市政橋梁培訓

橋梁荷載試驗

福州大學土木工程實驗教學中心林友勤lyq@.c/p>

橋梁荷載試驗第一章應力測試技術第二章橋梁振動測試技術

應力測試主要內容：§1-1概述§1-2機測法§1-3光測法§1-4電測法一、鋼振弦傳感器及斜拉橋索力測量二、電阻應變式傳感器§1-5應變數據處理—應力應變轉換關系§1-6利用動應變或動撓度測量橋梁沖擊系數§1-1概述

根據應力與應變之間的轉換關系，通過測結構或構件表面、內部應變來得到結構或構件的應力狀態。鋼材的拉伸試驗中，在其屈服之前，其應力—應變之間存在著線性關系我們就可以通過測應變來測應力，而應變測試方法比較簡單，因為根據應變的定義：§1-1概述應變的定義：式中：——應變——測區長度的變化量——測區的原始長度，稱之為標距§1-1概述如在機測中，將放大后測量；在光測中，將變化轉換光波長的變化；在電測法，將其轉換為電的某些特性的變化并放大后測量；如在電阻應變測試技術中，將轉換為傳感元件的電阻并進一步轉換為電壓的變化等等。

§1-1概述應變測試的主要方法：——機測法——光測法——電測法§1-2機測法

定義：利用機械式測試儀器來實現對應變的測量常用儀器：——手持式應變儀——接觸式應變儀手持式應變儀

手持式應變儀

接觸式應變儀千分表千分表構造：千分表由測桿、齒齒輪、彈簧、指針針和度盤等各種零零部件組合而形成成四個機構：傳感機構（千分表表中的觸桿）轉換機構（千分表表中的大小齒輪及及彈簧）指示機構（千分表表中的指針）機體和保護部分工作原理及特點機測法工作原理：：將測區長度的變變化通過千分表的的測桿傳遞給一組組齒輪，通過齒輪輪將長度的變化進進行放大并改變方方向，轉換為指針針在刻度盤上的轉轉動并指示，進而而計算出應變值。。機測法特點：安裝裝便捷，讀數方便便、準確度高、對對環境的適應性強強即一般不受溫濕濕度影響以及電磁磁場的干擾、性能能可靠，但靈敏度度不高、需要人工工測讀、速度慢、、工作量大。§1-3光測法定義：利用光的某些特性性如波長的變化與與應變之間的轉換換關系，通過測量量光波長的變化來來實現對應變的測測量傳感器：光纖布拉拉格光柵傳感器（（fiberopticBragggratingstrainsensor）表面式光纖應變傳傳感器內埋式光纖應變傳傳感器表面式溫度光纖傳傳感器內埋式光纖溫度傳傳感器§1-3——光纖布拉格光柵傳傳感器構造：光纖、布拉拉格光柵組成§1-3——光纖布拉格光柵傳傳感器工作原理：式中：——光纖光柵的中心波波長——纖芯的有效折射率率——光柵周期。§1-3——光纖布拉格光柵傳傳感器結構應變勢必導致致光柵周期的變化化——這為采用光纖布拉拉格光柵制成光纖纖應變傳感器提供供了最基本的物理理特性。同樣溫度變化也會會引起光柵布拉格格波長的變化。波長的變化與應變變以及溫度的變化化可用下式來表示示：§1-3——光纖布拉格光柵傳傳感器式中：——應變以及溫度變化化引起的波長變化化——光纖光柵不受應變變及溫度變化的中中心波長——待測應變——為溫度變化量——光纖光柵應變傳感感靈敏度系數——光纖光柵溫度傳感感靈敏度系數。可采用相同溫度環環境下的光纖光柵柵進行溫度補償。。§1-3——光纖布拉格光柵傳傳感器特點：光纖傳感器是90年代出現的一種用用于觀測應力、應應變、溫度以及內內部裂縫、變形等等結構參數的新型型傳感器。高精度高靈敏度遠距離分布式耐久性光纖的小巧、柔軟軟、不易拉斷抗電磁干擾能力強強集傳感與傳輸于一一體易于制作和埋入結結構內部而且物理截面和力力學強度小，在粘粘貼或嵌入到主體體中不會對其性能能和結構造成影響響。§1-4電測法電測法：利用電的的某些特性如電阻阻、電流、電壓、、頻率等的變化與與結構應變之間的的轉換關系來測定定結構的應變。主要有鋼振弦式與與電阻式及電渦流流式一、振弦式傳感器器利用固定在結構上上的鋼弦振動頻率率與結構應變之間間的轉換關系，通通過測量鋼弦的振振動頻率來實現對對應變的測量。構造：由夾塊、振振弦、永久磁鐵、、線圈等組成。一一般有埋入式與外外置式，主要產品品有德國麥哈克、、法國德來馬克、、美國基康等以及及中國丹東傳感器器廠生產。§1-4電測法——鋼弦式傳感器§1-4電測法——鋼弦式傳感器工作原理：利用鋼鋼弦自振頻率與鋼鋼弦應變之間存在在一定關系，通過過測鋼弦的頻率來來測應變。式中：——鋼弦自振頻率——鋼弦長度——待測應變——鋼弦彈模——鋼弦材料常數§1-4電測法——鋼弦式傳感器§1-4電測法——鋼弦式傳感器應力監測§1-4電測法——鋼弦式傳感器特點：結構簡單、、制作方便、穩定定性好、抗干擾能能力強及遠距離傳傳輸誤差小等優點點，近年來得到廣廣泛應用，特別是是應用于施工應力力監控中。缺點是是價格昂貴。理想弦的振動方程程在斜拉索

索力力測試中的運用目前測量索力的方方法主要有：壓力表測定法、壓力傳感器測定法法（應變式或振弦式式）、鋼索測力儀儀法、振動頻率法、磁通量法、電阻應變片測試法法等，顯然除了振動動頻率法外其它方方法均無法應用于于成索的索力測試試。理想弦的振動方程程T——是索的張力（N）；m——是索的線密度（kg/m）；L——是索的計算長度（（m）；fn——是索的第n階振動頻率（Hz）；索的振動方程弦振動的頻譜圖呈呈倍頻關系利用基頻（或頻差差）計算弦的張力力Δf為理想頻率段內的的各階頻率差的平平均值思考題：下圖為索索的振動頻譜圖，，其基頻是多少？？G15高速公路青洲閩江江大橋，主跨605米楊浦大橋，主跨603米晉江大橋晉江大橋晉江大橋施工監控控晉江大橋施工監控控索力監測晉江大橋荷載試驗驗莆田木蘭溪特大橋橋荷載試驗木蘭溪大橋工程是是荔港大道的關鍵鍵工程。全長860米，左岸引橋長240米；右岸引橋長240米。其中，主橋跨跨徑為40+50+2××100+50+40米的獨塔單索面自自錨式懸索橋，全全長364米；加勁梁為六孔孔一聯預應力混凝凝土結構，采用單單箱三室截面，梁梁高3.5米，橋梁全寬37.5米；主塔處墩塔梁梁固結，其余橋墩墩均采用活動支座座；全橋布置一根根主纜，置于梁中中央，主纜直接錨錨固于梁體；形成成塔、梁、索的受受力體系。引橋為為4×30米跨徑預應力混凝凝土連續梁橋。設設計荷載為城－A級。莆田市木蘭溪大橋橋莆田市木蘭溪大橋橋莆田市木蘭溪大橋橋通車前福州鼓山大大橋鼓山大橋吊桿力測測試鼓山大橋吊桿力測測試恒載下某一吊桿頻頻譜圖試驗荷載下某一吊吊桿頻譜圖福州市解放大橋福州市解放大橋福州市解放大橋福州市解放大橋利用振動法測量斜斜拉索索力的影響響因素利用理想弦的振動動方程計算斜拉索索索力有一定的誤誤差，主要是因為為斜拉索索力不僅僅跟索的長度、線線密度、振動頻率率有關，還跟索的的剛度及垂度有關關。TensionadjusterHammerAccelerometerPoint1L/8CableBottomanchorTopanchorWallLoadcellPoint2L/4Point3L/2HammerAccelerometerAmplifierDataacquisitionPCMatlab斜拉索索力實驗研研究斜拉索索力實驗研研究斜拉索索力實驗研研究斜拉索索力實驗研研究壓電式傳感器§1-4電測法——電渦流式組成探頭、延伸電纜、、前置器、被測體體特點非接觸式、靜態、、動態、高線性、、高分辯率原理前置器中高頻振蕩蕩電流通過延伸電電纜流入探頭線圈圈，在探頭頭部的的線圈中產生交變變的磁場。如果在在這一交變磁場的的有效范圍內沒有有金屬材料靠近，，則這一磁場能量量會全部損失；當當有被測金屬體靠靠近這一磁場，則則在此金屬表面產產生感應電流，電電磁學上稱之為電電渦流。與此同時時該電渦流場也產產生一個方向與頭頭部線圈方向相反反的交變磁場，由由于其反作用，使使頭部線圈高頻電電流的幅度和相位位得到改變（線圈圈的有效阻抗），，這一變化與金屬屬體磁導率、電導導率、線圈的幾何何形狀、幾何尺寸寸、電流頻率、探探頭頭部線圈到金金屬導體表面的距距離等參數有關。。§1-4電測法——電渦流式§1-4電測法——電渦流式工作過程被測金屬與探頭之間的的距離變化——線圈的有效阻抗的的變化——振蕩電壓幅度的變變化——經過檢波、濾波、、線性補償、放大大歸一——輸出電壓的變化FS8000系列電渦流式位移移計電渦流式-探頭電測法——電渦流式-前置器電測法——電渦流式-應用混凝土試件收縮實實驗探頭安裝---非接觸電渦流式-應用IMP電壓信號采集板數據實時監測§1-4電測法—電阻應變測試技術術電阻應變測試技術術的基本原理——通過粘貼在結構表表面上的傳感元件件（電阻應變片））把所測的結構應應變轉換為電阻的的變化，再通過橋橋路、儀器把電阻阻的變化轉換為電電壓的變化并加以以放大，由顯示器器顯示出應變值。。工作框圖：§1-4電測法—電阻應變測試技術術電阻應變測試技術術的優點：靈敏度高，可測到到1個微應變；標距小，箔式應變變片最小標距可達達0.2mm，可測點應力，用于于應力集中測試；；可遠距離測試；可測動、測靜；通過應變測量可轉轉換為測力（軸力力、彎矩、扭矩、、剪力）、位移等等；§1-4電測法—電阻應變測試技術術缺點：測表面應力準確度度高，測內部應力力需要一定技術；；測應力集中不準確確；測量系統線路多、、易干攏，易受環環境（溫度、濕度度、電磁場）干攏攏；§1-4電測法——電阻應變片電阻應變片的構造造：電阻應變片由三個個部份組成：——基底（紙張、環氧氧樹脂、酚醛樹脂脂、聚酰亞胺等膠膠膜）——敏感柵或電阻絲柵柵（康銅、鎳、鉻鉻等特殊材料制成成）——引出線基底起到保護及固固定敏感柵的作用用，敏感柵或電阻阻絲柵直接感受結結構變形并將結構構變形轉換為電阻阻變化，引出線連連結到測量橋路上上；§1-4電測法——電阻應變片§1-4電測法——電阻應變片§1-4電測法——電阻應變片電阻應變片的工工作原理：利用電阻絲的應應變效應，所謂謂電阻絲的應變變效應指的是電電阻絲的電阻值值隨其本身應變變（伸長或縮短短）而改變的一一種物理性質。。§1-4電測法——電阻應變片通過數學分析，，對R求微分得：由材料力學可知知：整理得：令：Ks——電阻絲的靈敏系系數§1-4電測法——電阻應變片由于電阻應變片片是由電阻絲按按一定規格撓制制而成的，因此此電阻應變片同同樣有如下的電電阻變化率與應應變的關系：其中K為電阻應變片靈靈敏系數，一般般的電阻應變片片的靈敏系數比比電阻絲的靈敏敏系數來得小。。§1-4電測法——電阻應變片應變片類型1.繞絲式應變片（U式）構造：由電阻絲絲撓制而成，根根據基底材料的的不同可分為紙紙基、膠基特點：制作簡單單、價格便宜、、紙基易受潮、、橫向靈敏度大大§1-4電測法——電阻應變片應變片類型2.短接式應變片——繞絲式的改進（（H式）構造：縱橫向電電阻絲通過點焊焊連接特點：橫向靈敏敏度小、焊點易易脫落，不適用用于動測§1-4電測法——電阻應變片應變片類型3.箔式應變片——短接式應變片的的改進構造：敏感柵由由很薄的金屬箔箔片采用光刻技技術制成，彎頭頭截面大§1-4電測法——電阻應變片箔式應變片的特特點:敏感柵截面為矩矩形，較圓斷面面大，粘合面積積大不易脫落，，傳遞應變較絲絲式好;具有較大的散熱熱能力；彎頭大，橫向效效應小可忽略；；蠕變、機械滯后后小、壽命高；；由于采用光刻技技術，標距可小小到0.2mm，可用于點應力測測試。§1-4電測法——電阻應變片應變片的組成：：——單軸片——雙軸片——三軸片——四軸片§1-4電測法——電阻應變片§1-4電測法——電阻應變片電阻應變片規格格及特點：——幾何尺寸(柵長、柵寬）——阻值：標準R=120Ω——靈敏系數：K=2.00——橫向敏度(H)——極限應變：6000με——絕緣電阻：R〉200MΩΩ——機械滯后：應變片感受結構構的變形會滯后后一段時間——工作電流：Imax≤25mA，并不能用高電壓壓、高電流——零漂與蠕變：零零漂是指在恒溫溫、結構不受力力情況下應變片片指示的應變值隨時間而變化化用με/h表示。原因是受受潮、電磁場干干攏；濡變——結構受荷穩定后后，應變片指示示的應變繼續變化。——溫度效應：應通通過橋路補償或或自補償給予消消除§1-4電測法——電阻應變片應變片選用——結構材性均質材料：鋼絲絲、鋼板、鋼筋筋用中小片（標標距2、3、5、10mm）非均質材料：如如混凝土應選用用標距長的應變變片——結構受力應力梯度大用小小片，應力集中中用箔式小片，，應力變化不大大用中大片，單單向應力場用單單軸片，已知主主應力方向的雙雙向應力場用雙雙軸片，主應力力方向未知的復復雜應力場用三三、四軸片§1-4電測法——電阻應變片粘貼工藝測點表面處理—打磨測點表面處理—清洗測點表面處理—刷防潮絕緣層測點表面處理—刷防潮絕緣層測點表面處理—砂紙打磨測點表面處理—清洗貼片固定接線端子焊線§1-4電測法—靜態電阻應變儀將電阻應變片阻值值的變化，轉換換為電壓的變化化，并放大后測測量。§4電測法法——靜態電電阻應應變儀儀TS3860靜態電電阻應應變儀儀TS3860靜態電電阻應應變儀儀DH3816應變測測試分分析系系統（60點/臺）§1-4電測法法—靜態電電阻應應變儀儀惠斯登登電橋（（串并并聯橋橋路））頂點：：ABCDE+,U+,E-,U-§1-4電測法法—靜態電電阻應應變儀儀通過電電學分分析，，可得得輸出出電壓壓：對上式式求微微分，，利用用ΔR/R=Kεε并令R1=R2=R3=R4=R，可得：：§1-4電測法法—靜態電電阻應應變儀儀上式表表明，，輸出出電壓壓的變變化量量與橋橋路電電阻應應變的的關系系，完完成了了應變變——電阻——電壓的的轉換換，從從而可可以通通過測測試電電壓的的變化化來測測試應應變，，這就就是電電阻應應變儀儀工作作原理理，其其中：：上式表表明：：橋路路總輸輸出應應變等等于鄰鄰臂應應變相相減，，對臂臂應變變相加加。§1-4電測法法—靜態電電阻應應變儀儀基本測測量橋橋路：：1/4橋、1/2橋、全全橋?橋適用用于恒恒溫環環境、、導線線電阻阻極小小?橋應用用較廣廣全橋適適用于于條件件相當當惡劣劣§1-4電測法—靜態電電阻應應變儀儀基本測測量橋橋路：——全橋測測量法法橋路圖輸出應變與各橋臂應變關系§1-4電測法法—靜態電電阻應應變儀儀基本測測量橋橋路：——半橋測測量法法橋路圖輸出應變與各橋臂應變關系§1-4電測法—靜態電電阻應應變儀儀基本測測量橋橋路：——每臂雙雙片測測量法法橋路圖輸出應變與各橋臂應變關系§1-4電測法法——半橋測測量法法（舉舉例））§1-4電測法法——半橋測測量法法應用舉舉例——全橋測測量法法筒式壓力傳傳感器器－－－－電電阻應應變原原理的的推廣廣貼片圖圖應用舉舉例——全橋測測量法法筒式壓力傳傳感器器——接線（（橋路路）圖圖筒式壓壓力傳傳感器器（筒式式）壓壓力傳傳感器器彈簧式式測力力計人工測測讀自動采采集橋墩抗抗震性性能試試驗----靜位移移測量量電測位位移計計---電阻應應變測測試技技術的的應用用電測位位移計計---電阻應應變測測試技技術的的應用用§1-5應變數數據處處理—應力應應變轉轉換關關系單向應應力場場鋼材1）采用用規范范彈模模計算算：2）利用用實測測應力力—應變曲曲線確確定：：§1-5應變數數據處處理—應力應應變轉轉換關關系混凝土土1）用初初始的的彈性性模量量值計計算2）曲線線確定定法§1-5應變數數據處處理—應力應應變轉轉換關關系混凝土土3）假設設曲線線法雙向應應力場場§1-5應變數數據處處理—應力應應變轉轉換關關系雙向應應力場場1）點應變變雙雙向向應力力場中中，任任意角角度的的應變變值：：對其極極值，，可得得主應應變大大小及及方向向：§1-5應變數數據處處理—應力應應變轉轉換關關系雙向應應力場場2）點應應力雙雙向應應力場場中，，任意意角度度的應應力值值：對其極極值，，可得得主應應力大大小及及方向向：§1-5應變數數據處處理—應力應應變轉轉換關關系雙向應應力中中，應應力應應變關關系或§1-5應變數數據處處理—應力應應變轉轉換關關系舉例——45度應片片花的的計算算§1-5應變數數據處處理—應力應應變轉轉換關關系舉例——60度應片片花的的計算算一）應應力測測點布布置一）應應力測測點布布置整體式式板板板底縱縱橫向向應力力測試試箱梁頂頂板縱縱橫向向應力力測試試箱梁底底板縱縱橫向向應力力測試試剪應力力測量量剪應力力測量量§1-6利用動動應變變或動動撓度度測量量橋梁梁沖擊擊系數數橋梁承承受活活載，，主要要是以以動荷荷載形形式出出現運動中中的車車輛荷荷載作作用于于橋梁梁上產產生的的動撓撓度或或動應應變，，一般般較同同樣的的靜荷荷載產產生的的相應應靜撓撓度或或靜應應變要要大。。動撓度度或動動應變變與靜靜撓度度或靜靜應變變的比比值稱稱為活活荷載載的沖沖擊系系數。。活載沖沖擊系系數綜綜合反反映了了荷載載對橋橋梁的的動力力作用用。它它與結結構的的型式式、車車輛型型式及及車輛輛運行行速度度和橋橋面的的平整整度等等有關關。§1-6利用動動應變變或動動撓度度測量量橋梁梁沖擊擊系數數為了測測定沖沖擊系系數，，應使使車輛輛以不不同速速度駛駛過橋橋梁，，并逐逐次記記錄跨跨中撓撓度或或關鍵鍵截面面應變變的時時程曲曲線。。傳感感器－－－應應變片片或位位移計計紅線為為車輛輛緩慢慢通過過橋梁梁，測測得應應變或或撓度度曲線線黑線為為一定定速度度車輛輛通過過橋梁梁，測測得應應變或或撓度度曲線線§1-6利用動動應變變或動動撓度度測量量橋梁梁沖擊擊系數數按沖擊擊系數數的定定義有有：式中：：Ydmax——最大動動撓度度值或或最大大動應應變值值；（Ydmax+Ydmin）/2———最大靜靜撓度度值或或最大大靜應應變值值；§1-6利用動動應