市政桥梁培训之桥梁荷载试验应力测试技术

市政政桥桥梁梁培培训训桥梁梁荷荷载载试试验验福州州大大学学土土木木工工程程实实验验教教学学中中心心林友友勤勤lyq@.c梁梁荷荷载载试试验验第一一章章应应力力测测试试技技术术第二二章章桥桥梁梁振振动动测测试试技技术术应力力测测试试主主要要内内容容：：§1-1概述述§1-2机测测法法§1-3光测测法法§1-4电测测法法一、、钢钢振振弦弦传传感感器器及及斜斜拉拉桥桥索索力力测测量量二、、电电阻阻应应变变式式传传感感器器§1-5应变变数数据据处处理理—应力力应应变变转转换换关关系系§1-6利用用动动应应变变或或动动挠挠度度测测量量桥桥梁梁冲冲击击系系数数§1-1概述述根据据应应力力与与应应变变之之间间的的转转换换关关系系，，通通过过测测结结构构或或构构件件表表面面、、内内部部应应变变来来得得到到结结构构或或构构件件的的应应力力状状态态。。钢材材的的拉拉伸伸试试验验中中，，在在其其屈屈服服之之前前，，其其应应力力—应变变之之间间存存在在着着线线性性关关系系我们们就就可可以以通通过过测测应应变变来来测测应应力力，，而而应应变变测测试试方方法法比比较较简简单单，，因因为为根根据据应应变变的的定定义义：：§1-1概述述应变变的的定定义义：：式中中：：———应变变———测区区长长度度的的变变化化量量———测区区的的原原始始长长度度，，称称之之为为标标距距§1-1概述述如在在机机测测中中，，将将放放大大后后测测量量；；在光光测测中中，，将将变变化化转转换换光光波波长长的的变变化化；；在电电测测法法，，将将其其转转换换为为电电的的某某些些特特性性的的变变化化并并放放大大后后测测量量；；如如在在电电阻阻应应变变测测试试技技术术中中，，将将转转换换为为传传感感元元件件的的电电阻阻并并进进一一步步转转换换为为电电压压的的变变化化等等等等。。§1-1概述述应变变测测试试的的主主要要方方法法：：———机测测法法———光测测法法———电测测法法§1-2机测测法法定义义：：利用用机机械械式式测测试试仪仪器器来来实实现现对对应应变变的的测测量量常用用仪仪器器：：———手持持式式应应变变仪仪———接触触式式应应变变仪仪手持持式式应应变变仪仪手持持式式应应变变仪仪接触触式式应应变变仪仪千分分表表千分分表表构造造：：千分分表表由由测测杆杆、、齿齿轮轮、、弹弹簧簧、、指指针针和和度度盘盘等等各各种种零零部部件件组组合合而而形形成成四四个个机机构构：：传感感机机构构（（千千分分表表中中的的触触杆杆））转换换机机构构（（千千分分表表中中的的大大小小齿齿轮轮及及弹弹簧簧））指示示机机构构（（千千分分表表中中的的指指针针））机体体和和保保护护部部分分工作作原原理理及及特特点点机测测法法工工作作原原理理：：将将测测区区长长度度的的变变化化通通过过千千分分表表的的测测杆杆传传递递给给一一组组齿齿轮轮，，通通过过齿齿轮轮将将长长度度的的变变化化进进行行放放大大并并改改变变方方向向，，转转换换为为指指针针在在刻刻度度盘盘上上的的转转动动并并指指示示，，进进而而计计算算出出应应变变值值。。机测测法法特特点点：：安安装装便便捷捷，，读读数数方方便便、、准准确确度度高高、、对对环环境境的的适适应应性性强强即即一一般般不不受受温温湿湿度度影影响响以以及及电电磁磁场场的的干干扰扰、、性性能能可可靠靠，，但但灵灵敏敏度度不不高高、、需需要要人人工工测测读读、、速速度度慢慢、、工工作作量量大大。。§1-3光测测法法定义义：：利用用光光的的某某些些特特性性如如波波长长的的变变化化与与应应变变之之间间的的转转换换关关系系，，通通过过测测量量光光波波长长的的变变化化来来实实现现对对应应变变的的测测量量传感感器器：：光光纤纤布布拉拉格格光光栅栅传传感感器器（（fiberopticBragggratingstrainsensor）表面面式式光光纤纤应应变变传传感感器器内埋埋式式光光纤纤应应变变传传感感器器表面面式式温温度度光光纤纤传传感感器器内埋埋式式光光纤纤温温度度传传感感器器§1-3——光纤纤布布拉拉格格光光栅栅传传感感器器构造造：：光光纤纤、、布布拉拉格格光光栅栅组组成成§1-3——光纤纤布布拉拉格格光光栅栅传传感感器器工作作原原理理：：式中中：：———光纤纤光光栅栅的的中中心心波波长长———纤芯芯的的有有效效折折射射率率———光栅栅周周期期。。§1-3——光纤纤布布拉拉格格光光栅栅传传感感器器结构构应应变变势势必必导导致致光光栅栅周周期期的的变变化化———这为为采采用用光光纤纤布布拉拉格格光光栅栅制制成成光光纤纤应应变变传传感感器器提提供供了了最最基基本本的的物物理理特特性性。。同样样温温度度变变化化也也会会引引起起光光栅栅布布拉拉格格波波长长的的变变化化。。波长的的变化化与应应变以以及温温度的的变化化可用用下式式来表表示：：§1-3——光纤布布拉格格光栅栅传感感器式中：：——应变以以及温温度变变化引引起的的波长长变化化——光纤光光栅不不受应应变及及温度度变化化的中中心波波长——待测应应变——为温度度变化化量——光纤光光栅应应变传传感灵灵敏度度系数数——光纤光光栅温温度传传感灵灵敏度度系数数。可采用用相同同温度度环境境下的的光纤纤光栅栅进行行温度度补偿偿。§1-3——光纤布布拉格格光栅栅传感感器特点：：光纤传传感器器是90年代出出现的的一种种用于于观测测应力力、应应变、、温度度以及及内部部裂缝缝、变变形等等结构构参数数的新新型传传感器器。高精度度高灵敏敏度远距离离分布式式耐久性性光纤的的小巧巧、柔柔软、、不易易拉断断抗电磁磁干扰扰能力力强集传感感与传传输于于一体体易于制制作和和埋入入结构构内部部而且物物理截截面和和力学学强度度小，，在粘粘贴或或嵌入入到主主体中中不会会对其其性能能和结结构造造成影影响。。§1-4电测法法电测法法：利利用电电的某某些特特性如如电阻阻、电电流、、电压压、频频率等等的变变化与与结构构应变变之间间的转转换关关系来来测定定结构构的应应变。。主要有有钢振振弦式式与电电阻式式及电电涡流流式一、振振弦式式传感感器利用固固定在在结构构上的的钢弦弦振动动频率率与结结构应应变之之间的的转换换关系系，通通过测测量钢钢弦的的振动动频率率来实实现对对应变变的测测量。。构造：：由夹夹块、、振弦弦、永永久磁磁铁、、线圈圈等组组成。。一般般有埋埋入式式与外外置式式，主主要产产品有有德国国麦哈哈克、、法国国德来来马克克、美美国基基康等等以及及中国国丹东东传感感器厂厂生产产。§1-4电测法法——钢弦式式传感感器§1-4电测法法——钢弦式式传感感器工作原原理：：利用用钢弦弦自振振频率率与钢钢弦应应变之之间存存在一一定关关系，，通过过测钢钢弦的的频率率来测测应变变。式中：：——钢弦自自振频频率——钢弦长长度——待测应应变——钢弦弹弹模——钢弦材材料常常数§1-4电测法法——钢弦式式传感感器§1-4电测法法——钢弦式式传感感器应力监监测§1-4电测法——钢弦式式传感感器特点：：结构构简单单、制制作方方便、、稳定定性好好、抗抗干扰扰能力力强及及远距距离传传输误误差小小等优优点，，近年年来得得到广广泛应应用，，特别别是应应用于于施工工应力力监控控中。。缺点点是价价格昂昂贵。。理想弦弦的振振动方方程在在斜拉拉索索索力力测试试中的的运用用目前测测量索索力的的方法法主要要有：：压力表表测定定法、压力传传感器器测定定法（应变变式或或振弦弦式））、钢钢索测测力仪仪法、、振动频频率法法、磁通通量法法、电阻应应变片片测试试法等，显显然除除了振振动频频率法法外其其它方方法均均无法法应用用于成成索的的索力力测试试。理想弦弦的振振动方方程T———是索的的张力力（N）；m———是索的的线密密度（（kg/m）；L———是索的的计算算长度度（m）；fn——是索的的第n阶振动动频率率（Hz）；索的振振动方方程弦振动动的频频谱图图呈倍倍频关关系利用基基频（（或频频差））计算算弦的的张力力Δf为理想想频率率段内内的各各阶频频率差差的平平均值值思考题题：下下图为为索的的振动动频谱谱图，，其基基频是是多少少？G15高速公公路青青洲闽闽江大大桥，，主跨跨605米杨浦大大桥，，主跨跨603米晋江大大桥晋江大大桥晋江大大桥施施工监监控晋江大大桥施施工监监控索力监监测晋江大大桥荷荷载试试验莆田木木兰溪溪特大大桥荷荷载试试验木兰溪大桥桥工程是荔荔港大道的的关键工程程。全长860米，左岸引引桥长240米；右岸引引桥长240米。其中，，主桥跨径径为40+50+2×100+50+40米的独塔单单索面自锚锚式悬索桥桥，全长364米；加劲梁梁为六孔一一联预应力力混凝土结结构，采用用单箱三室室截面，梁梁高3.5米，桥梁全全宽37.5米；主塔处处墩塔梁固固结，其余余桥墩均采采用活动支支座；全桥桥布置一根根主缆，置置于梁中央央，主缆直直接锚固于于梁体；形形成塔、梁梁、索的受受力体系。。引桥为4×30米跨径预应应力混凝土土连续梁桥桥。设计荷荷载为城－－A级。莆田市木兰兰溪大桥莆田市木兰兰溪大桥莆田市木兰兰溪大桥通车前福州州鼓山大桥桥鼓山大桥吊吊杆力测试试鼓山大桥吊吊杆力测试试恒载下某一一吊杆频谱谱图试验荷载下下某一吊杆杆频谱图福州市解放放大桥福州市解放放大桥福州市解放放大桥福州市解放放大桥利用振动法法测量斜拉拉索索力的的影响因素素利用理想弦弦的振动方方程计算斜斜拉索索力力有一定的的误差，主主要是因为为斜拉索索索力不仅跟跟索的长度度、线密度度、振动频频率有关，，还跟索的的刚度及垂垂度有关。。TensionadjusterHammerAccelerometerPoint1L/8CableBottomanchorTopanchorWallLoadcellPoint2L/4Point3L/2HammerAccelerometerAmplifierDataacquisitionPCMatlab斜拉索索力力实验研究究斜拉索索力力实验研究究斜拉索索力力实验研究究斜拉索索力力实验研究究压电式传感感器§1-4电测法——电涡流式组成探头、延伸伸电缆、前前置器、被被测体特点非接触式、、静态、动动态、高线线性、高分分辩率原理前置器中高高频振荡电电流通过延延伸电缆流流入探头线线圈，在探探头头部的的线圈中产产生交变的的磁场。如如果在这一一交变磁场场的有效范范围内没有有金属材料料靠近，则则这一磁场场能量会全全部损失；；当有被测测金属体靠靠近这一磁磁场，则在在此金属表表面产生感感应电流，，电磁学上上称之为电电涡流。与与此同时该该电涡流场场也产生一一个方向与与头部线圈圈方向相反反的交变磁磁场，由于于其反作用用，使头部部线圈高频频电流的幅幅度和相位位得到改变变（线圈的的有效阻抗抗），这一一变化与金金属体磁导导率、电导导率、线圈圈的几何形形状、几何何尺寸、电电流频率、、探头头部部线圈到金金属导体表表面的距离离等参数有有关。§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头之间的距距离变化——线圈的有效效阻抗的变变化——振荡电压幅幅度的变化化——经过检波、、滤波、线线性补偿、、放大归一一——输出电压的的变化FS8000系列电涡流流式位移计计电涡流式-探头电测法——电涡流式-前置器电测法——电涡流式-应用混凝土试件件收缩实验验探头安装---非接触电涡流式-应用IMP电压信号采采集板数据实时监监测§1-4电测法—电阻应变测测试技术电阻应变测测试技术的的基本原理理——通过粘贴在在结构表面面上的传感感元件（电电阻应变片片）把所测测的结构应应变转换为为电阻的变变化，再通通过桥路、、仪器把电电阻的变化化转换为电电压的变化化并加以放放大，由显显示器显示示出应变值值。工作框图：：§1-4电测法—电阻应变测测试技术电阻应变测测试技术的的优点：灵敏度高，，可测到1个微应变；；标距小，箔箔式应变片片最小标距距可达0.2mm，可测点应力力，用于应应力集中测测试；可远距离测测试；可测动、测测静；通过应变测测量可转换换为测力（（轴力、弯弯矩、扭矩矩、剪力））、位移等等；§1-4电测法—电阻应变测测试技术缺点：测表面应力力准确度高高，测内部部应力需要要一定技术术；测应力集中中不准确；；测量系统线线路多、易易干拢，易易受环境（（温度、湿湿度、电磁磁场）干拢拢；§1-4电测法——电阻应变片片电阻应变片片的构造：：电阻应变片片由三个部部份组成：：——基底（纸张张、环氧树树脂、酚醛醛树脂、聚聚酰亚胺等等胶膜）——敏感栅或电电阻丝栅（（康铜、镍镍、铬等特特殊材料制制成）——引出线基底起到保保护及固定定敏感栅的的作用，敏敏感栅或电电阻丝栅直直接感受结结构变形并并将结构变变形转换为为电阻变化化，引出线线连结到测测量桥路上上；§1-4电测法——电阻应变片片§1-4电测法——电阻应变片片§1-4电测法——电阻应变片片电阻应变片片的工作原原理：利用电阻丝丝的应变效效应，所谓谓电阻丝的的应变效应应指的是电电阻丝的电电阻值随其其本身应变变（伸长或或缩短）而而改变的一一种物理性性质。§1-4电测法——电阻应变片片通过数学分分析，对R求微分得：：由材料力学学可知：整理得：令：Ks———电阻丝的灵灵敏系数§1-4电测法——电阻应变片片由于电阻应应变片是由由电阻丝按按一定规格格挠制而成成的，因此此电阻应变变片同样有有如下的电电阻变化率率与应变的的关系：其中K为电阻应变变片灵敏系系数，一般般的电阻应应变片的灵灵敏系数比比电阻丝的的灵敏系数数来得小。。§1-4电测法——电阻应变片片应变片类型型1.绕丝式应变变片（U式）构造：由电电阻丝挠制制而成，根根据基底材材料的不同同可分为纸纸基、胶基基特点：制作作简单、价价格便宜、、纸基易受受潮、横向向灵敏度大大§1-4电测法——电阻应变片片应变片类型型2.短接式应变变片——绕丝式的改改进（H式）构造：纵横横向电阻丝丝通过点焊焊连接特点：横向向灵敏度小小、焊点易易脱落，不不适用于动动测§1-4电测法——电阻应变片片应变片类型型3.箔式应变片片——短接式应变变片的改进进构造：敏感感栅由很薄薄的金属箔箔片采用光光刻技术制制成，弯头头截面大§1-4电测法——电阻应变片片箔式应变变片的特特点:敏感栅截截面为矩矩形，较较圆断面面大，粘粘合面积积大不易易脱落，，传递应应变较丝丝式好;具有较大大的散热热能力；；弯头大，，横向效效应小可可忽略；；蠕变、机机械滞后后小、寿寿命高；；由于采用用光刻技技术，标标距可小小到0.2mm，可用于点点应力测测试。§1-4电测法——电阻应变变片应变片的的组成：：——单轴片——双轴片——三轴片——四轴片§1-4电测法——电阻应变变片§1-4电测法——电阻应变变片电阻应变变片规格格及特点点：——几何尺寸寸(栅长、栅栅宽）——阻值：标标准R=120Ω——灵敏系数数：K=2.00——横向敏度度(H)——极限应变变：6000με——绝缘电阻阻：R〉200MΩΩ——机械滞后后：应变片感感受结构构的变形形会滞后后一段时时间——工作电流流：Imax≤25mA，并不能用用高电压压、高电电流——零漂与蠕蠕变：零零漂是指指在恒温温、结构构不受力力情况下下应变片片指示的的应变值随时间间而变化化用με/h表示。原原因是受受潮、电电磁场干干拢；濡变——结构受荷荷稳定后后，应变变片指示示的应变变继续变化。——温度效应应：应通通过桥路路补偿或或自补偿偿给予消消除§1-4电测法——电阻应变变片应变片选选用——结构材性性均质材料料：钢丝丝、钢板板、钢筋筋用中小小片（标标距2、3、5、10mm）非均质材材料：如如混凝土土应选用用标距长长的应变变片——结构受力力应力梯度度大用小小片，应应力集中中用箔式式小片，，应力变变化不大大用中大大片，单单向应力力场用单单轴片，，已知主主应力方方向的双双向应力力场用双双轴片，，主应力力方向未未知的复复杂应力力场用三三、四轴轴片§1-4电测法——电阻应变变片粘贴工艺艺测点表面面处理—打磨测点表面面处理—清洗测点表面面处理—刷防潮绝绝缘层测点表面面处理—刷防潮绝绝缘层测点表面面处理—砂纸打磨磨测点表面面处理—清洗贴片固定接线线端子焊线§1-4电测法—静态电阻阻应变仪将电阻应变变片阻值值的变化化，转换换为电压压的变化化，并放放大后测测量。§4电测法——静态电阻阻应变仪仪TS3860静态电阻阻应变仪仪TS3860静态电阻阻应变仪仪DH3816应变测试试分析系系统（60点/台）§1-4电测法—静态电阻阻应变仪仪惠斯登电桥（串串并联桥桥路）顶点：ABCDE+,U+,E-,U-§1-4电测法—静态电阻阻应变仪仪通过电学学分析，，可得输输出电压压：对上式求求微分，，利用ΔR/R=Kεε并令R1=R2=R3=R4=R，可得：§1-4电测法—静态电阻阻应变仪仪上式表明明，输出出电压的的变化量量与桥路路电阻应应变的关关系，完完成了应应变——电阻——电压的转转换，从从而可以以通过测测试电压压的变化化来测试试应变，，这就是是电阻应应变仪工工作原理理，其中中：上式表明明：桥路路总输出出应变等等于邻臂臂应变相相减，对对臂应变变相加。§1-4电测法—静态电阻阻应变仪仪基本测量量桥路：：1/4桥、1/2桥、全桥桥¼桥适用于于恒温环环境、导导线电阻阻极小½桥应用较较广全桥适用用于条件件相当恶恶劣§1-4电测法—静态电阻阻应变仪仪基本测量量桥路：——全桥测量量法桥路图输出应变与各桥臂应变关系§1-4电测法—静态电阻阻应变仪仪基本测量量桥路：——半桥测量量法桥路图输出应变与各桥臂应变关系§1-4电测法—静态电阻阻应变仪仪基本测量量桥路：——每臂双片片测量法法桥路图输出应变与各桥臂应变关系§1-4电测法——半桥测量量法（举举例）§1-4电测法——半桥测量量法应用举例例——全桥测量量法筒式压力传感感器－－－－电阻阻应变原原理的推推广贴片图应用举例例——全桥测量量法筒式压力传感感器——接线（桥桥路）图图筒式压力力传感器器（筒式））压力传传感器弹簧式测测力计人工测读读自动采集集桥墩抗震震性能试试验----静位移测测量电测位移移计---电阻应变变测试技技术的应应用电测位移移计---电阻应变变测试技技术的应应用§1-5应变数据据处理—应力应变变转换关关系单向应力力场钢材1）采用规规范弹模模计算：：2）利用实实测应力力—应变曲线线确定：：§1-5应变数据据处理—应力应变变转换关关系混凝土1）用初始始的弹性性模量值值计算2）曲线确确定法§1-5应变数据据处理—应力应变变转换关关系混凝土3）假设曲曲线法双向应力力场§1-5应变数据据处理—应力应变变转换关关系双向应力力场1）点应变双双向向应力场场中，任任意角度度的应变变值：对其极值值，可得得主应变变大小及及方向：：§1-5应变数据据处理—应力应变变转换关关系双向应力场2）点应力双双向应力场场中，任意角角度的应力值值：对其极值，可可得主应力大大小及方向：：§1-5应变数据处理理—应力应变转换换关系双向应力中，，应力应变关关系或§1-5应变数据处理理—应力应变转换换关系举例——45度应片花的计计算§1-5应变数据处理理—应力应变转换换关系举例——60度应片花的计计算