第一章 桥梁检测技术.doc

第一章 桥梁检测技术1.1 概 述1.1.1引言随着我国改革开放的深入和社会主义市场经济体制的建立，公路交通作为我国经济建设中重点投资建设的行业，正以前所未有的规模和速度向前发展，截止到2002年，我国已建成永久性公路桥梁29.9万余座，总长度达1161.2万延米以上，其中特大桥1900座，171.86万延米，大桥15891座，276.12万延米。我国依靠自己的技术力量，建成了不同结构形式的大跨径悬索桥、斜拉桥、拱桥、连续刚构桥，取得了成功的经验。已建成和即将建成的一批大跨径桥梁，技术复杂，科技含量高，施工难度大，标志着我国桥梁技术已进人世界先进行列。在新桥大量建造的同时，桥梁工程的质量成为必须高度重视的重大问题。为了保证桥梁工程的质量，除了加强对勘测、设计和施工的质量管理之外，对竣工桥梁实行成桥检测是最为直接有效的方法，桥梁检测最主要的部分是桥梁的荷载试验。近年来，随着我国交通运输事业的不断发展，大量低等级公路被改建扩建，服役桥梁能否继续使用已成为公路建设决策部门的一件大事。20世纪70年代以前修建的大量低标准公路桥梁已达到或接近设计基准期。在风、雨、洪水、冰冻、温度变化和湿度等自然因素侵蚀下，甚至在地震、撞击和超载营运的严重损害下，许多桥梁的结构性能发生了巨大变化，有些桥梁已出现不同程度的损伤，甚至其承载能力已大大降低而逐渐演变为危桥，到20世纪末，我国公路危桥数量已达4451座，总长度达16万延米。为了对这类桥梁进行综合评定，为相应的技术改造或拆除改建的决策提供依据，对桥梁进行包括荷载试验在内的检测是必不可少的工作。总之，无论是新建桥梁还是在役桥梁，为了对其承载力进行评定，都需要进行桥梁检测。1.1.2桥梁检测的内容和检测依据1. 检测内容检测技术是桥梁试验的重要技术保障，它的科学性、准确性直接关系到桥梁结构试验能否达到预期的目的。桥梁检测的工作内容比较多，涉及到很多方面。从试验方法上来讲，分为静载试验、动载试验和无损检测；从试验经历的时间上来看，分为短期试验和长期试验；从试验的进行时期来看，分为成桥试验和施工阶段监测控制。在桥梁静载、动载试验中，检测的内容一般包括以下几个方面：（1） 试验荷载的大小；（2） 结构构件截面上应力的分布状态及其大小、支座反力、推力等的大小；（3） 结构的各种静态变形，包括水平位移、挠度、相对滑移、转角等。结构局部的损坏现象如裂缝的分布及其宽度、深度等；（4） 结构的动力特性，如自振频率、周期、衰减特性等，以及在动力荷载下的结构的动应力、动位移、速度和加速度等；要准确获取以上检测的各项数据，必须使用相应的检测仪器和检测方法。2. 检测依据公路桥梁检测应以国家和交通部颁布的有关公路桥涵的法规、技术标准、设计规范为依据进行，对于某些新结构以及采用新材料、新工艺的桥梁，无相关条款规定时，可以借鉴国外或国内其他行业的相关规范、规程的有关规定。我国结构工程的标准和规范可以分为：（1） 综合基础标准工程结构可靠度设计统一标准(GB 5015392)，是指导制定专业基础标准的国家统一标准。（2） 专业基础标准公路工程技术标准(JTJ 00197)、公路工程可靠度设计统一标准(GBT502831999)，是指导专业通用标准和专业专用标准的行业统一标准。（3） 专业通用标准公路桥梁检测主要涉及的专业通用标准有： 公路桥涵设计通用规范(JTJ02189) 公路砖石及混凝土桥涵设计规范(JTJ02285) 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTJ02385) 公路桥涵地基与基础设计规范(JTJ024-85) 公路桥涵钢结构及木结构设计规范(yrJ02586) 公路工程抗震设计规范(JTJ00489) 公路工程质量检验评定标准(JTJ 07198) 公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)(1988)（4） 专业专用标准。 公路桥梁检测主要涉及的专业专用标准有： 公路斜拉桥设计规范(试行)(JTJ02796) 公路悬索桥设计规范(正在制定) 大跨径公路桥梁抗风设计规范(正在制定) 大跨径公路桥梁抗震设计规范(正在制定) 需要说明的是，上述专业通用标准和专业专用标准有的正在修订之中，进行荷载试验时应按新颁布的标准执行。1.1.3常用检测仪器1. 检测仪器的分类检测仪器最常见的分类方法见表1-1。检测仪器分类 表1-1 分类依据仪器类型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、伺服式仪器等仪器的用途测力计、应变计、位移计、倾角仪、测振仪等测定的方法平衡式和非平衡式结果显示与记录方式直读式、自动记录式、模拟式、数字式仪器与结构的相对关系附着式、接触式、手持式、遥测式等2. 性能指标仪器的性能指标一般包括以下几个方面：（1） 量程：指仪器的最大测量范围，如百分表的量程一般有5cm和10cm。（2） 最小刻度：指仪器指示装置的每一最小刻度所代表的数值，如百分表的最小刻度为0.01mm。（3） 灵敏度：指被测结构的单位变化所引起仪器指示装置的变化数值。（4） 精度：指仪器指示的数值与被测对象的真实值相符合的程度。（5） 绝对误差：指仪器指示的数值与被测值之差。仪器的误差与仪器的准确度恰好相反。3. 桥梁检测对仪器的要求桥梁检测对仪器的要求包括以下几个方面：（1） 根据要求合理选用仪器的各项性能指标。（2） 仪器轻巧，使用方便、对环境适应性强，适于野外桥梁检测使用。（3） 仪器的多功能性，所使用的仪器应具有多种用途。（4） 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。目前应用于桥梁试验中的仪器，以电测类仪器较多，而机械式仪器仪表已不能满足多点量测和数据自动采集的要求。从发展的角度看，数字化和集成化检测仪器的应用日益广泛，不仅方便量测和数据处理，而且有利于提高检测精度。1.2 静载检测技术1.2.1引言桥梁静载试验时，需要量测的项目有结构的应变、位移、反力、倾角和裂缝等，应选择适当的仪器进行量测。常用的量测仪器有百分表、千分表、位移计、应变计(应变片)、应变仪、精密水准仪、经纬仪、全站仪、倾角仪和刻度放大镜等。这些测试仪器按其工作原理可分为机械测试仪器、电测仪器、光测仪器等。荷载试验应根据测试内容和量测值的大小选择仪器，试验前应对测试值进行理论分析估计，以便选择仪器的精度和量测范围。公路旧桥承载能力鉴定方法给出了仪器精度和量测范围的要求，见表1-2。静载试验常用仪表及适用范围 表1-2检测内容仪表名称最小分画值适用量测范围备 注应变千分表210-65010-6200010-6配合手持应变仪杠杆引伸仪210-65010-620010-6配合千分表手持应变仪510-610010-62000010-6配合千分表电阻应变仪110-65010-6500010-6需贴电阻片位移千分表0.001mm0.1 0.8mm需配表座及吊架百分表0.01mm0.3 8mm需配表座及吊架百分表(长标距)0.0lmm0.3 25mm需配表座及吊架挠度计0.lmm lmm需配表座及钢丝精密水准仪0.lmm 2mm需配水准尺电阻应变位移计0.0lmm0.3 25mm需配表座经纬仪0.5mm 2mm倾角水准式倾角仪2.52010需固定支架裂缝刻度放大镜0.05mm0.055m1.2.2机械式检测仪表1.2.2.1机械式检测仪表的一般原理机械式仪表的工作原理是通过机械传动系统和指示机构来测定结构所受荷载大小、应力及各种变形（包括挠度、位移、转角等）。它的特点是：安装便捷，读数方便，准确度高，对环境的适应性强，性能可靠，并在许多方面都能满足桥梁工程检测的要求，但灵敏度不很高，一般需要搭设脚手架，需要人工读数，试验人员较多。机械式仪表本身是由各种机械零件组合而成，通常包括杠杆、齿轮、弹簧、指针和度盘等。它主要包括以下四部分：1. 传感机构它直接感受被测量的物理量变化，并把这种变化传到转换机构。在接触式机械检测仪器中，这部分常常是测杆及弹簧；对于张线式机械检测仪器，则常常是鼓轮一类的机构。2. 转换机构它是把传感机构传来的被量测构件的变形放大或缩小，或改变方向，转化为仪表内器件的运动，如百分表中的大小齿轮及弹簧。3. 指示装置它是将经过转换机构转化而成的器件运动用可读形式表现出来。一般常由指针和度盘组成。如针入度仪中的指针和刻度盘。4. 附属装置仪表的支座、防护外壳等。它是把各组成部分联接成整体，使之保护仪器不受周围环境的影响。1.2.2.2接触式位移量测装置接触式位移量测装置是由接触式位移计（百分表、千分表和挠度计）与夹具（各种形式的磁力表架）组合而成。百分表、千分表和挠度计的外形相似，构造及工作原理相同，但检测的精度及量程不一样。其各自性能见表1-3。 接触式位移计性能表 表1-3仪表名称量 程（mm）刻度值（mm）允许误差（mm）百分表5,10,500.010.02千分表10.0010.001挠度计500.050.1百分表与千分表是桥梁工程检测中最常用的机械式仪表，常用于量测桥梁结构的挠度与位移，还可与其他传感器组合成测应变、转角、曲率、扭角等的仪具。1. 接触式位移计的构造和使用由于百分表、千分表和挠度计三者的构造与工作原理相同，以下仅介绍百分表。（1）百分表构造百分表是利用齿条一齿轮传动机构将线位移转变为角位移，并通过齿轮传动比进行放大的精密量具。图1-1是百分表的构造图。齿轮6、7、8将感受到的变形加以放大并变换方向，扇形齿轮和螺旋弹簧5的作用是使齿轮6、7、8相互之间只有单面接触，以消除齿隙间的无效行程。测杆4穿过百分表机体，其功能是感受试件的变形，当测杆上下运动时带动齿轮转动，再通过齿轮传递到长短针，使指针沿刻度盘旋转，指针移动的距离就可以在刻度盘上读出，该数值表示出测杆相对于百分表机体的位移。机体上的轴颈可供安装百分表使用，有些百分表的外壳背面设有耳环，以便于安装。图1-1百分表的构造图1-短针齿轮；2-齿轮弹簧；3-长针；4-测杆；5-测杆弹簧；6、7、8-齿轮（2）百分表的使用方法使用时，百分表装在表座上(大都采用磁性表座)，表架安装在临时专门搭设的支架上，支架应具有一定的刚度，并与被测结构物分开，见图1-2。将测杆触头抵在测点上，借助弹簧的使用，使其接触紧密。当测点沿测杆方向发生位移推动或放松测杆时，使测杆的平齿带动小齿轮，小齿轮又和它同轴的大齿轮一起转动，最后使指针齿轮和指针旋转，经过一系列放大之后，便在表盘上指示出位移值。图1-2 百分表安装1-百分表；2-调距杆；3-固紧螺丝；4-底座（3）注意事项1） 使用时，只能拿取外壳，不得随意推动测杆，避免磨损机件，影响测试精度。2） 安装时，要使测杆与欲测的位移的方向一致，或者与被测物体表面保持垂直。并注意位移的正反方向和大小，以便调节测杆，使百分表有适宜的测量范围；百分表架要安设稳妥，表架上各个螺丝要拧紧，但当颈夹住百分表的轴颈时，不可夹得过紧，否则会影响测杆的正常移动。3）表安装好，可用铅笔头在表盘上轻轻敲击，观察指针摆动情况。若指针不动或绕某一固定值在小范围内左右摆动，说明安装正常。4） 表使用一段时间或经过拆洗后，必须进行标定。2. 接触式位移计的用途位移计除用于测挠度与变位，它还可以与其它传感器组合成测应变、转角、曲率、扭角等仪器。（1）用位移计测应变 应变，就是结构上某区段纤维长度的相对变化(LL)。目前，常用位移计测结构应变的方法有两种：一种是将夹具直接安装在结构上的位移计应变量测装置，其夹具可按需要自制；另一种为手持引伸仪，这将在后面介绍。 采用特制的夹具将位移计安装在结构表面测定应变，具有精度高、量程大的特点。当应变值变化范围很大或需用大标距测定应变时，采用这种装置是非常合适的。 图1-3所示为位移计应变量测装置。固定位移计和顶杆的夹具，可用钢、铜或铝合金等制成，按照选定的标距以预埋或粘贴的方式固定在混凝土梁或钢梁等结构需测应变的部位上，进行应变检测。 图1-3位移计应变量测装置 1-金属夹头； 2-顶杆； 3-位移计； 4-试件（2）机械式转角量测装置转角的量测系统有两种，一种是用倾角仪及夹具组成的量测系统；另一种是利用两个位移计及相应夹具组成的量测系统，均可以进行结构截面、桁架节点、支座等处的转角测试。这里仅介绍后一种。图1-4所示为由位移计组成的转角量测装置。结构受力变形后测得A、B两点处的位移a1，、a2，则该截面的转角为： （1-1）图1-4位移计组成的转角量测装置1-固定；2-位移计此外，位移计还可以测构件的曲率，测定空间壳体结构的转角。1.2.2.3 张线式位移量测装置张线式位移量测装置是由百分表(位移计)与张线钢丝等组成，如图1-5所示。张线钢丝直径一般选用0.30.5mm，其一端接在桥梁结构的测点上，另一端悬吊适当的重物，百分表(位移计)通过夹具和钢丝相连接。结构受荷载后产生位移，引起钢丝上下移动，钢丝则带动位移计测杆移动，随指针转动即可测读位移变化量。图1-5 张线式位移量测装置1-结构上的测点；2-细钢丝；3-不动点；4-重物；5-位移计测杆；6-位移计；7-夹具1.2.2.4 手持式应变仪手持式应变仪是一种运用千分表量测应变的仪器，它的使用特点是：一台仪器可以轮流地进行多个测点的数据检测，使用方便。使用时无须将仪器固定在结构测点上，而是每次用手持着，临时按在各测点上进行测读，故称手持式引伸仪。测读后，将仪器从测点取下，其所测的结果仍保持数值的连续性，故特别适合于长期观测和多点检测，并可解决需大量或长期占用仪器的困难。另外，它还可用于布点密集、安装固定仪表有困难的部位。此种仪器的构造原理见图1-6。图1-6 手持式应变仪构造原理1-刚性的金属杆；2-插轴(尖形)；3-薄钢片；4-千分表；5-千分表的测杆；6-刚性的金属杆1.2.2.5 水准管式倾角仪图1-7水准管式倾角仪的构造图，它是一种利用高灵敏度的水准管来测定结构节点、截面或支座处转角的仪器。它的构造原理是：水准管1一端铰接于基座6，另一端通过弹簧片4被顶在测微计的微调螺丝3的下方。将仪器用夹具5装在测点后，通过调节微凋螺丝3使水准管的气泡调平居中，使水准管处于水平状态。结构变形后水准管发生倾斜，气泡漂移，再调节微调螺丝3使气泡重新居中，度盘上前后二次读数差即代表该测点的转角。这种仪器最小读数有的可达12，量程为3。这种仪器的优点为尺寸小，精度高，使用简便。缺点是受外界温度影响很大，且不宜受阳光爆晒，以免水准管爆裂。图1-7 水准管式倾角仪1-水准管；2-刻度盘；3-微调螺丝；4-弹簧片；5-夹具；6-基座；7-铰轴1.2.3 应变电测技术1.2.3.1引言结构在外力的作用下，内部会产生应力，而直接测定结构截面的应力比较困难，目前还没有较好的方法，一般的方法是测定应变，通过应力与应变的关系间接测定应力。在应变测量中，当前应用最广泛的是电测技术。应变电测技术是凭借安装在试件上的应变片将力学量(如应变、变形)转换成电阻变化，并用专门的仪器使其转换为电信号输出，从而获得应变读数的测试方法，通常简称为电测技术或电测法。与其他测试方法比较，应变电测技术在静载试验中具有以下优点：(1) 灵敏度高，测量速度快，测量结果精确、可靠。目前常用的应变仪和应变片可测得110-6应变，有的甚至可精确到0.510-6应变。(2) 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。(3) 应变片标距小、粘贴方便。测试时可不改变结构的原有应力状态，可以测量其他仪表(如机械式应变计)无法安装的部位处的应变或结构某个局部的应力。制成大标距时可以测量混凝土结构的应变。(4) 操作方便，测试方法易于掌握。应变的电测方法虽然有很多优点，但也存在不足之处，如应变片不能重复使用，贴片工作量大，使用的导线多，易受温度和电磁场等的影响，对应力集中的测量不准确等。1.2.3.2电阻应变片测试技术电阻应变片简称应变片或应变计，它是用金属或半导体材料制成的丝栅状应变敏感元件，其工作原理是利用金属或半导体材料受拉伸或压缩时电阻改变的特性，将物体的应变转换为可以测读的电信号。电阻应变片除用于测量应变、温度、压力、裂纹等外，还大量用于制造各种用途的传感器。1 应变片的分类 应变片的种类繁多，至今各种规格的应变片已有两万多种。表1-4给出了目前常用的几种分类方法。2 电阻应变片的构造应变片的种类虽多，但基本结构大体相同，以下仅以丝绕式电阻应变片的构造来说明。丝绕式应变片主要由敏感元件1、基底2、覆盖层3和引出线4等几部分组成，见图1-8。常用电阻应变的分类方法 表1-4分类依据种类敏感元件材料金属应变片（丝绕式应变片、短接式应变片、箔式应变片金属薄膜应变）半导体应变片（体型半导体应变片、扩散型半导体应变片、薄膜型半导体应变片、PN结型半导体应变片）基底材料纸基应变片、胶基应变片、金属片基应变片、临时基底应变片标距大小大标距应变片、小标距应变片敏感栅形状单轴(单片)应变片、应变花温度场低温度应变、常温度应变、中温度应变、高温度应变图1-8 丝绕式应变片构造1敏感丝栅；2基底；3覆盖层；4引出线（1）敏感丝栅是将应变变换成电阻变化量的敏感元件，一般由金属或半导体材料如康铜、镍铬合金制成的单丝或栅状体。敏感栅的形状和尺寸直接影响应变片的性能。（2）基底和覆盖层起定位和保护应变片几何形状的作用，也起到与被测试试件之间电绝缘作用。纸基常用厚度0.0150.02mm机械强度高、绝缘性能好的纸张制作。胶基则用性能稳定、绝缘度高、耐腐蚀的聚合胶制成。其它有特殊要求的应变片，可采用不同的材料做成基底。（3）引出线是用以连接导线的过渡部分，一般采用镀银、镀锡或镀合金的软铜线制成，在制作应变片时与电阻丝焊接在一起。（4）粘结剂是一种具有一定绝缘性能的粘结材料，把丝栅基底和覆盖层牢固地粘结成一个整体。3. 桥梁检测中几种常用的应变片(1) 丝绕式应变片丝绕式应变片是把敏感栅丝直接绕在各种绝缘基底上制成，是较为常用的一种应变片。由于采用较薄的基底材料，因此粘贴性能好，能保证有效地传递变形，稳定性好。这种应变片的制造设备和技术都较为简单，价格也较低廉。 (2) 箔式应变片箔式应变片是利用照相制版或光刻腐蚀技术，将箔材料在绝缘基底上制成所需形状的应变片。它粘贴性能好，传递变形的性能较丝绕式应变片为好，容易制成各种形状的应变片或应变花，具有良好的散热能力，可以允许较大电流，耐蠕变，但制作工艺复杂。箔片的材料主要为康酮、镍铬合金等。图1-9是几种常见箔式应变片的构造形式。图1-9 箔式应变片 (3) 半导体应变片半导体应变片是根据压阻效应制造出来的，压阻效应是指当半导体材料沿某一轴向受力产生变形时，电阻率会发生变化。图1-10是其构造图。半导体应变片的特点是灵敏系数大、频率响应好，可以做成小型和超小型应变片，但温度系数大，稳定性不及金属应变片。图1-10 半导体应变片l-胶膜衬底；2-P-SI片；3-内部引线；4-内部接线端子；5-外引线(4) 应变花在平面应力场中，需要测出三个方向的应变才可以求出该点的主应力大小及方向，这就要使用粘贴在一个公共基底上、按一定方向布置的34个敏感栅组成的电阻应变片。这种电阻应变片叫做电阻应变花、应变花或多轴应变片，有互为450、600、900应变花的形式，如图1-11所示。在应变花有4片敏感栅情况下，可以任测3个片敏感栅的应变值，用于计算主应变主方向，另一片用作校核用。图1-11 应变花的构造4金属应变片的工作原理 金属应变片测量应变的工作原理是基于金属丝的电阻随其机械变形而变化的一种物理特性。取长度为L，直径为D，截面积为A，电阻率为的金属丝，则其电阻R为： （1-2）根据多元函数微分学，可以写出电阻R的微分表达式为： （1-3）由此，不难导出，当金属丝受拉而伸长L时，电阻的变化率为： （1-4）其中： 略去高阶微量D2项，则 （1-5）式中电阻丝材料的泊松比；电阻丝的横向应变。由材料力学可知，在一定范围内，将式(1-5)代人式(1-4)，得： （1-6）其中：，指单电阻丝的灵敏系数，其物理意义是每单位应变所造成的相对电阻变化率。K0与两个因素有关，一个是电阻丝材料的泊松比，由电阻丝几何尺寸改变引起，当选定材料后，泊松比为常数；另一个是由电阻丝发生单位应变引起的电阻率的改变，对大多数电阻丝而言也是一个常量。因此可以认为K0是一个常数，通常式(1-5)可写为： （1-7）由此可见，应变片的电阻变化率与应变值成线性关系。K通常由一批产品中抽样检验确定，作为该批产品的灵敏系数。一般K的值在2.0左右。5应变片的选用 应变片选用时应根据检测试件所处的环境条件、材料性质、受力特点、检测性质、应变范围、测试精度要求、经济因素等综合考虑。使用时可按下列原则选用：按被测试件的材料性质选用。在匀质的材料如钢材、有机玻璃等上应用可选用小标距的应变片，常用520mm；如果在材质不均匀、强度不等的材料如混凝土上应用，可选用大标距的应变片，在混凝土结构上使用的应变片的标距应比最大集料粒径大4倍以上，一般选标距为50150mm的长片。对于一般的荷载试验，采用120纸基金属丝应变片就可满足试验要求。按被测试件的受力状态选用。在应变梯度较大的区域内量测应变时，应选用标距较小的应变片；在应变梯度较小且又均匀时，可选用中标距应变片；用于长期量测的应变片，应有较高的耐久性和稳定性，以胶基应变片和箔式应变片为好；用于长期动荷载作用下的应变量测，应考虑应变片的疲劳寿命，以选用小标距应变片为好；对于应变值较大或者量测塑性变形阶段的应变时，要选用大变形量测的应变片。按量测应变时的环境条件选用。环境温度对电阻应变片的使用影响很大，使用中除严格挑选适宜的应变片外，还应采取有效措施减少温度的影响。除此之外，环境的湿度常常也能破坏应变片的正常工作，潮湿环境中最好选用胶基应变片，同时采取有效的防潮措施。对于有特殊要求的，可选择特种应变片，如低温应变片、高温应变片、裂纹扩展片、疲劳寿命片等。6. 应变片的粘贴工艺 应变片的粘结工艺包括粘结剂的选用、粘结工艺与防护措施三方面。(1) 粘结剂粘贴应变片用的粘结剂称为应变胶。应变胶主要作用是可靠地将试件应变传递到应变片的敏感丝栅上。应变胶的性能直接影响应变片的质量和现场测试的成败。对应变胶的性能要求是：粘结强度高(剪切强度一般不低于34MPa)，电绝缘性能好，化学稳定性及工艺性好等。常规桥梁荷载试验粘贴应变片的应变胶一般采用快干胶和环氧树脂胶。501快干胶和502快干胶是借助于空气中微量水分的催化作用而迅速聚合固化产生粘结强度的。该类胶粘结强度能满足桥梁应变测试要求，但随生产厂家产品质量和存放时间长短的不同，粘结强度差别很大，且只能在低温、干燥和避光的条件下保存。环氧树脂胶是靠分子聚合反应而固化产生粘结强度的。它有较高的剪切强度和防水性能，电绝缘性能好。它的主要成分是环氧树脂，并酌量加入固化剂和增韧剂等配制而成。(2) 应变片的粘贴工艺一般地，应变片的粘贴工艺可归纳如表1-5所示。(3) 防护措施在完成应变片的粘贴后，将应变片的引线和导线焊接在接线端子上，然后立即涂上防护层，以防止应变片受潮和机械损伤。高的绝缘电阻值可保证测量的精度，但要求过高会加大工作量和增加防护工作的难度。所以一般要求静态测量绝缘电阻大于200M，动态测量可以稍小于200M，对于长期检测和要求精度高的检测，绝缘电阻应大于500M。图1-12给出了几种常用的防护措施；图1-12a)、b)适用于一般潮湿条件，图1-12c)适用于水中或极湿条件；图1-12d)适用于水中或混凝土浇筑场所。图1-12 应变片防护示意图1-防潮层；2-隔离层；3-应变片；4-试件；5-硬质防潮层；6-轻质防潮层；7-引线；8-保护套管；9-绑扎线应变片的粘贴工艺 表1-5工作顺序工作内容操作方法要 求1检查分选外观检查借助放大镜肉眼检查无气泡、霉点、锈点，外观平直阻值检查用1%精度万用表检查无短路、断路，同一测区应变片阻值相差不大于0.52测点检查初步定位定测点的大致范围应变片周边宽35cm的测区测点检查检查测点处的表面状况平整、无缺陷、无裂缝打 磨磨光机或1号砂纸打磨平整、无锈、无浮浆清 洗脱脂棉、纱布蘸丙酮或无水乙醇清洗干擦时无污染准确定位准确画出测点的纵横中心线纵线应与主应变方向一致3粘贴上胶用合适的小灰刀在测点均匀涂上预先调制好的一层薄胶应变片的定位标志应与十字中心线对准挤压将应变片放在定位线上，盖上塑料薄膜，用手指沿一个方向挤压，挤出多余的胶胶层应尽可能薄，挤压时注意保持应变片不滑移加压根据粘胶特性，在应变片上稳压一段时间应达到粘胶的初凝时间粘贴端子接线端子靠近应变片引出线用贴片胶粘贴胶达到强度后无松动、脱落4固化处理自然干燥根据自然条件和粘胶特性确定时间粘胶强度达到要求人工固化粘胶达到初凝时间后用红外线灯照射或电吹风吹热风加热温度不超过50，受热均匀5粘贴质量检查外观检查借助放大镜肉眼检查位置准确、无气泡、粘贴牢固阻值检查用万用表检查无短路、断路绝缘检查用万用表200M档检查应达到50M以上6导线连接引出线绝缘应变片引出线底下涂粘贴胶或贴胶布引出线不能短路导线焊接用电烙铁、焊锡把应变片引出线和测量导线焊接在接线端子焊点应圆滑、无虚焊固定导线用粘胶或胶布固定测量导线轻微摇动导线不影响焊点1.2.3.3电阻应变仪测试技术结构的应变是通过应变片的电阻变化率进行测量的。而结构在弹性范围内的应变是很小的，如钢弹性模量为E2105MPa，测量时如果要求能分辨出20Mpa的应力，当应变片阻值为100，K2.0时，RRKE0.02。由此可见，测量电阻用的仪器必须能够分辨出电阻在00.02的细微差别，这是一般常用测量电阻的仪表达不到的，必须借助专门的电子仪器进行测量和鉴别，这就是电阻应变仪。电阻应变仪主要由电源、振荡器、测量桥路、放大器、相敏检波器、滤波器和指示记录器组成。根据测量应变特点和变化规律，电阻应变仪可分为静态电阻应变仪、动态电阻应变仪。静态电阻应变仪用于测量静态应变，要求仪器的放大器具有良好的稳定性，尽可能减少零点漂移。配备平衡箱时可进行多点应变测量。动态电阻应变仪用于测量500Hz以下的动态应变，除要求其稳定性好以外，还需要有高的灵敏度和足够的功率输出，以及小的非线性失真，低的噪声和一定的频宽特性，以便对测量信号的各种频率或非正弦波信号均能如实放大。动态电阻应变仪一般做成多通道，同时采集多个动态信号。电阻应变仪可直接用于应变量测，如配用相应的电阻应变式传感器，也可测量力、压力、扭矩、位移、振幅、速度、加速度等物理量的变化过程，是实验应力分析中常用的仪器。下面介绍常用的几种静态电阻应变仪。1. 国产YJS14型静态数字应变仪YJS14型静态数字应变仪是一种静态应变自动量测装置，能自动平衡(或不需平衡)、自动换点、自动量测、数字显示和自动打印，并可与计算机联机进行数据记录与处理。它主要由五个部分组成，分别为转换器、电阻应变仪、运算器、控制器和输出装置。YJS14型静态数字应变仪的工作过程就是把应变测点组成惠斯登电桥电路。电桥的初始不平衡采用初始值存贮的办法，即把每一个测点的初始不平衡值通过放大和AD转换器转换成数字信号，记入对应序号内存中。在量测时，量测信号也转换成数字信息送入运算器，运算器从内存中取出对应测点的数字信息。测点转换或量测区段的选择均由控制器控制。YJS14型静态数字应变仪最多可联四台转换箱，每台100点，共400点。仪器测点电阻值按120设计，但对601000的应变片也适用，其非线性影响由运算器逐点在量测中修正。分辨率A级为2微应变字，B级为1微应变字。灵敏系数K值可在1.53之间调整，最大量程为019 998微应变。2. 日本产TDS303数据采集仪TDS303数据采集仪采用ADC专利技术，交互式触摸屏操作，最多8个通道监视，内置高速打印机、3.5软驱和存储卡驱动器，具有手动、定时、比较等自动量测功能，交直流供电，适合实验室和现场使用，是同类产品中的佼佼者，也是20世纪90年代较为先进的产品之一。TDS303数据采集仪最多可达1000个测点，主机本身最多为30个点，其余则需要使用外部转换箱。可用于全桥、半桥、14桥和长桥路的多点应变量测，测点转换速度分别为0.06s点(1SW转换箱)和0.08s点(SSW和ASW转换箱)，分辨率在一般方式下为1微应变，在高分辨率方式下为0.1微应变。量测范围640000微应变，量测精度0.05%，适应环境温度0+500C和湿度85%。目前国内不少桥梁检测单位在积极引进并开发使用这类仪器。获取准确试验数据依赖于正确地使用电阻应变仪，因此必须注意做好以下工作。1. 使用前的准备工作及注意事项 (1) 选好电阻应变仪的安放位置，尽量远离各种电磁干扰源，如大功率电动机、电焊机和高压线等； (2) 电阻应变仪要接地良好，注意模拟信号地线、数字信号地线，以及电源地线之间的隔离； (3) 电阻应变仪所用电源必须稳定可靠，输入电压(220V)的变化范围应保持在-10%+5%之内； (4) 测点的连接导线尽量远离电源线，以免交变电源的干扰耦合到连接导线内，对测点信号造成干扰，影响测量精度； (5) 必须固定好连接测点与电阻应变仪的导线，不允许随风摆动，以免导线的电阻变化，影响测量精度；(6) 补偿片与工作片必须规格相同，补偿片贴在与被测试件材料相同且不受力的试件上 (补偿块)，并将贴有补偿片的试件放置于被测试件一起，使它们处于同一温度场；(7) 再次确认前期准备工作的质量，如电阻应变片对地的绝缘电阻、电阻应变片及连接导线 是否开路或短路等；(8) 将测点连接线接人电阻应变仪，进行扫描测量，观察是否所有测点均可调整平衡，对不能平衡的重要测点应及时查找原因，采取处理补救措施。2. 试验操作(1) 测试前，电阻应变仪必须通电预热30min； (2) 做好各种参数设置：接桥测量方式、测量范围、修正值、补偿点等；(3) 加荷载前，操作电阻应变仪进行各测点初始平衡调整或初始值扫描记忆。注意保护初始值，在本级荷载未卸载之前，不允许再进行读取初始值的操作。对于动态应变仪，还要进行各测量通道的标定； (4) 所加荷载稳定后，操作电阻应变仪进行各测点的测量，读取测量数据； (5) 卸载后，操作电阻应变仪进行各测点的测量，读取回零数据。1.2.4光测式量测装置 光测式量测装置主要包括精密水准仪、经纬仪、全站仪、光电式挠度仪和刻度放大镜等仪器。 静载试验过程中，桥梁结构的空间变位是结构评估所必须的重要量测数据。对于搭设支架困难的情况(或为了与机械式、电测式位移计对比)，采用精密水准仪、经纬仪、全站仪或光电式挠度仪，可更方便地观测桥梁结构控制截面处的变位(竖直、水平两方向)、桥轴线的偏离、桥梁主跨径的相对变化等重要量测值。有关各种测量仪器的使用详见各自的操作说明书。 刻度放大镜一般用于桥梁结构表面最大裂缝宽度的观测，方法较为简便，不再赘述。1.3 动载检测技术1.3.1 引言桥梁结构的动载试验中，需要检测、记录和分析结构动力特性和及其在动力荷载下的应力(应变)、位移、速度、加速度等物理量。这涉及结构振动问题。结构振动的测试仪器包括测振传感器、信号放大器、动态电阻应变仪、光线示波器、笔录仪、磁带记录仪和数字信号处理机等。近年来振动信号分析处理技术发展很快，已开发出多种以AD转换和微机结合的数据采集和分析一体化的智能仪器和大型动态分析应用软件，可以进行实时数据采集分析，并能实现数据储存，有取代磁带记录仪和专用信号处理机的趋势。1.3.2 测振传感器测振传感器从工作原理上可分为两个组成部分，即机械接收部分与机电转换部分，如图1-13所示。机械接收部分的作用是将被测物理量(振动位移、速度、加速度、力或应变等)接收为另一个适合于机电变换的中间机械量Xt。机电变换部分再将Xt，变换为电量E(电动势、电荷量、或电阻、电容、电感等电参量)。图中所示测量电路的作用是将变换所接收的电量E转变为后续仪器所能接收的一般电压信号U。机械接收Xi机电变换测量电路XtEU图1-13 测振传感器的工作原理测振传感器的分类见表1-6。测振传感器的分类 表1-6分类依据种类机械接收原理相对式、惯性式机电变换原理电动式、压电式、变电阻式、变电容式、变电感式、压阻式、电涡流式所测机械量位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器接收与变换有无反馈非伺服式、伺服式1.3.2.1桥梁动测中常用的测振传感器1. 惯性式测振传感器惯性式测振传感器由惯性质量、阻尼和弹簧组成一个动力系统。传感器的外壳固定在振动体上，它与振动体一起振动，通过量测惯性质量相对于传感器外壳的运动，就可以得到振动体的振动，如图1-14。图1-14 测振传感器力学原理1-振动方向；2-振动体；3-传感器惯性质量、弹簧和阻尼系统是测振传感器的感受部分。感受到振动信号要通过各种转换方式转换成电信号，转换方式有磁电式、压电式、电阻应变式等。传感器所测的振动量通常是位移、速度和加速度等，按它们的转换方式和所测振动量可以分成很多种类。以下简要介绍磁电式速度传感器和压电式加速度传感器。（1）磁电式速度传感器 磁电式速度传感器是根据电磁感应的原理制成的，其特点是灵敏度高，性能稳定，输出阻抗低，频率响应范围有一定宽度。调整质量、弹簧和阻尼系统的动力参数，可以使传感器既能量测非常微弱的振动，也能量测比较强烈的振动。图1-15所示为一磁电式速度传感器，其中磁钢和壳体相固连，并通过壳体安装在振动体上，与振动体一起振动；芯轴和线圈组成传感器的系统质量，通过弹簧片(系统弹簧)与壳体连接。振动体振动时，系统质量与传感器壳体之间发生相对位移，因此线圈与磁钢之间也发生相对运动。传感器的电压输出(即感应电动势E)与相对运动速度v成正比。图1-15 磁电式速度传感器1-磁钢；2-线圈；3-阻尼环；4弹簧片；5-芯轴；6外壳；7-输出线；8铝架（2）压电式加速度传感器压电式加速度传感器体积小，质量小，使用频率范围宽，稳定性与抗干扰性能等都较好，因此在桥梁结构动载试验中，尤其是在模型振动试验中应用广泛。图1-16所示为一种压电式加速度传感器，压电晶体片4上是质量块3，用硬弹簧2将它们夹紧在基座上。质量弹簧系统的弹簧刚度由硬弹簧的刚度和晶体片的刚度组成，刚度很大，质量块的质量较小，因而质量弹簧系统的固有频率很高，可达数千赫兹，高的甚至可达100-200kHz。图1-16 加速度传感器1-外壳；2-硬弹簧；3-质量块；4-压电晶体；5输出端由理论分析可知，当传感器的固有频率远远大于所测振动的频率时，质量块相对于外壳的位移就反映所测振动的加速度。质量块相对于外壳的位移乘上晶体的刚度就是作用在晶体上的动压力。这个动压力与压电晶体两个表面所产生的电荷量(或电压)成正比，因此我们可以通过量测压电晶体两个表面所产生的电荷量来得到所测振动的加速度。2电阻式传感器电阻式传感器是桥梁结构动载测试中常用的一种传感器。将振动量转换成传感器元件的电阻变化的形式比较多，其中主要有滑线电阻式和电阻应变式两种。目前采用的半导体应变片由于其灵敏度系数高，从而提高了这类传感器的灵敏度。 图1-17所示为电阻应变式传感器构造示意图。电阻的变化是通过电轿电路原理进行量测的，可直接与动态电阻应变仪相配合进行测试。图1-17 电阻应变式传感器1惯性块；2-外壳；3-簧片梁；4-电阻片；5注满硅油；6-基座电阻应变式传感器的特点是低频响应较好。根据其固有频率的高低，也可分为位移传感器和加速度传感器。1.3.2.2测振传感器的选用与安装1. 性能比较在桥梁结构振动测试中，加速度一般在0.1mms2lms2(10g0.1g)，频率一般在0.120Hz范围内，通常采用加速度传感器来感受结构的动力反应。常用加速度的性能比较见表1-8。常用加速度传感器性能比较 表1-8结构形式压电式磁电式电阻式体积小较大小频率(Hz)0.120k0.48005k供电需要需要不需要输出量电荷电压电压抗过载能力好好差是否适合野外是是否测试系统压电式传感器+电压或电荷放大器+记录装置电磁式传感器+信号放大器+记录装置电阻式传感器+动态电阻应变仪+记录装置特点可测频响较宽，但系统抗干扰性差。长导线对阻抗影响较大，易受电磁场干扰输出信号强、灵敏度高、稳定性好、传感器输出阻抗低、长导线的影响较小，抗干扰性能好低频响应好，易受温度的影响，抗干扰性能较差，长导线对灵敏度也有影响2. 选用原则传感器的选用应遵循以下原则。（1） 应保证传感器的质量小于被测系统有效质量的110；（2） 估计测试频率范围，并检查是否位于所选传感器的频率范围内；（3） 估计测试的最大振动加速度的值，并检查是否已经超出传感器最大允许冲击加速度的13。3. 安装传感器安装的好坏直接影响测试结果和测试精度。其安装应按照方便、牢靠的基本原则，根据传感器的安装部位和方向、传感器的重量来选择安装方法。主要安装方法有如下几种：（1） 用螺栓固定传感器底座，这是一种最有效的安装方法，但要在被测振动体上钻螺栓孔并攻丝，因而比较麻烦。（2） 用永久磁铁安装，即在传感器安装座上装一专用磁铁，然后利用磁铁吸力将传感器固定在振动体上，这种方法简单方便，但安装效果较用螺栓固定差。（3） 用蜡、石膏或两面粘贴胶带等材料胶粘，这种安装方法一般只能适用于常温。（4） 用专用探杆使用传感器与被测表面接触，振动通过探杆传递给传感器，一般用于不便于固定传感器的特殊情况，但这种方法只能用于频率在1000Hz以下的振动。（5） 用小砂袋放在传感器上方压紧。此法只适用于平面放置传感器。（6） 用快干胶或环氧树脂粘贴。1.3.3测振放大器 测振放大器是动力测试系统中的重要组成部分，一般称为二次仪表。测振传感器输出的信号一般都很微弱，需经放大器放大之后才能推动记录设备。测振放大器除对信号有放大作用，一般还具有对信号进行微分、积分和滤波等功能。放大器按放大方式分为两种：一种是直接放大形式，并具有微、积分等运算网路和滤波器，这类放大器配合电动式和压电式传感器使用；另一种是载波放大形式，将输入信号经载波调制后再放大，经过检波解调恢复原波形输出。它又可分为调幅式、调频式和调相式等，这类放大器配合电阻应变式传感器及电感、电容式传感器使用。在桥梁结构试验中，一般常用的放大器有微积分放大器、电压放大器、电荷放大器、动态电阻应变仪等。1. 微积分放大器在桥梁动力测试中，经常需量测位移、速度和加速度这三个振动量，而这三个量在数学上存在简单的微积分运算关系，即：加速度 速 度 （1-8）位 移 利用电量的微分和积分运算较容易实现这一特点，在测试系统中用微积分电路可以很方便的得到被测对象的位移、速度和加速度等振动参数。通过微积分放大器可将电动式传感器的输出信号加以积分、微分和线性放大。2. 电压放大器电压放大器是压电式传感器的一种前置放大器，其作用是将压电传感器输出的微弱信号加以放大，将传感器的高输出阻抗转换成较低值。电压放大器构造简单，可靠性强，其缺点是传输电缆长度对量测结果有影响，低频响应差。因此，在测试中要选用短导线和低噪声电缆。3. 电荷放大器由于压电式传感器输出阻抗很高，并且输出信号微弱，因此需采用输入阻抗极高的一种放大器与之相配合，否则传感器产生的电荷会经放大器的输入电阻释放掉。采用电压放大器同压电式传感器配合时，由于传输电容对结果有很大影响，且有传输距离较短、低频响应差等缺点，因此常采用电荷放大器与压电式传感器相配合。电荷放大器的优点是对电缆电容不敏感，传输距离可达数百米，