截至2017年底，我國公路橋樑83.25萬座，比上年增加2.72萬座。其中特大橋樑4646座，大橋91777座。
橋樑體系不斷創新，各類橋樑規模和跨徑居於國際前列，湧現出杭州灣跨海大橋、青島海灣大橋、舟山連島工程、港珠澳大橋等跨海世紀工程，也出現了蘇通大橋、西堠門大橋、滬通長江大橋、虎門二橋等已建成和在建的單體超級橋樑工程，為我國從橋樑大國邁向橋樑強國奠定了堅實基礎。
為了檢驗新建橋樑承載力是否符合設計要求，為橋樑竣工驗收提供基礎資料,或者檢驗在役舊橋承載力是否滿足目標荷載要求，為在役橋樑維修、養護和加固決策提供依據，均需要對橋樑進行荷載試驗。
截至目前，橋樑荷載試驗是唯一一種能夠準確評定橋樑承載力的方法。依據《公路橋樑荷載試驗規程》（JTG/T J02-01—2015），靜力荷載試驗測試參數包括應變、變位、裂縫、傾角和索（杆），其中應變和變位是主要測試內容。
應變測試用傳感器包括引伸計、電阻應變片、振弦式應變計或光纖光柵式應變計等，以電阻應變片的應用最為廣泛。
變位測試儀器主要包括機械式變位測試設備（千分表、百分表、連通管和撓度計）及電測設備（電測變形計、水準儀、經緯儀、全站儀、測距儀和機電百分表）等，以機電百分表和水準儀最為常用。
應變片雖然尺寸小、靈敏度高，但其安裝工序繁瑣、工作效率低、測試結果受環境影響很大，數據穩定性差，特別對於加載歷程較長的大橋荷載試驗，其測試數值漂移較大，給後期數據分析和判斷帶來困難。
用於撓度測試的百分表則需要搭設安裝支架，臨時設施需要耗費大量人力物力，且無法在水上橋樑、通航（車）橋樑和高墩大跨橋樑應用。水準儀等測量儀器只能在橋面兩側進行變形測試，無法反映橫向多片主樑撓度分佈狀況。
因此，急需研發新型應變及變形測量設備，改進和解決目前荷載試驗中存在的不足。本文在傳統應變和變形測試方法的基礎上，提出了新型應變和變形測量方法，研發了相關儀器設備，有效推動了我國橋樑荷載試驗測試技術的進步。
應變測試技術
傳統應變測試方法
1.機械式應變測量方法
機械式應變測量已經有很長的歷史，其主要利用百分表或千分表測量變形前後測試標距內的距離變化，從而得到構件測試標距內的平均應變。
工程測量中使用的機械式應變測量儀器主要包括手持應變儀和千分表引伸計。機械式應變測量方法主要優點是讀數直觀、環境適應能力強、可重複性使用等。
但需要人工讀數，費時費力、精度差，對於應變測點數量眾多的橋樑靜載試驗顯然不合適。因此，除了少數室內模型試驗的特殊需要，工程結構中很少使用。
2.電阻式應變測量方法
目前工程檢測中應用最多的是電阻式應變測量方法。19世紀30年代，英國物理學家Charle Wheatstone首次發現了可以利用惠斯通電橋來測量電阻，奠定了應變電測技術的基礎；
William Thomson通過試驗驗證了金屬絲在應變作用下其電阻會產生變化，即應變-電阻效應，這就是電阻應變計的工作原理；
1936到1938年間，美國A.C.Ruge和E.E.Simmons同時成功研發了電阻絲繞式紙基應變片，1938年粘貼式電阻應變片正式誕生。至今電阻應變片的種類已達兩萬多種。常用應變片外觀如圖1～2所示。
圖1 單向應變片示意
圖2 應變花示意
應變電測法的主要優點是：應變片靈敏度高，尺寸小，容易粘貼牢固，易於實現數字化、自動化測量等。
但應變片電測法的缺點也很突出：橋樑靜載試驗往往要在幾米甚至數十米的高空進行電阻應變片的粘貼，操作不便，工作效率低，並且要求工作人員具備一定的貼片技能；應變測量值受現場環境溫度、溼度影響很大，長時間加載導致數據漂移過大，給後期分析處理帶來極大困難；應變片為一次性使用，無法重複利用等。
3.光纖應變測量方法
光纖傳感技術的發展起源於20世紀70年代中期。1989年美國布朗大學的Mendez教授率先提出了將光纖傳感技術應用於鋼筋混凝土結構的檢測中，並闡述了這一研究領域在實際應用中的一些基本構想。在此之後，英國、法國、加拿大、德國、日本等國家也紛紛將光纖傳感技術應用於各種橋樑結構試驗檢測中。
我國對光纖傳感技術的研究起源於20世紀90年代，同濟大學、東南大學、重慶大學等多所高校先後將光纖傳感技術應用於橋樑檢測中，並且取得了良好的成效。
光纖傳感器傳輸波長信息，波長不會由於光源的功率波動以及連接與耦合的損壞而受到影響。因此，與一般應變測量設備相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾能力強、傳輸距離遠、溫度適應性好、靈敏度高、信號失真小等許多優點。
光纖傳感器原理及外觀示意如圖3～4所示。但是，由於傳感器的價格比較昂貴，因此在橋樑靜載試驗中鮮見使用。另外，近年來許多大橋上安裝的光纖傳感器失效，其原因有待進一步深入研究。
圖3 光纖傳感器原理
圖4 光纖傳感器外觀示意
4.振弦式應變測量方法
振弦式應變測量傳感器的研究起源於20世紀30年代，其工作原理如下：鋼弦在一定的張力作用下具有固定的自振頻率，當張力發生變化時其自振頻率也會隨之發生改變。
當結構產生應變時，安裝在其上的振弦式傳感器內的鋼弦張力發生變化，導致其自振頻率發生變化。通過測試鋼弦振動頻率的變化值，能夠計算得出測點的應力變化值。振弦式傳感器外觀如圖5所示。
圖5 振弦式應變測量傳感器示意
振弦式應變測量傳感器的優點是具有較強的抗干擾能力,在進行遠距離輸送時信號失真非常小,測量值不受導線電阻變化，溫度變化的影響,傳感器結構相對簡單、製作與安裝過程比較方便。
但是,由於工藝和材料原因,振弦式傳感器不可避免會產生鋼弦鬆弛,從而引起測量誤差。鋼弦鬆弛主要體現在兩個方面:一是鋼弦錨固端產生的鬆弛,二是鋼弦自身材料特性導致的鬆弛。
另一方面,振弦式傳感器軸向剛度較大,不能採用粘貼式安裝方法,不適合荷載試驗應用,一般多用於橋樑施工監控(如圖6所示)。
圖6 埋入式振弦傳感器安裝示意
應變測試新技術
在橋樑靜動載試驗時，如何減小應變測試中的各種干擾因素，提高檢測效率和測量數據的可信度，是長期以來工程師們一直在苦苦探索的問題。
長安大學經過多年的技術攻關，研發成功了一種可裝配式多用途應變測量傳感器，成功地應用在了多座橋樑的靜動載試驗中，有效地解決了橋樑靜動載試驗中應變測量時遇到的一系列問題，特別是惡劣環境下的應變測試問題。
1.多用途電阻式應變測量傳感器工作原理
連桿的一端與應變傳感器相連接、另一端與支座相聯接，傳感器與應變儀連接。使用時將傳感器和支座用膠粘貼在構件上被測部位，當構件發生變形時，傳感器與支座間發生相對位移ΔL，則可推算出構件被測部位的平均應變值。
為了測量ΔL，在傳感器內部設計了雙懸臂樑結構，梁表面粘貼若干枚高精度應變片，組成了全橋電路，經過封裝設計，就形成了如圖7所示傳感器。
圖7 傳感器工作原理示意
2.技術特點及應用
該傳感器標距可以根據需要選取，因此可用來測量石拱橋拱圈的應變；可以組成應變花，測量結構平面應變；可以跨裂縫粘貼，監測裂縫的變化情況；可裝配式結構設計有效地保證了其良好工作性能的長期穩定性。多用途電阻式應變傳感器應用如圖8～11所示。
圖8 單向應變測試
圖9 大標距應變測試在圬工結構中的應用
圖10 吊杆伸長量測試
圖11 混凝土結構裂縫寬度變化監測
撓度測試技術
傳統撓度測試方法
1.機械式撓度測量方法
國內外早期的撓度測量主要為機械式撓度測量方法，如百分表測量法。當進行橋樑撓度測量時，將百分表安裝在主樑結構下緣待測部位。
主樑發生豎向變形時，其撓度變化將直接反映在百分表的讀數上。百分表測量法設備簡單，測量結果穩定可靠，可以進行多點檢測，直接得到各測點的撓度值。
百分表外觀如圖12所示，在結構變形測量中的應用如圖13、14所示。
圖12 常用百分表外觀示意
13 試驗梁變形測試示意
圖14 橋樑靜載試驗撓度測量示意
百分表測量法在橋樑撓度測量中應用的不足之處主要表現在以下幾個方面。採用百分表測量撓度時，需要在各測試截面搭設臨時支架或吊拉鋼絲，然後在支架上或鋼絲另一端安裝百分表。
安裝繁瑣，耗時較長，現場使用具有一定的侷限性；機械式百分表只能人工讀數，佔用人力較多，使用不便；受鐵路、公路行車限界及橋下障礙物的影響，對跨線橋、跨越山谷、河流的橋樑無法採用百分表法進行測量。
2.電阻式撓度測量方法
電阻式撓度測量方法是將電阻測量與變形測量相結合，將變形測試轉換為彎曲應變測試，再利用應變測試技術，實現撓度的測量。
電阻式撓度儀常與機械式百分表相結合，形成機電式百分表，廣泛應用在結構變形測試中。
機電百分表的突出優點是既可直接進行目視讀數，也可與應變儀配合電測，進行多點撓度的快速測量。機電百分表外觀如圖15所示。
圖15 機電百分表外觀示意
3.激光式撓度測量方法
激光式撓度測量方法主要利用激光良好的方向性來實現結構變形測量。當進行橋樑變形測試時，將激光器安裝在橋樑上。
隨著橋樑的變形，固定在橋樑上的激光器可通過激光光斑位置變化而間接得到橋樑的撓度變化。
激光器固定在橋樑被測結構上,從激光器發出的準直激光束照射在遠處固定的半透射接收屏上形成一個圓形光斑。
任一時刻,從CCD攝像機輸出的模擬視頻信號，經圖像採集卡採集後可即時進行處理，得到光斑在接收屏上的中心位置。
被測結構受外界環境的影響,沿豎向移動了ΔY,由於激光器固定在被測結構上,其結果使得照射在接收屏上的激光光斑也發生相同的位移,通過採集處理前後兩次的圖片,能夠計算出前後兩次光斑在接收屏上中心位置的變化,經比較即得到橋樑被測點的撓度變化值。激光圖像撓度測量方法的原理如圖16所示。
圖16 激光圖像撓度測量系統原理示意
激光撓度儀的特點是可實現遠距離、非接觸式測量，避免搭設支架等臨時工程。但是，激光撓度儀測試距離不太遠，精度較差，當結構變形較小時精度難以保證。
4.水準式撓度測量方法
水準式撓度測量主要藉助水準儀進行測量。水準儀由望遠鏡、水準器及基座三部分組成,主要作用是提供一條水平視線,並能照準水準尺進行讀數。其測量示意如圖17所示。
圖17 水準式撓度測量示意
由於水準測量法原理和儀器構造要求,只能在橋面進行撓度測量。橋樑靜載試驗時,受加載車輛布載影響，一般只能沿橋樑兩側縱橋向佈置測點。
受測量距離和測點影響,測試精度較差,效率不高,無法測量橫橋向多片主樑的撓度值,也就無法得到橋樑橫向撓度分佈特徵。因此,水準法一般僅用橋下無法安裝撓度測點的情況,其應用受到限制。
5.其他撓度測量方法
長安大學研發的QY型撓度測試系統,通過測量分佈在橋樑各測點的傾角值，經過專用軟件處理後得到橋樑各截面的撓度值、傾角值和曲率值。
該方法的核心是在迴轉擺上利用電容傳感技術和無源伺服技術,構成高靈敏度抗振動干擾的傾角測量儀器。
該撓度測量方法克服了以往橋樑撓度測量方法的不足，不僅適用於簡支梁和靜載情形，也適用於連續梁和動載情形。
值得指出的是，利用該方法在每跨的最後一段需做出合理的處理，以“消化”由於前面各段測量誤差而引起的誤差積累，使得撓度曲線、傾角曲線和曲率曲線更趨合理。
實驗室對比測量表明，該方法的精度滿足工程要求。該撓度計外觀及應用如圖18～19所示。
圖18 撓度計示意
圖19 撓度計的工程應用
撓度測試新技術
1.基於圖像的遠距離撓度測量方法
①單目視覺測量基本原理
單目視覺測量系統可以用中心透視投影的原理解釋，如圖20所示。被測量的物體表面反射的光線,經過一個針孔投射到成像平面上，物像點的大地實際座標（x，y，z）和對應的相機成像面的座標在幾何光路中構成一定的關係，實際的座標經過一步的旋轉和一步的平移,可以得到其在相機平面的座標。
圖20 成像模型示意
②撓度測量系統方案
該系統主要由工業CCD、長焦鏡頭、標靶和軟件系統組成。當安裝在橋樑上的標靶產生豎向位移時，工業CCD和長焦鏡頭高頻採集標靶上的數字化圖像，計算機對採集到的圖像進行同步處理，計算出圖像中標靶中心座標的位移。
由於已知標靶中心點的實際距離和實際座標，通過計算採集的圖像標誌點的像素距離，得到像素距離和實際距離的轉換參數，從而將測量得到的標誌點的像素位移轉換為實際距離。其轉化關係如下：
轉換參數（mm/pixel）=實際距離（mm）/像素距離（pixel）
通過換算就可以得到標靶的實際位移，從而得到橋樑的撓度變化值。經過後續處理能夠觀測待測點的靜態位移和動態位移，觀測實時數據和曲線。單個待測點系統原理示意如圖21所示。
圖21 測點系統原理示意
③技術優點及應用
基於圖像的遠距離撓度測量系統具有以下突出優點：1)精度高，10米的距離測試精度可達0.01mm；2)可實現無靶標測量；3)測試距離遠,可達到300米以上；4) 適用範圍廣,大中小型橋樑均可進行測量；5)測試方法簡單,方便快捷,易於掌握；6)實現30～100HZ的高頻測試，消除工業CCD自身的抖動、環境波動產生的誤差等。
測試系統在橋樑縱、橫向撓度測試中的應用如圖22～23所示。
圖22 橫橋向撓度測試
圖23 縱橋向撓度測試
本文主要對橋樑荷載試驗中的應變與變形測試方法進行了分析,針對荷載試驗應變測試中存在的問題與不足,研發了一種新型多用途應變測量傳感器,具有精度高、穩定性好、受環境影響小、安裝方便、反覆使用等突出優點。
可實現預應力混凝土、鋼筋混凝土、鋼結構、圬工結構的單向及多向應變測試,也可應用於裂縫監測及微小位移監測。
此外，本文還提出了一種基於圖像法的遠距離撓度測試系統，具有遠距離、非接觸、精度高、多點同時測量等突出優點。
可實現橋樑的遠距離靜、動態撓度測量，提高了撓度測試效率，可廣泛應用於橋樑施工監控及運營期間撓度的長期監測。
作者 / 趙煜 作者單位 / 長安大學 來源橋樑網 監理檢測網
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