撓度、應(yīng)力、應(yīng)變的幾種測(cè)試方法

1、撓度、應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方法目錄撓度測(cè)試方法應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方法結(jié)束語(yǔ)撓度測(cè)試一、撓度定義一、撓度定義撓度彎曲變形時(shí)橫截面形心沿與軸線垂直方向的線位移稱為撓度，用y表示。簡(jiǎn)言之就是指梁、桁架等受彎構(gòu)件在荷載作用下的最大變形，通常指豎向方向y軸的,就是構(gòu)件的豎向變形。 撓曲線如圖，平面彎曲時(shí)，梁的軸線將變?yōu)橐粭l在梁的縱對(duì)稱面內(nèi)的平面曲線，該曲線稱為梁的撓曲線。y = f ( x )二、撓度測(cè)試的現(xiàn)狀 撓度測(cè)試廣泛應(yīng)用于橋梁工程中，橋梁的撓度變形是橋梁健康狀況評(píng)價(jià)的重要參數(shù), 因此成為橋梁檢測(cè)試驗(yàn)和健康監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)。橋梁撓度的測(cè)量主要是對(duì)橋跨在恒載和活載情況下的撓度進(jìn)行測(cè)量。因此在橋梁檢測(cè)、危橋改造以及新

2、橋驗(yàn)收等方面都需要準(zhǔn)確測(cè)量橋梁的靜、動(dòng)態(tài)撓度值。大跨度橋梁撓度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)該具有如下特點(diǎn)：(1)、能夠進(jìn)行多點(diǎn)的長(zhǎng)期在線、自動(dòng)測(cè)量；(2)、受橋梁現(xiàn)場(chǎng)的塵埃、霧氣和濕度的影響小；(3)、具有較大的測(cè)量范圍和較高的測(cè)量精度；(4)、有較高的采樣頻率，以滿足動(dòng)態(tài)撓度測(cè)量的需要。三、撓度測(cè)試方法 1、百分表法百分表法2、傾角儀測(cè)量撓度法、傾角儀測(cè)量撓度法3、連通管液位式撓度測(cè)量法4、光電成像撓度測(cè)量方法、光電成像撓度測(cè)量方法6、GPS撓度測(cè)量法撓度測(cè)量法5、全站儀撓度測(cè)量法 百分表百分表：一種精度較高的比較量具, 它只能測(cè)出相對(duì)數(shù)值,不能測(cè)出絕對(duì)數(shù)值, 主要用于測(cè)量形狀和位置誤差, 測(cè)量精度為0. 0

3、1 mm。原理原理：被測(cè)尺寸引起的測(cè)桿微小直線移動(dòng),經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)放大,變?yōu)橹羔樤诳潭缺P上的轉(zhuǎn)動(dòng),從而讀出被測(cè)尺寸的大小。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn):該法安裝與使用方便, 讀數(shù)可靠, 不受環(huán)境影響。但該法需要搭設(shè)工作支架和觀測(cè)腳手架, 而且觀測(cè)人員多, 不能自動(dòng)記錄,觀測(cè)讀數(shù)費(fèi)時(shí), 僅適用于橋下可搭設(shè)支架的橋梁工程，不適合應(yīng)用于大跨度纜索橋梁撓度測(cè)量中。 1、百分表法百分表法 目前除了傳統(tǒng)的機(jī)械式的百分表以外, 還研制了電子位移計(jì), 數(shù)顯式百分表以及光柵式百分表。千分表的測(cè)量精度為0. 001 mm, 常用的量程有1 mm 和3 mm, 其結(jié)構(gòu)及測(cè)試撓度的方法與百分表類似, 千分表只不過(guò)是多了一組放大齒輪。2

4、、傾角儀測(cè)量撓度、傾角儀測(cè)量撓度原理原理：利用結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算單位荷載在不同位置作用時(shí)的撓度曲線以此撓度曲線作為基準(zhǔn)位移模式，而真實(shí)撓度為基準(zhǔn)位移模式的線性組合；組合系數(shù)的確定采用對(duì)傾角測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合的方法，有效的減小了測(cè)試誤差的影響。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：傾角儀法具有精度高、價(jià)格低廉、測(cè)量范圍廣性能穩(wěn)定和方便安裝與維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。適用范圍適用范圍：采用傾角儀測(cè)量橋梁撓度不需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量基準(zhǔn)及不受日光、雨、霧等影響, 測(cè)量范圍較大, 可實(shí)現(xiàn)一維/ 二維測(cè)量, 適合大、中型剛構(gòu)結(jié)構(gòu)橋梁的撓度測(cè)量。對(duì)各傾角儀之間的相位差、傾角儀的瞬態(tài)反應(yīng)、傾角儀零漂等的要求較高。已在北京、九江、哈爾濱、大慶、烏魯木齊等地

5、的多座公路橋梁撓度測(cè)量中得到應(yīng)用。仿真流程圖3、連通管液位式撓度測(cè)量基本原理基本原理：根據(jù)連通管的基本原理,將一個(gè)面積相對(duì)較大的容器放置在橋墩固定不變的位置上,連通管固定在橋體側(cè)壁上。如圖所示,假設(shè)液位離玻璃管頂部的高度為h1,當(dāng)橋梁在某點(diǎn)發(fā)生豎向變形(撓度變化)h時(shí),安置在該點(diǎn)的連通管也隨之在豎直方向下移h,因沿橋軸向上所有連通管的液位保持不變,液位離該點(diǎn)玻璃管頂部的高度從h1變化到h,可以看出h=h1-h. (1)。 即液位在玻璃管內(nèi)的上升量就是該點(diǎn)的結(jié)構(gòu)下沉量(撓度值),通過(guò)讀取有刻度玻璃管中液位的變化值,就得到了橋梁在該點(diǎn)的撓度值。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)：連通管法采用全封閉式,因此,其具有不受結(jié)

6、構(gòu)多方位變形及橋梁現(xiàn)場(chǎng)日光、雨、霧影響等特點(diǎn)。然而,因采用該方法只能人工測(cè)量,人工測(cè)量畢竟采用人工讀數(shù),且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,只適用于橋梁短期靜態(tài)撓度測(cè)量。在上海徐埔大橋、大佛寺長(zhǎng)江大橋等就采用了連通管方法來(lái)測(cè)量橋梁撓度。連通管式光電液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4、光電成像撓度測(cè)量方法、光電成像撓度測(cè)量方法原理原理：橋梁撓度光電成像測(cè)量系統(tǒng)主要由發(fā)光靶標(biāo)和光電數(shù)字?jǐn)z像機(jī)兩部分組成，發(fā)光靶標(biāo)固定在橋梁梁體的待測(cè)部位,光電數(shù)字?jǐn)z像機(jī)則通常固定在橋梁的橋墩上,如圖所示光電數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的成像光學(xué)系統(tǒng),將發(fā)光靶標(biāo)成像在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的光敏面上當(dāng)橋梁在載荷的作用下發(fā)生位移y時(shí),發(fā)光靶標(biāo)亦隨橋梁從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)產(chǎn)生y的位移,這就導(dǎo)致發(fā)光

7、靶標(biāo)在攝像機(jī)像面上所成像點(diǎn)的位置相應(yīng)地從A移動(dòng)到B點(diǎn)產(chǎn)生y的變化量。光電成像撓度測(cè)量系統(tǒng)示意圖優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)：具有非接觸、測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn),不僅可用于橋梁建設(shè)中的施工監(jiān)控,還可進(jìn)行長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè),具有非常廣闊的應(yīng)用前景。可以實(shí)現(xiàn)二維動(dòng)、靜撓度檢測(cè)，與計(jì)算機(jī)相連可使記錄分析實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 徐耀宇等人利用北京光電所生產(chǎn)的BJQN-4 型光電橋梁撓度檢測(cè)儀在金剛橋的成橋試驗(yàn)中測(cè)量橋梁的動(dòng)撓度, 取得很好的效果 ; 潘權(quán)等利用光電測(cè)試系統(tǒng)在東營(yíng)黃河公路大橋進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試動(dòng)撓度曲線, 從而分析了橋梁的動(dòng)態(tài)性能。5、全站儀法撓度測(cè)量原理原理：利用全站儀內(nèi)置的三角高程測(cè)量程序，直接觀測(cè)測(cè)站點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)

8、之間的高差，由于測(cè)站點(diǎn)保持不動(dòng)，則加載前后的兩次高差之差即為目標(biāo)點(diǎn)的撓度變化量。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)：全站儀法具有準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單，操作方便的優(yōu)點(diǎn)，不受縱坡大小的影響，測(cè)程也比水準(zhǔn)儀法測(cè)量要遠(yuǎn)。因此，全站儀法比較適合一些撓度變形量較大的大橋或特殊大橋的撓度測(cè)量。但受自然條件限制較大。全自動(dòng)全站儀測(cè)量的方法在上海盧浦大橋和江陰長(zhǎng)江大橋等的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用過(guò)。 鑒于人造衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System or GPS)具有高效、快速、全天候、全自動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此可以引進(jìn)GPS進(jìn)行橋梁的撓度測(cè)量。同時(shí)直接測(cè)量橋梁的獨(dú)立三維實(shí)時(shí)位移，增強(qiáng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的可靠度。目前，GPS測(cè)量主要有

9、3種模式:靜態(tài)、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)，各種測(cè)量模式的觀測(cè)時(shí)間和測(cè)量精度有明顯的差異。在通常情況下，靜態(tài)測(cè)量的精度最高，一般可達(dá)毫米級(jí)的精度，但其觀測(cè)時(shí)間一般要1h以上。準(zhǔn)動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)最的精度一般較低，大量的實(shí)測(cè)資料表明，在觀測(cè)條件較好的情況下，其觀測(cè)精度為厘米級(jí)。因此，對(duì)于大撓度橋梁的檢測(cè)，由于撓度值較大，應(yīng)用GPS觀測(cè)還是可以考慮的。 動(dòng)態(tài)GPS監(jiān)測(cè)撓度的特點(diǎn): (1)由于GPS是接收衛(wèi)星運(yùn)行定位，所以大橋上各測(cè)點(diǎn)只要能接收到6顆以上GPS衛(wèi)星基準(zhǔn)站傳來(lái)的GPS差分信號(hào)，即可進(jìn)行RTK差分定位，各監(jiān)測(cè)站得到的是相互獨(dú)立的觀測(cè)值。 (2) GPS定位受外界大氣影響小，可以在暴風(fēng)雨和大霧中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 (

10、3) GPS測(cè)量位移自動(dòng)化程度高。從接收信號(hào)，捕捉衛(wèi)星到完成RTK差 分位移都是由儀器自動(dòng)完成，所測(cè)結(jié)果自動(dòng)存人監(jiān)控中心。 (4) GPS定位速度快，精度高。6、GPS撓度測(cè)量撓度測(cè)量缺點(diǎn)缺點(diǎn)：利用GPS進(jìn)行橋梁撓度測(cè)量。GPS雖然能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)、自動(dòng)測(cè)量，但該系統(tǒng)價(jià)格昂貴，且測(cè)量精度較低，測(cè)點(diǎn)少、受外界干擾大，一般只能對(duì)大跨度橋梁進(jìn)行測(cè)量，因此在使用范圍上有一定的局限性。在測(cè)量大跨度橋梁時(shí)，易受橋梁纜索的遮擋影響，造成GPS接收機(jī)接收不到部分衛(wèi)星信號(hào)，以及載荷變化造成天線氣泡易偏離，使觀測(cè)結(jié)果誤差過(guò)大。在虎門大橋的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中以及香港青馬大橋上就使用了GPS進(jìn)行撓度監(jiān)測(cè)。 在當(dāng)今土木工程行業(yè)中

11、,應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量廣泛地應(yīng)用于建筑、鐵路、橋梁、交通、大壩等結(jié)構(gòu)上。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試是工程人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,了解結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)以及保證結(jié)構(gòu)安全的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。例如在大跨度橋梁的施工過(guò)程以及營(yíng)運(yùn)過(guò)程的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)中,對(duì)關(guān)鍵截面的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè),為橋梁的施工、營(yíng)運(yùn)、加固提供依據(jù),確保結(jié)構(gòu)安全是橋梁建設(shè)一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。如何才能快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出我們所關(guān)心的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變,是每一個(gè)工程人員十分關(guān)心的問(wèn)題。應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試1、電阻式應(yīng)變片測(cè)量2、光纖光柵光纖光柵測(cè)量應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方法應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方法3、數(shù)顯千分表數(shù)顯千分表測(cè)量4、振弦傳感器振弦傳感器測(cè)量5、光彈性測(cè)量1、電阻式應(yīng)變片測(cè)量

12、電阻式應(yīng)變片電阻式應(yīng)變片：電阻式應(yīng)變片又稱為電阻應(yīng)變計(jì),簡(jiǎn)稱應(yīng)變片或電阻片,它是非電量電測(cè)中最重要的變換器。原理原理：是用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量結(jié)構(gòu)的表面應(yīng)變， 再根據(jù)應(yīng)變應(yīng)力關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種試驗(yàn)應(yīng)力分析方法。測(cè)量時(shí)，將電阻應(yīng)變片粘貼在零件被測(cè)點(diǎn)的表面。當(dāng)零件在載荷作用下產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，電阻應(yīng)變計(jì)發(fā)生相應(yīng)的電阻變化,用應(yīng)變儀測(cè)出這個(gè)變化，即可以計(jì)算被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)：電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)的優(yōu)點(diǎn): 1) 靈敏度( 1 !) 和準(zhǔn)確度( 約1 % 3 %) 高, 數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠; 2) 尺寸小、重量輕, 測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)單, 可以應(yīng)用于靜、動(dòng)態(tài)測(cè)量; 3) 便于多點(diǎn)測(cè)量, 易于集中, 測(cè)量數(shù)據(jù)

13、便于記錄, 且能遠(yuǎn)距離傳輸。電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)的缺點(diǎn): 1) 對(duì)于應(yīng)力集中部位的測(cè)量不夠準(zhǔn)確; 2) 一般只能測(cè)量構(gòu)件表面應(yīng)變, 難于顯示其內(nèi)部應(yīng)變; 3) 輸出信號(hào)較小, 動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí), 接線往往需要采取屏蔽措施以防止干擾。 應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)方法可用來(lái)了解建筑物結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài),從而在各類砼工程結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。2、光纖光柵光纖光柵測(cè)量原理原理：裸光纖光柵傳感器是一種未經(jīng)封裝的傳感元件，它以裸光纖為載體，通常由纖芯和外面的保護(hù)層組成。其中纖芯的直徑僅為0.125 mm，光線在其內(nèi)部進(jìn)行全反射傳播。當(dāng)芯層折射率受到周期性調(diào)制后，即成為Bragg 光柵，如圖 所示。 通過(guò)光纖光柵解調(diào)

14、儀監(jiān)測(cè)光柵反射光的波長(zhǎng)，并通過(guò)相應(yīng)的程序?qū)y(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析和處理，就能獲得光纖光柵傳感器處的應(yīng)變值。光纖光柵測(cè)試方法特點(diǎn)光纖光柵測(cè)試方法特點(diǎn)：1）光纖光柵傳感器以光纖作為信號(hào)載體，傳感器體積小、重量輕，容易滿足被測(cè)結(jié)構(gòu)件對(duì)狹小空間的安裝需求；另一方面，在使用傳感器密集的地方，從尺寸和重量上進(jìn)行比較，幾乎沒(méi)有其他傳感器可以與光纖光柵傳感器進(jìn)行媲美。2）屬于光學(xué)測(cè)量方法，抗電磁干擾，適合用于長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸。3）光學(xué)信號(hào)入射和反射線的輸入輸出回路僅為一根直徑0.25 mm 的光纖， 能夠極大地簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。4）理論上，一根光纖上可以連續(xù)制作幾十個(gè)傳感器（被測(cè)對(duì)象變形越小，可以連續(xù)制作的傳感

15、器也越多），便于構(gòu)成分布式傳感系統(tǒng)。3、數(shù)顯千分表數(shù)顯千分表測(cè)量 數(shù)顯千分表是利用數(shù)字測(cè)量顯示技術(shù),對(duì)測(cè)量桿所感測(cè)到的直線位移進(jìn)行讀數(shù)的一種精密測(cè)量器具。它可以進(jìn)行任意的起始值設(shè)置,進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量、相對(duì)測(cè)量,可滿足特殊要求。數(shù)顯千分表是近年來(lái)發(fā)展較快的高技術(shù)產(chǎn)品,它讀數(shù)直觀、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、功能齊全、以數(shù)字形式給出測(cè)量結(jié)果、無(wú)人為讀數(shù)誤差。它的這些特點(diǎn)讓它在土木、機(jī)械行業(yè)受到重視,特別在高精度、批量大、檢測(cè)速度快的場(chǎng)合顯示出它的優(yōu)越性。4、振弦傳感器測(cè)量 振弦式傳感器是目前國(guó)內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測(cè)的傳感器。振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號(hào),通過(guò)頻率的改變來(lái)反映被測(cè)構(gòu)件

16、的應(yīng)變大小。振弦傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、受電參數(shù)影響小、零點(diǎn)飄移小、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。5、光彈性測(cè)量原理：原理：光彈性法是利用光學(xué)原理進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量中具有代表性的方法之一，而其他方法，如激光全息干涉法、散斑干涉法和云紋干涉法等由于視場(chǎng)測(cè)量范圍較小，一般在1 m 到1 mm 之間，常用于實(shí)驗(yàn)室而很難滿足工程現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量需求。光彈性方法的優(yōu)點(diǎn)光彈性方法的優(yōu)點(diǎn)：1）屬于非接觸測(cè)量方法，具有電測(cè)方法不能達(dá)到的全場(chǎng)測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，既可以測(cè)量表面應(yīng)力，也可測(cè)量?jī)?nèi)部應(yīng)力。2）該方法直觀，能夠清晰地反映應(yīng)力集中現(xiàn)象，不僅很容易找到應(yīng)力集中的部位， 而且可以確定應(yīng)力集中系數(shù)。光彈性方法的缺點(diǎn)光彈性方法的缺點(diǎn)：1）工藝比較復(fù)雜