第四章結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)

1、2021-7-251School of Urban Construction and Management 2021-7-252 本章重點(diǎn) u 土木工程試驗(yàn)中的測(cè)量系統(tǒng)的基本測(cè)試單元組成。 u 電阻應(yīng)變片的原理，構(gòu)造，技術(shù)指標(biāo)。 u 電橋原理，橋接方式，實(shí)用橋路。 u 應(yīng)變片的粘貼技術(shù)。 u 應(yīng)對(duì)常見(jiàn)的位移、力、轉(zhuǎn)角、曲率、裂縫等測(cè)量方法、測(cè)量 裝置有所了解。 2021-7-253 4.1 概述 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)量技術(shù) （Measuring Technique of Structural Testing） u指通過(guò)一定得測(cè)量?jī)x器或手段，直接或間接地取得結(jié)構(gòu)性能變化的定量 數(shù)據(jù) 測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試單元 結(jié)構(gòu)

2、（構(gòu)件） 敏感元件 （感受裝置） 變換器（傳感器） 控制裝置 指示記錄系統(tǒng) 從被測(cè)物體接受能量，輸出一定測(cè)量數(shù)值 將被測(cè)參數(shù)變換為電量并傳送到控制裝置進(jìn)行處理 對(duì)變換器的輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，并在顯示器上顯示出來(lái) 顯示記錄所測(cè)數(shù)據(jù) 2021-7-254 4.1 概述 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的主要測(cè)量參數(shù) u外力（支座反力、外荷載） u內(nèi)力（鋼筋的應(yīng)力、混凝土的拉、壓力） u變形（撓度、轉(zhuǎn)角、曲率） u裂縫等 測(cè)量方法 u直接測(cè)量法 用一個(gè)事先按標(biāo)準(zhǔn)量分度的測(cè)量?jī)x表對(duì)某一被測(cè)量進(jìn)行直接測(cè)定，從而得出該量的數(shù)值。 是工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中應(yīng)用最廣泛的一種方法 u間接測(cè)量法 不直接測(cè)量待測(cè)量，而是對(duì)于待求量有確切函數(shù)關(guān)系

3、的其他物理量進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)函 數(shù)關(guān)系求得待求量 u偏位測(cè)定法（接觸式位移計(jì)） u零位測(cè)定法（天平秤） 2021-7-255 4.2 應(yīng)變測(cè)量 應(yīng)變測(cè)量（Measurement of Strain） u結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的基本測(cè)量?jī)?nèi)容，在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)量檢測(cè)內(nèi)容中具有極其重要的 地位，往往是其它物理量測(cè)量的基礎(chǔ) 應(yīng)變測(cè)量的方法 u機(jī)測(cè)法：簡(jiǎn)單易行，適用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)或精度要求不高的場(chǎng)合 u電測(cè)法：手續(xù)較多，適用范圍廣，精度較高 2021-7-256 4.2 應(yīng)變測(cè)量 4.2.1 電阻應(yīng)變片（Resistance Strain Gauge） 1.工作原理 電阻絲長(zhǎng)度變化會(huì)引起阻值變化 R：電阻，W r：電阻率，

4、Wm L：電阻絲長(zhǎng)度，m A：電阻絲截面積，m2 A L Rr A A L AA L A A R L L RR Rddddddd 2 r r r rr r A A L L R Rdddd r r 2021-7-257 4.2 應(yīng)變測(cè)量 其中，設(shè)電阻絲泊松比為m，則有 m r r r r )21( ddddd A A L L R R m2 d A A 其中dL/L為電阻絲長(zhǎng)度方向上的應(yīng)變值，則 設(shè) 0 )21( d Km r r 則 0 d K R R K0，稱作點(diǎn)做應(yīng)變計(jì)的單絲靈敏度系數(shù) 2021-7-258 4.2 應(yīng)變測(cè)量 K0的物理意義表示單位應(yīng)變所引起電阻絲阻值的改變量，它能反映出電阻

5、絲阻值對(duì)應(yīng)變的敏感 程度，故稱作單絲靈敏度系數(shù)。 0 d K R R 0 )21( d Km r r 可知， K0由兩部分組成，(1+2m)反映了電阻絲材料的幾何特性對(duì)靈敏度的影響，對(duì)于常見(jiàn)金屬 絲而言，該值約為1.6；(dr/r)/則表示了電阻率隨應(yīng)變的改變量，對(duì)于絕大多數(shù)材料而言該值 約為0.4。故電阻絲的單絲靈敏度系數(shù)K0為常數(shù). 注意：金屬單絲靈敏系數(shù)K0與應(yīng)變片靈敏系數(shù)K略有不同，K由實(shí)驗(yàn)求得，K K0。 K R R d 可以用電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)表示 2021-7-259 4.2 應(yīng)變測(cè)量 2.電阻應(yīng)變片的基本構(gòu)造 敏感柵：將應(yīng)變變換成電阻變化量的敏感部分。用高電阻率的電阻絲制成

6、的柵狀體。敏感柵的 形狀與尺寸（柵長(zhǎng)L，柵寬B）直接影響應(yīng)變片的性能。 基底和覆蓋層：起定位和保護(hù)電阻絲作用，并使電阻絲和被測(cè)試件之間絕緣?；椎某叽绱?應(yīng)變片的外形尺寸。 粘結(jié)劑：將敏感柵固定在基底上。 引出線：將電阻應(yīng)變片通過(guò)它焊接于應(yīng)變測(cè)量電橋。 2021-7-2510 4.2 應(yīng)變測(cè)量 3.電阻應(yīng)變片的技術(shù)指標(biāo) (1) 標(biāo)距：敏感柵在縱軸方向的有效長(zhǎng)度L。 (2) 規(guī)格：以實(shí)用面積LB表示。 (3) 電阻值：與電阻應(yīng)變片配套使用的電阻應(yīng)變儀中的測(cè)量線路，其電阻均以120W作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè) 計(jì)，因此應(yīng)變片的阻值大部分為120W左右，否則應(yīng)加以調(diào)整或?qū)Y(jié)果進(jìn)行修正。 (4) 靈敏系數(shù)：電阻應(yīng)變

7、片的靈敏系數(shù)出廠前經(jīng)抽樣試驗(yàn)確定，使用時(shí)應(yīng)把應(yīng)變儀上的靈敏系數(shù) 調(diào)節(jié)器調(diào)整至應(yīng)變片的靈敏系數(shù)值。 (5) 溫度適用范圍：主要取決于膠合劑的性質(zhì)，可溶性膠合劑的工作溫度約為-20+60；經(jīng) 化學(xué)作用而固化的膠合劑，其工作溫度約為-60+200。 2021-7-2511 4.2 應(yīng)變測(cè)量 4.2.2 電阻應(yīng)變儀（Resistance Strain Apparatus） 電阻應(yīng)變片可以把試件的應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻的變化，但由于土木工程中的試件應(yīng) 變往往較小，因此，電阻的變化值也將非常微小。 例如HRB335鋼筋的屈服強(qiáng)度f(wàn)y=310N/mm2，彈性模量E=2.0 105N/mm2，因 此鋼筋屈服時(shí)候應(yīng)

8、變?yōu)?550m，如果使用的應(yīng)變計(jì)電阻值為120W，對(duì)應(yīng)電阻值變化 量是DR=0.372W。必須要專門儀器才能對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和鑒別，這種專門儀器成為 電阻應(yīng)變儀。 2021-7-2512 4.2 應(yīng)變測(cè)量 電橋基本原理 應(yīng)變儀的測(cè)量電路一般采用惠斯登電橋。四個(gè)臂上分別接入電阻R1，R2，R3，R4，在 A、C 端接入電源，B、D 端為輸出端。 4321 4231 34 4 21 1 RRRR RRRR U RR R U RR R UUUU DABABD 輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系 1/4電橋：AB橋路作為工作片接在被測(cè)試件上 半橋：R1，R2為工作片，輸出電壓 全橋：接4個(gè)應(yīng)變片，輸出電壓 432

9、1 4 1 UKUBD 21 4 1 UKUBD 若各應(yīng)變片阻值R和變化值DR相同，那么上式統(tǒng)一寫(xiě)成 AUKUBD 4 1 2021-7-2513 4.2 應(yīng)變測(cè)量 溫度補(bǔ)償 在電橋BC臂上接一個(gè)與工作片R1阻值相同的應(yīng)變片R2=R1=R（溫度補(bǔ)償片），并將 R2貼在一個(gè)與試件材料相同、置于試件附近的位置。因?yàn)镽1、R2具有同樣的溫度變化 條件，但R2不受外力作用，因此DR2=DRt（溫度產(chǎn)生的阻值變化），對(duì)于DR1有 DR1=DRs+DRt。則 444 UK R RU R R R RRU U stts BD D D DD 2021-7-2514 4.2 應(yīng)變測(cè)量 【例】以矩形截面簡(jiǎn)支梁的跨中

10、受拉邊緣的應(yīng)變測(cè)量為例，說(shuō)明1/4橋、半橋和全橋 的橋路特點(diǎn)。 【提示】 1/4橋：工作片R1的應(yīng)變包括由彎矩M和溫度T引起的應(yīng)變兩部分，即1=M+t。為 消除溫度影響，應(yīng)在簡(jiǎn)支梁附近放置一個(gè)與梁同材料的試塊，并粘貼溫度補(bǔ)償片R2 （應(yīng)與R1規(guī)格相同）。由于R2不受力，只是溫度T而產(chǎn)生應(yīng)變，故2=t。 1/4橋 半橋 全橋 2021-7-2515 4.2 應(yīng)變測(cè)量 【例】以矩形截面簡(jiǎn)支梁的跨中受拉邊緣的應(yīng)變測(cè)量為例，說(shuō)明1/4橋、半橋和全橋 的橋路特點(diǎn)。 【解】 (1) 1/4橋：工作片R1的應(yīng)變包括由彎矩M和溫度T引起的應(yīng)變兩部分，即1=M+t。 為消除溫度影響，應(yīng)在簡(jiǎn)支梁附近放置一個(gè)與梁同

11、材料的試塊，并粘貼溫度補(bǔ)償片R2 （應(yīng)與R1規(guī)格相同）。由于R2不受力，只是溫度T而產(chǎn)生應(yīng)變，故2=t。電橋輸出電 壓為 MTTMBD UKUKU 4 1 4 1 2021-7-2516 4.2 應(yīng)變測(cè)量 (2) 半橋：將工作片R1布置在受拉區(qū)邊緣，將工作片R2布置在受壓區(qū)邊緣，接橋方 法同1/4橋路，則R1，R2可互為溫度補(bǔ)償；并由于矩形截面有水瓶對(duì)稱軸，兩個(gè)應(yīng)變 大小相等、符號(hào)相反，故輸出電壓為 橋臂放大系數(shù)為2，即將受拉區(qū)邊緣的拉應(yīng)變放大了2倍。 MBD UKU 4 2 2021-7-2517 4.2 應(yīng)變測(cè)量 (2) 全橋：將工作片R2，R4布置在受拉區(qū)邊緣，將工作片R1、R3布置在受

12、壓區(qū)邊 緣，則有e1=e4=-e2=-e3，則有 橋臂放大系數(shù)為4，從應(yīng)變儀得到的應(yīng)變讀數(shù)為單貼一片時(shí)的4倍，說(shuō)明靈敏度提高了 4倍。 MBD UKUKU4 4 1 4 1 4321 2021-7-2518 4.2 應(yīng)變測(cè)量 實(shí)用橋路 1/4電橋：只有一個(gè)工作片，對(duì)輸出電壓沒(méi)有放大作用 半橋：電壓輸出比1/4橋提高一倍切2個(gè)工作片可互作溫度補(bǔ)償 全橋：輸出電壓可比半橋進(jìn)一步提高 接橋方法的原則： 在滿足特殊要求的條件下，選擇測(cè)量電橋輸出電壓較高、橋壁系數(shù)大，能實(shí)現(xiàn)溫度互補(bǔ)且便于 分析的接橋方法。 2021-7-2519 4.2 應(yīng)變測(cè)量 2021-7-2520 4.2 應(yīng)變測(cè)量 2021-7-

13、2521 4.2 應(yīng)變測(cè)量 電阻應(yīng)變片粘貼技術(shù) 應(yīng)變片是應(yīng)變電測(cè)技術(shù)中的感受元件，粘貼質(zhì)量的好壞對(duì)測(cè)量結(jié)果影響甚大，結(jié)束要求十分嚴(yán) 格。 砂布:0#對(duì)應(yīng)P120；1#對(duì)應(yīng)P100 表面粗糙度： 5=應(yīng)Ra(mm)2.55 2021-7-2522 4.2 應(yīng)變測(cè)量 電阻應(yīng)變片粘貼技術(shù) 應(yīng)變片是應(yīng)變電測(cè)技術(shù)中的感受元件，粘貼質(zhì)量的好壞對(duì)測(cè)量結(jié)果影響甚大，結(jié)束要求十分嚴(yán) 格。 2021-7-2523 4.3 位移與變形測(cè)量 4.3.1 位移的測(cè)量 u位移是工程結(jié)構(gòu)承受荷載作用后的最直觀反應(yīng)，是反映結(jié)構(gòu)整體工作情 況的最主要參數(shù) u結(jié)構(gòu)的位移主要指試件的撓度、側(cè)移、轉(zhuǎn)角、支座偏移等參數(shù) u主要分為機(jī)械

14、式、電子式、光電式 2021-7-2524 1). 接觸式位移計(jì)（機(jī)械式） 原理：測(cè)桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，側(cè)桿上的齒條就帶動(dòng)齒輪，使指針按一定比例關(guān)系轉(zhuǎn)動(dòng)，從而表示出 側(cè)桿相對(duì)于表殼的唯一值。 千分表百分表?yè)隙扔?jì) 4.3 位移與變形測(cè)量 2021-7-2525 2). 滑線電阻式位移計(jì)（電子式） 原理：利用應(yīng)變片的電橋進(jìn)行測(cè)量。其輸出電壓與應(yīng)變成正比，即與位移也成正比。 量程：10200mm 精度：高于百分表23倍 滑線電阻式位移計(jì) 4.3 位移與變形測(cè)量 2021-7-2526 3).激光位移傳感器（光電式） 原理：利用激光三角反射法進(jìn)行測(cè)量。 激光三角反射法：激光發(fā)射器通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向被

15、測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光 通過(guò)接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以 在不同的 角度下“看見(jiàn)”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就 能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離。 精度：微米級(jí)（mm， 1 mm =10-6m ） 激光位移傳感器 4.3 位移與變形測(cè)量 2021-7-2527 4.3 位移與變形測(cè)量 4.3.2 轉(zhuǎn)角的測(cè)量 u利用兩個(gè)百分表即可測(cè)出構(gòu)件的轉(zhuǎn)角 原理：結(jié)構(gòu)變形后測(cè)得A、B亮點(diǎn)位移Da、Db。則該截面轉(zhuǎn)角位 l abDD tan 2021-7-2528 4.3 位移與變形測(cè)量 4.3.3 曲率的測(cè)定 u受

16、彎構(gòu)件的彎矩-曲率（M-f）關(guān)系是反映構(gòu)件變形性能的主要指標(biāo)。當(dāng) 構(gòu)件表面變形符合二次拋物線時(shí)，可以根據(jù)曲率的數(shù)學(xué)定義，利用構(gòu)件 表面兩點(diǎn)的撓度差，近似計(jì)算測(cè)試區(qū)內(nèi)構(gòu)件的曲率 2 81 a f r A為固定刀口、B為可移動(dòng)刀口、D為百分表安裝點(diǎn)，選定標(biāo)距AB并使其距離不因構(gòu)件變形而改 變，則 2021-7-2529 4.3 位移與變形測(cè)量 4.3.4 裂縫的檢測(cè) 裂縫檢測(cè)：縫檢測(cè)的目的是查明裂縫的分布特征、寬度、深度及發(fā)展情況， 為裂縫的分析和后續(xù)處理提供依據(jù)。 1). 裂縫分布特征 裂縫檢測(cè)應(yīng)測(cè)定結(jié)構(gòu)裂縫的分布位置和裂縫走向。如裂縫仍在發(fā)展，則每次裂縫分布特征描 述應(yīng)標(biāo)明檢測(cè)時(shí)間，便于分析裂

17、縫變化趨勢(shì)。 2). 裂縫的寬度 測(cè)量裂縫寬度常用工具是裂縫比對(duì)卡和讀數(shù)顯微鏡。 3). 裂縫的深度 裂縫深度無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，大致分為 a)基于超聲波的檢測(cè)方法 b) 基于沖擊彈性波的檢測(cè)方法 2021-7-2530 4.3 位移與變形測(cè)量 裂縫深度的測(cè)試方法和原理 (1). 相位反轉(zhuǎn)法 原理：當(dāng)激發(fā)的彈性波信號(hào)在混凝土內(nèi)傳播，穿過(guò)裂縫時(shí)，在裂縫端點(diǎn)處產(chǎn)生衍射，其衍射角 與裂縫深度具有一定得幾何關(guān)系。相位反轉(zhuǎn)發(fā)是根據(jù)衍射角與裂縫深度的幾何關(guān)系，來(lái)對(duì)裂縫 深度進(jìn)行快速測(cè)試的。 2021-7-2531 4.3 位移與變形測(cè)量 裂縫深度的測(cè)試方法和原理 (2). 傳播時(shí)間差法 原理：彈性波遇到裂縫時(shí)，波被直接隔斷，并在裂縫端部衍射通過(guò)。此方