积屏蔽接点接地良好绝缘电阻应符合要求第二节应变检测技术三、应变测试方法选择不同的贴片和接桥方法消除非测试应力对测试应力的影响。１．测轴向应力２．测弯矩应力３．测剪应力第二节应变检测技术四、电阻应变测试技术的推广应用１．位移传感器电阻式位移传感器应变梁式位移传感器差动变压器式位移传感器２．荷载传感器３．结构内应力测定埋入式应力栓埋入式差动电阻应变计震动丝式应变计钢筋计第二节应变检测技术机械测试仪器与设备

通过机械传动系统和指示机构来测定结构相应参数的仪器与设备.测试对象

荷载、位移、应变、挠度、转角、倾角、裂缝等优点安装使用方便，迅速，读数准确可靠缺点灵敏度不高，需搭设仪器支架，试验人员较多，观测读数费时，不便于自动记录和远程检测。第三节机械测试仪器与设备一、结构位移测量百分表（最小刻度：0.01mm量程：5/10mm）千分表(最小刻度：0.001mm量程：1/3mm)第三节机械测试仪器与设备1、百分表的构造第三节机械测试仪器与设备1、百分表的构造第三节机械测试仪器与设备1、百分表的构造第三节机械测试仪器与设备２、使用方法第三节机械测试仪器与设备３、注意事项使用百分表或千分表时，只能拿取外壳，不要随意用力推拉测杆，避免大力撞击，以免造成齿轮系统损伤而影响精度。磁性表座上的各个螺栓要拧紧，颈箍夹住百分表轴颈时，不可夹得太紧，否则会影响测杆的正常移动。安装时，应将测杆顶住测点，使测杆与测面保持垂直。注意位移的大小和方向，调节测量，使百分表的初读数在适当的范围，防止当变形达到最大值时量测不够。安装好百分表或千分表后，可用笔头轻轻敲击刻度盘玻璃，观察指针摆动情况。如果长指针轻微震动或在某一固定值小范围内摆动，说明百分表安装正常。百分表和千分表用于测挠度与变位时，应注意位移的相对性，测杆移动的方向与量测的位移方向完全一致。测点表面要进行磨平和硬化处理，以减少误差。百分表或千分表经过一段时间的使用或拆洗上油后，必须对其进行重新标定。第三节机械测试仪器与设备二、结构应变测量１、简易千分表应变仪第三节机械测试仪器与设备２、手持应变仪第三节机械测试仪器与设备２、手持应变仪第三节机械测试仪器与设备２、手持应变仪第三节机械测试仪器与设备三、结构转动变量测量１、杠杆式测角器２、水准管式倾角仪３、电子顷角仪第三节机械测试仪器与设备四、结构挠度测量１、张线式位移计２、联通管第三节机械测试仪器与设备２、联通管第三节机械测试仪器与设备五、力的测量六、裂缝宽度测量第三节机械测试仪器与设备第四节光栅传感仪器光栅传感技术静载试验的目的与内容静载试验的程序桥梁桩基静载试验静载试验实例

第三章桥梁静载试验一、什么是静载试验荷载试验对桥梁结构工作状态进行直接测试的一种鉴定手段。分为静载试验与动载试验静载试验

按照预定的实验目的与实验方案,将静止的荷载作用在桥梁的指定位置上,观察桥梁结构的静

力位移,静力应变,裂缝等参量的试验项目,然后根据有关规范和规程的指标,判断桥梁结构在荷载作用下的工作性能及使用能力.

第一节静载试验的目的与内容桥梁静载试验分类上部结构试验桥梁,拱桥,刚构桥,斜拉桥,悬索桥等上部结构体系的静载试验下部结构试验桥墩,桥台,基础下部结构的静载实验第一节静载试验的目的与内容二、静载实验的意义及目的

检验桥梁结构的设计与施工质量,验证结构的安全性和可靠性.验证桥梁结构的设计理论与计算方法,充实与完善桥梁结构的计算理论与施工技术.掌握桥梁结构的工作性能,判断桥梁结构的实际承载能力.第一节静载试验的目的与内容三、桥梁静载试验的内容明确荷载实验的目的试验准备工作加载方案设计测点设置与测试加载控制与安全措施试验观察与数据记录试验结果分析与评估试验报告编写第一节静载试验的目的与内容内容主要包含在三个阶段中：桥梁结构的考察与试验工作准备阶段加载试验与观测阶段测试结果的分析总结阶段第一节静载试验的目的与内容一、桥梁结构的考察与试验工作准备技术资料的收集；桥梁现状检查；理论分析计算；试验方案制定；现场准备；第二节静载试验的程序二、理论分析计算确定试验对象分析计算·设计内力计算·试验荷载效应计算控制截面的选择静载试验效率第二节静载试验的程序三、试验方案制定测试内容的确定加载方案设计·加载设备·加载卸载程序观测方案设计·观测内容·测点布置仪器设备选用第二节静载试验的程序四、现场准备搭舌脚手架和测试支架仪器设备的检查标定工作静载试验加栽位置的放样和卸载位置的安排试验人员组织分工预加载，检查仪器工作状态其他准备工作安全设施、供电照明设施、通讯联络设施、桥面交通管制等一、试验的目的与内容·目的·确定桩的承载能力·保桩基础的安全性与经济性·确定桩的承载能力·完善桩基础的施工工艺

第三节桥梁桩基础静载实验一、试验的目的与内容·分类·竖向荷载试验·水平荷载试验

第三节桥梁桩基础静载实验一、试验的目的与内容·试验检测内容·荷载的测试·变位的测试·应力的测试·柱底反力测试·土中应力测试·地面变形测试

第三节桥梁桩基础静载实验二、单桩竖向荷载试验

·

试验的基本原理在竖向静载作用下，根据沉降与荷载及时间的关系，分析确定试桩的容许承载力．第三节桥梁桩基础静载实验二、单桩竖向荷载试验

·加载设备加载方式主要有锚桩法和压重法

第三节桥梁桩基础静载实验二、单桩竖向荷载试验

第三节桥梁桩基础静载实验二、单桩竖向荷载试验

第三节桥梁桩基础静载实验二、单桩竖向荷载试验

第三节桥梁桩基础静载实验二、单桩竖向荷载试验

·锚桩法加载设备注意事项·

锚桩设计·加载装置设计·

观测装置的布置第三节桥梁桩基础静载实验二、单桩竖向荷载试验

·试验基本要求·

试桩试验时间

·试桩的加载、卸载方法

·

沉降测读时间

·

终止加载条件。

第三节桥梁桩基础静载实验二、单桩竖向荷载试验

·结果果整理分析

·

P~S曲线转折点法·S—logt法

第三节桥梁桩基础静载实验

S=mlogt

三、单桩水平荷载试验

·基本原理

·试验设备·试验要求·试桩基本要求·试桩试验时间·试桩的加载、卸载方法·沉降测读时间·终止加载条件

第三节桥梁桩基础静载实验三、单桩水平荷载试验

·结果整理分析

·绘制（u-t）曲线

第三节桥梁桩基础静载实验一、实测资料整理

·试验原始资料的内容

·试验桥梁的调查结果和验算结果;·试验方案及编制说明·各测试项目的读数及结构裂缝分布图;·桥梁结构材料的力学性能试验结果·荷载试验过程中出现的各种异常情况的记录和照片;

第四节静载试验数据整理分析一、实测资料整理

·试验资料整理

·侧值修正·温度影响修正·测点应力计算·挠度计算及误差处理方法·支点沉降影响的修正·荷载横向分布系数的计算

第四节静载试验数据整理分析二、试验曲线整理

1、荷载-变形曲线的整理

·荷载变形曲线表明了结构的基本工作状态和工作性质:弹性与弹塑性,局部工作状态

第四节静载试验数据整理分析二、试验曲线整理

2、结构位置-实测变形曲线的整理

·判断测试结果的正确性或结构反应的正常性·进行横向分布系数的计算·了解残余变形的分布情况·检查平截面假定,判断工作状态

第四节静载试验数据整理分析二、试验曲线整理

3、理论值-实测值关系曲线的整理

·检验设计计算理论的正确与合理性第四节静载试验数据整理分析三、允许限值及评估方法

1、效验系数

第四节静载试验数据整理分析三、允许限值及评估方法

1、效验系数

·实测挠度和应变：第四节静载试验数据整理分析三、允许限值及评估方法

1、效验系数

·残余变形：第四节静载试验数据整理分析三、允许限值及评估方法

1、规范允许限值

·挠度：第四节静载试验数据整理分析三、允许限值及评估方法

1、规范允许限值

·裂缝：第四节静载试验数据整理分析四、试验报告的编制

1、桥梁概况2、试验目的与依据3、试验方案4、试验过程5、各项试验精度6、试验成果与分析7、技术总结8、经验教训9、试验记录摘录图表信息第四节静载试验数据整理分析第五节静载试验实例第四章桥梁动载实验动载试验的方法与程序桥梁结构动力响应的测试动载试验数据分析与评估、第一节动载试验的方法与程序激励体系反应动力问题三要素:一、什么是动载试验

1、动载实验

·应用某种激振方法激起桥梁结构的振动，测定桥梁结构的固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数、动力响应（加速度、动挠度）等参量的试验项目，从而宏观判断桥梁结构的整体刚度、运营性能。第一节动载试验的方法与程序二、动载实验基本任务：

·测定结构的动力特性·测定结构在动菏载作用下的强迫振动响应

·测定动荷载的动力特性

第一节动载试验的方法与程序三、动载试验测试物理量

位移应变振幅加速度等1、动载试验测试数据的复杂性特点：

·激励和反应的随机性·反应和激励及体系的相关性

·无用信息的干扰性

2、测试数据的表现方式：时域描述第一节动载试验的方法与程序四、动载试验测试系统第一节动载试验的方法与程序激振源结构振动传感器放大线路记录分析装置一、激振方法

1、自振法(瞬态激振法)

·突然加载·突然卸载

2、共振法强迫振动法(强迫振动法)3、脉动法第二节桥梁结构动力响应的测试二、传感器选取与布置

1、传感器选择

·应变片、应变传感器·加速度传感器·位移传感器

·激光(红外)挠度测定仪2、测点布置第二节桥梁结构动力响应的测试三、振动测试系统组成

第二节桥梁结构动力响应的测试激励部分拾振部分数据采集分析系统采样/保持器模拟量/数字量转换器数据采集记录四、数据采集

1、采样定理与采样频率

第二节桥梁结构动力响应的测试四、数据采样

2、测量噪声的抑制

·加接交流稳压电源，减少电源电压波动引起的噪声

·测试系统单点接触。

·所有电源线和信号传输线应尽可能采用屏蔽线

·正在测试记录或分析时，应注意不要变动测试系统中任何仪器的任何开关·应尽量使仪器间的阻抗相互匹配，并使振动测试仪器接地电阻不大于。

第二节桥梁结构动力响应的测试五、试验组织

1、试验前现场准备工作

·仪器设备的准备

·传感器的安装布置。

·防护准备工作

·人员分工安排

·正式试验前的测试工作

第二节桥梁结构动力响应的测试五、试验组织

2、试验工作

·动载试验的测试内容一般包括地脉动测试、跑车测试、跳车测试三项

·进行跑车试验时，要较准确控制试验车辆的车速，并根据测试传感器的布置，确定试验车辆行驶途中进行数据采集的起止位置，以免测试数据产生遗漏。·每次测试后，要在现场进行数据回放和频谱分析，并与测试桥梁动力特性的理论计算值进行比较，检查测试数据是否正常·试验进行过程中，注意不要触动测试元件及测量导线，以免引起读数的波动。·实验完成后，清理仪器仪表、传感器，回收测试导线，拆除棚帐，清理现场，以便开放交通。第二节桥梁结构动力响应的测试一、时域分析

1、桥梁结构阻尼特性的确定

对数衰减率:

对数衰减率与阻尼比的关系:第三节动测数据分析与评估二、频域分析

1、均值、均方值和均方差

均值:反映静态强度

均方值:反映总强度均方差：反映动态强度第三节动测数据分析与评估二、频域分析

2、概率密度函数

3、自相关函数反映任一时刻的随机数据对它以后数据的影响程度，利用其鉴别随机数据的周期成分

4、功率谱密度函数反映在振动中占主导地位的频率，以此来判断结构的固有频率第三节动测数据分析与评估一、时域分析

2、冲击系数的确定

第三节动测数据分析与评估三、桥梁结构动力性能的分析评价

·比较桥梁结构频率的理论值与实测值，评价结构刚度

·根据动力冲击系数的实测值来评价桥梁结构的行车性能·根据实测加速度量值的大小，评价桥梁结构行车的舒适性·根据阻尼比的大小评价桥梁结构耗散外部能量输入的能力

第三节动测数据分析与评估·混凝土无损检测技术基本概念·常用无损检测方法·无损检测实例

第五章混凝土无损检测技术一、混凝土无损检测技术的形成和发展·什么是无损检测技术

在不影响结构件受力性能或其它使用功能的前提下，直接在构件上通过测定某些适当的物理量，推定混凝土的强度、均匀性、连续性、耐久性等一系列性能的检测方法·无损检测技术的发展第一节概述二、常用无损检测技术的分类·混凝土强度的无损检测方法·半破损法(钻心法、拔出法、射击法)·非破损法(回弹法、超声脉冲法、射线吸收与散射法、成熟度法)·综合法

(超声波回弹综合法、超声钻芯综合法、超声衰减综合法)第一节概述二、常用无损检测技术的分类·混凝土缺陷的无损检测方法·超声脉冲法

(穿透法和反射法)·雷达扫描法

·红外热谱法·声发射法第一节概述一、回弹法的基本原理回弹仪中的重锤撞击冲击杆后回弹,以回弹值来推定混凝土强度的方法二、回弹仪1.回弹仪的构造及基本原理第一节回弹法测混凝土强度二、回弹仪2.回弹仪的率定在钢钻率定法：在标准钢钻上的垂直回弹平均值做为调整的标准．率定的作用：·检验回弹仪冲击能量的标准性·检验构造标准和加工精度·检验仪器的稳定性·检验仪器有无损伤和故障第一节回弹法测混凝土强度二、回弹仪３.回弹仪的操作、养护和效验三、回弹法测强曲线无碳化混凝土