第二章-桥梁的量测技术分析

第二章-桥梁的量测技术分析第一页，共72页。第一节概述第二节应变测试仪器与技术第三节变形测试仪器与技术第四节振动测试仪器与技术第五节其他物理参数测试仪器与技术主要内容：主要内容2第二页，共72页。第一节概述

量测技术、仪器设备、测试元件是桥梁检测的重要技术保障，量测技术的科学性、准确性直接关系到桥梁检测能否达到预期的目的。3第三页，共72页。主要包括：第一节概述桥梁静载、动载试验中的测试内容检测仪器的分类仪器的性能指标桥梁检测对仪器的要求（选用原则）仪器的计量标定4第四页，共72页。桥梁检测的测试内容：作用力的大小，包括试验荷载的大小、一些构件的内力、支座反力、推力等的大小。结构截面上各种应力（变）的分布状态及其大小。结构的各种静态变形，包括水平位移、竖向挠度、相对滑移、转角等。第一节概述5第五页，共72页。桥梁检测的测试内容：结构局部的损坏现象如裂缝的分布及其宽度、深度等。在动荷载作用下，要测定结构的动应力（变、动挠度、加速度时程等。第一节概述6第六页，共72页。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（与电结合）伺服式仪器（智能）第一节概述7第七页，共72页。检测仪器的分类：按仪器的用途测力计应变汁位移计倾角仪测振仪第一节概述8第八页，共72页。检测仪器的分类：按测定的方法分为平衡式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第一节概述9第九页，共72页。量程(测量范围)仪器的最大测量范围叫做量程。如百分表的量程一般有5cm和10cm．千分表的量程有3mm和5mm。最小分度值(最小刻度)仪器指示装置的每一最小刻度所代表的数值叫做最小刻度。百分表的最小刻度为0.01mm，千分表的最小刻度为0.001mm。第一节概述仪器的性能指标：10第十页，共72页。灵敏度被测结构的单位变化所引起仪器指示装置的变化数值叫做灵敏度。灵敏度与最小刻度互为倒数。准确度(精确度)仪器指示的数值与被测对象的真实值相符合的程度叫做准确度。误差仪器指示的数值与真实值之差叫做仪器的误差。第一节概述仪器的性能指标：11第十一页，共72页。分辨率使仪器输出量产生能观察出变化的最小被测量。滞后仪表的输入量从起始量程增至最大量程的测量称为正行程，输入量由最大量程减至起始量程的测量称为反行程。同一输入量程正反两个形成输出值间的偏差称为滞后。第一节概述仪器的性能指标：12第十二页，共72页。漂移零位温漂，指当仪表的工作环境温度不为20℃时零位输出温度的变化率。满量程热漂移，指当仪表的工作环境温度不为20℃时满量程输出随温度的变化率。第一节概述仪器的性能指标：13第十三页，共72页。对于动力试验量测仪表的传感器、放大器及显示记录仪器等各类仪表需考虑下述特性。线性范围：保持仪表的输入量和输出信号为线性关系时，输入量的允许变化范围。频响特性：指仪器在不同频率下灵敏度的变化特性。相移特性：振动参量经传感器转换成电信号或经放大、记录后在时间上产生的延迟叫相移。第一节概述仪器的性能指标：14第十四页，共72页。仪器的量程、准确度、灵敏度要根据检测的要求合理选用，仪器工作性能稳定，抗干扰能力良好，在野外检测时这一点显得尤为重要。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。第一节概述桥梁检测对仪器的要求（选用原则）：15第十五页，共72页。仪器轻巧．自重轻、体积小，便于野外桥梁检测时携带。仪器的多用途，所使用的仪器应具有多种用途。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。（核磁辐射）第一节概述桥梁检测对仪器的要求（选用原则）：16第十六页，共72页。量测仪器的某些性能之间经常是互相矛盾的，如精度高的仪器，其量程较小；灵敏度高的器适应性较差。因此在选用用仪器时．应避繁就简，根据试验的要求来选用合适的仪器，灵活运用。第一节概述桥梁检测对仪器的要求（选用原则）：17第十七页，共72页。什么是标（率）定？为了保证检测的数据准确性，在检测过程中使用的仪器设备必须对其进行计量标定。标定是统一量值确保计量器具准确的重要措施；是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。仪器的标定可以分为强制标定和非强制标定两类。强制标定的仪器仪表实行定点、定期标足，非强制标定的仪器表可由使用单位依法自行标定。第一节概述仪器的计量标定：18第十八页，共72页。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。标定的目是要要确定仪器是否合格，是否对以继续正常使用，是否达到国家计量标准。标定具有法制性，标定证书在社会上具有法律效力，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。（计量认证CMA）第一节概述仪器计量标定的特点：19第十九页，共72页。机械仪器的标定：如百分表、干分表、测力计的标定，回弹仪的率定。电子仪器的标定：超声波仪的标定，应变仪、应变计(应变片)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、激光挠度仪、倾角仪、度数显微镜等。第一节概述仪器的计量标定：20第二十页，共72页。电阻应变测试技术电阻应变片振弦式应变测试技术光纤光栅应变测试技术第二节应变测试仪器与技术主要包括：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，目前还没有直接的测试方法，一般的方法是测定应变。21第二十一页，共72页。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、位移等)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，通常简称为电测技术或电测法。其转换过程如图所示：第二节应变测试仪器与技术电阻应变测试技术：22第二十二页，共72页。灵敏度高，测量结果比较可靠（几个微应变）实施简便，测量速度快。易于实现全自动化数据采集、多点同步测量、远距离测量和遥控测试，操作方便，测试方法易于掌握。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。第二节应变测试仪器与技术电阻应变测试技术优点：23第二十三页，共72页。适用范围广。可在高温、低温、高压、高速、旋转和具有核辐射干扰等特殊条件下成功量测，可用于模型实验，也能直接用于运行中的机械和实体结构各部位的静、动态和瞬态应变量测，可测频带宽。使用广泛。根据应变原理可以制成不同形式的传感器，用于各种物理、力学参数的量测。易于实现整个测试系统的自动化和电气化。第二节应变测试仪器与技术电阻应变测试技术优点：24第二十四页，共72页。贴片工作量大，使用的导线多易受温度和电磁场等的影响应变片不能重复使用等。第二节应变测试仪器与技术电阻应变测试技术缺点：25第二十五页，共72页。电阻应变片简称应变片或应变计。是电阻应变测试中，将应变转换为电阻变化的传感元件。并借助具有一定特性的粘结剂胶粘成型，安装到所需测试的材料或结构上用以测量应变。电阻应变片除用干测量应变、温度、压力、裂纹等外，还大量用于制造各种用途的传感器。第二节应变测试仪器与技术电阻应变片：26第二十六页，共72页。第二节应变测试仪器与技术电阻应变片：27第二十七页，共72页。第二节应变测试仪器与技术电阻应变片：应变片型号命名规则28第二十八页，共72页。第二节应变测试仪器与技术电阻应变片：ASM2-10/20/30便携式多通道精密应变仪静态应变分析系统29第二十九页，共72页。应变片测量府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。如图2—2所示。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:第二节应变测试仪器与技术电阻应变片的工作原理：30第三十页，共72页。第二节应变测试仪器与技术31第三十一页，共72页。当金属丝受拉而伸长，则电阻的变化率为：略去项，则式中：——电阻丝的横向应变。第二节应变测试仪器与技术32第三十二页，共72页。由材料力学可知，在一定范围内，所以有:

式中：——电阻丝材料的泊松比；——单电阻丝的灵敏系数。第二节应变测试仪器与技术33第三十三页，共72页。与两个因数有关，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。由此可以认为是一个常数，通常上式可以写成如下：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定．作为该批产品的灵敏系数。一般取K=2.0左右。第二节应变测试仪器与技术34第三十四页，共72页。粘结剂的选用快干胶502：迅速聚合固化环氧树脂胶：固化速度较慢粘贴工艺防护措施防止应变片受潮和机械损伤第二节应变测试仪器与技术电阻应变片粘贴（安装）：35第三十五页，共72页。粘贴工艺第二节应变测试仪器与技术电阻应变片粘贴（安装）：36第三十六页，共72页。粘贴工艺第二节应变测试仪器与技术电阻应变片粘贴（安装）：37第三十七页，共72页。振弦式应变测试技术第二节应变测试仪器与技术振弦式应变计38第三十八页，共72页。振弦式应变测试技术振弦式（钢弦式）应变测试技术的原理：一定长度的钢弦张拉在两个端块之间，端块牢固安装于待测构件上，构件的变形使得两端块相对移动并导致钢弦张力变化，张力的变化使钢弦的谐振频率发生变化，通过量测钢弦谐振频率的变化从而测出代测构件的应变和变形。钢弦谐振频率通过靠近钢弦的电磁线圈进行测量。第二节应变测试仪器与技术39第三十九页，共72页。振弦式应变测试技术分辨率高，测量结果精确、可靠（0.1）不易受温度和电磁场等的影响，抗干扰性能好易于自动化数据采集和传输现场操作方便应变计标距较大，一般为100～150mm，不适合小尺寸构件量测响应速度较慢，不适合动态和瞬态应变量测量程范围较小，一般为-1500测试元件和仪器成本较高优点：缺点：第二节应变测试仪器与技术40第四十页，共72页。振弦式应变测试技术工作原理：牢固安装于结构待测部位的振弦应变计随同结构待测部位一起变形，变形使振弦的张力改变，因此也改变它的自振频率。振弦频率(周期)与变形(应变)之间的理论关系可表述如下:——钢弦的固有频率——钢弦的长度——钢弦的张力——每单位长度钢弦的质量第二节应变测试仪器与技术41第四十一页，共72页。振弦式应变测试技术工作原理：振弦的张力与弦的应变有关，可表述为：——钢弦的应变——钢弦的弹性模量振弦式应变计牢固安装在构件待测部位，其变形与构件待测部位的变形一致，钢弦的应变即为构件待测部位的应变。第二节应变测试仪器与技术42第四十二页，共72页。振弦式应变测试技术工作原理：上述公式整理后：——振弦应变计的率定系数（可以出厂时测定），令待测应变与振弦自振频率的平方成正比，测出安装在构件待测部位振弦的自振频率，便可计算出构件待测部位应变。第二节应变测试仪器与技术43第四十三页，共72页。振弦式应变测试技术标距：振弦应变计的长度，即两个安装块之间的距离，一般约为100～150mm。量程：指振弦应变计能够测量的最大应变范围，一般为3000。率定系数：指将振弦应变计的谐振频率(周期)换算为应变的常数。分辨率：指振弦应变计能分辨出的最小应变，一般可达到0.1。适用温度范围：-20～+80。振弦式应变计的技术指标：第二节应变测试仪器与技术44第四十四页，共72页。振弦式应变测试技术埋入式振弦应变计的安装表面式振弦应变计的安装短期测试时，可用直接粘结到待测部位表面长期测量混凝土表面应变时，膨胀螺栓固定并粘结长期测量钢结构应变时，焊接振弦式应变计的安装：第二节应变测试仪器与技术45第四十五页，共72页。光纤光栅应变测试技术第二节应变测试仪器与技术埋入式GFRP封装光纤光栅应变传感器

FRP封装光纤光栅多维应变计

46第四十六页，共72页。光纤光栅应变测试技术光纤光栅是指光纤经紫外光照射成栅技术形成的光纤型光栅，作用于光纤光栅的被测物理量（如温度、应变等)发生变化时，导致波长漂移，通过检测出波长的漂移量，便可测出被测物理量的信息。

应变和温度的变化都会导致波长的漂移，可通过特定的技术，实现对应变和温度的分别测量或同时测量。光信号转化为电信号——光调制解调器。第二节应变测试仪器与技术47第四十七页，共72页。光纤光栅应变测试技术抗腐蚀，抵抗电磁干扰强，可用于恶劣环境下的监测。尺寸小，光纤光栅长度小于8mm。寿命长，有关研究表明，光纤性能在工作25年后基本不退化。信号损失极小，可实现远距离的监测与传输。响应速度快，能用于动态和瞬态应变量测。便于进行分布式测量，采用波分复用技术，在一根光纤上可以串接多个中心波长不同的光纤光栅传感器，将波长值和测点位置对应起来，就可以实现分布式测量，节约线路和提高工作效率。优点：缺点：成本高。第二节应变测试仪器与技术48第四十八页，共72页。变形测试仪器与技术水平位移竖向挠度相对滑移转角桥梁结构静态变形的种类：常用仪器的种类：机械式测试仪器电测类仪器光学仪器：精密水准仪、全站仪第三节变形测试仪器与技术49第四十九页，共72页。机械式变形测试仪器与技术

机测仪表通过机械传动系统和指示机构来测定结构的应变及各种变形(包括挠度、相对位移、转角、倾角等)。机测仪表具有安装便捷、读数方便、经久耐用、可重复使用等优点，所以在许多检测试验中还经常使用。第三节变形测试仪器与技术50第五十页，共72页。机械式变形测试仪器与技术准确度高对环境的适应能力强安装和使用方便量测过程直观、工作可靠优点：缺点：灵敏度不高，放大能力有限需要安装仪表的支架一般仅适用于静态测量使用时试验人员较多数据不便于自动记录和远程自动监测第三节变形测试仪器与技术51第五十一页，共72页。机械式变形测试仪器与技术百分表和千分表：百（千）分表是利用齿条－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。百分表和千分表是结构位移量测中最为常用的仪器之一。使用与其配套的附属装置后可以量测挠度、相对位移、转角、倾角等。第三节变形测试仪器与技术52第五十二页，共72页。机械式变形测试仪器与技术百分表的构造图：1－短针齿轮；2－齿轮弹簧;3－长针;4－测杆;5－测杆弹簧;6、7、8－齿轮第三节变形测试仪器与技术53第五十三页，共72页。机械式变形测试仪器与技术磁性表座构造图：1－磁体开关;2,3－连接杆;4－徽调螺栓;5－颈箍;6,8,9-紧固螺栓;7－连接件第三节变形测试仪器与技术54第五十四页，共72页。机械式变形测试仪器与技术使用百分表或千分表时，只能拿取外壳，不得随意用力推拉测杆，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，调节测杆，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程不够。百分表和千分表应用注意事项：第三节变形测试仪器与技术55第五十五页，共72页。机械式变形测试仪器与技术安装好百分表或干分表后，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，说明以仪表安装正常。百分表或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。百分表和千分表应用注意事项：第三节变形测试仪器与技术56第五十六页，共72页。机械式变形测试仪器与技术张线式位移计：张线式位移计是桥梁结构试验中测量较大位移的仪器。它是通过一根钢丝使仪器与结构测点相连，利用钢丝传递位移。张线式位移计可分为简易挠度计(利用杠杆放大的挠度计)、静载挠度计(利用摩擦轮放大的挠度计)和齿轮传动的挠度计。1－被测构件;2－钢丝;3－千分表;4－表架；5－质量块;6－弹簧。第三节变形测试仪器与技术57第五十七页，共72页。机械式变形测试仪器与技术测角器和倾角仪：在桥梁试验时，结构的节点、截面或支座都有可能发生转动，测角器、倾角仪就是专门用来量测这种变形的仪器。第三节变形测试仪器与技术58第五十八页，共72页。机械式变形测试仪器与技术杠杆式测角器：

1－刚性杆；2－试件;3,4－位移计第三节变形测试仪器与技术59第五十九页，共72页。机械式变形测试仪器与技术水准管式倾角仪：水准管式倾角仪是利用零位法测定结构节点、截面或支座倾角。1－水准管；2－刻度盘；3-微调螺丝;4-弹簧片;5-夹具;6-基座;7－活动铰第三节变形测试仪器与技术60第六十页，共72页。电测类变形测试仪器与技术电阻式位移传感器应变式位移传感器差动变压器式位移传感器连通液位式挠度仪（沉降仪）静位移（挠度、侧移、转角、支座偏移），转化为电量信号进行量测。第三节变形测试仪器与技术61第六十一页，共72页。电测类变形测试仪器与技术电阻式位移传感器：1－测杆；2－滑丝电阻；3一触头；4－弹簧；5－壳体第三节变形测试仪器与技术62第六十二页，共72页。电测类变形测试仪器与技术应变梁式位移传感器：1－应变片；2－悬臂梁;3－引线;4－弹簧;5－标尺;6－指针;7－测杆;8－固定环第三节变形测试仪器与技术63第六十三页，共72页。电测类变形测试仪器与技术差动变压器式位移传感器：1－初级线圈；