應力監(jiān)測在橋梁上的應用與發(fā)展

1、    應力監(jiān)測在橋梁上的應用與發(fā)展    王惠文 梁金棟 孫玥摘 要： 隨著經(jīng)濟社會與鋼筋混凝土技術的發(fā)展，現(xiàn)代建筑材料與建造方法都取得了巨變，另一方面，人們也更加關注使用過程中建筑物的安全性與耐久性，為此建立了一系列完備的應力監(jiān)測系統(tǒng)?；诖?，本篇文章分析了現(xiàn)有的橋梁應力監(jiān)測技術與原理，并展望發(fā)展方向。關鍵詞： 應力監(jiān)測；橋梁；橋梁監(jiān)測1 應力監(jiān)測技術1.1 應力監(jiān)測技術的原理根據(jù)材料力學胡克定律，有（1）式中為混凝土應力；e為混凝土的彈性模量；為混凝土應變。由于材料的形變量較為微小，難以直接測量，因此，根據(jù)其在外力下電阻值隨著機械變形而改變的特點，

2、可由公式（2）測得材料的應變量，應變系數(shù)gf已在應變片中標注。由于材料受力時形變量較小，導致應變片阻值r變化較小，所以通過惠斯通電橋?qū)﹄娮枳兓糠糯蠛筮M行測量，公式（3）輸出信號v而判斷應力是否在容許范圍內(nèi)。1.2 應力測量常用儀器應力監(jiān)測技術研究時期較早，隨著科技的逐漸進步發(fā)展迅速。在測量鋼筋混凝土構造時，導致混凝土產(chǎn)生應變的原因很復雜，主梁應變除荷載作用引發(fā)彈性應變外，也有一系列塑性變形，同時還包含收縮、徐變、溫度等因素導致的應變，因而精準測量荷載導致的應變較為困難。當今已有多種測量應力的儀器，例如電阻應變片、振弦式應變儀、光纖光柵應變儀、超聲導波監(jiān)測儀，并有鋼絞線、磁通量傳感器等配合傳輸

3、測量值。電阻應變片通過應變膠黏劑，將應變片粘合在被測體表面，使得應變片隨材料的變形而變化，彈性體在外荷載作用下的應變傳達到應變片的柵絲上，將微細的應變量轉(zhuǎn)換成電阻變化值，從而得出應變大小。1在此基礎上，振弦式應變計將變形傳給振弦，從而得出此時的振弦應力，改變內(nèi)部振動頻率，發(fā)出信號；光纖光柵傳感器經(jīng)由檢測光柵波長分布中波峰的位置來量化應力；超聲導波是運用低頻扭曲波或縱波對管道進行長距離的觀測。通過將應力監(jiān)測技術與光學、聲波等先進技術相結合，以理論力學原理為基礎，現(xiàn)以開發(fā)制作出了多種應力監(jiān)測儀器，可適用于不同場合。2 應力監(jiān)測技術在橋梁上的運用2.1 橋梁監(jiān)測的形成自千年前最基礎的木制結構起，橋梁

4、就作為世界上最重要的交通形式之一沿用至今，而在建筑材料得到跨時代革新的當代，橋梁也從初期的木制石制，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱虽摻罨炷粱蚴卿摻Y構。長期使用的橋梁，可能具有多種問題：混凝土內(nèi)部可能生出裂縫，有效截面尺寸減?。婚L時間受力使得混凝土內(nèi)部凝膠體粘性流動和滑移，即徐變發(fā)生；集中受力的橋墩處產(chǎn)生沉降等。除此之外，曾經(jīng)發(fā)生過的交通事故、惡劣天氣等，都可能對橋梁產(chǎn)生一系列的破壞。我國當今使用的各種橋梁中，早期施工由于技術限制、材料等原因，都或多或少存在一些隱患：大跨徑梁式橋易出現(xiàn)跨中下?lián)虾土后w中段出現(xiàn)大量裂縫的征象2；鋼箱梁懸索橋易由于施工不合理而產(chǎn)生應力集中與拉應力征象，在焊接處出現(xiàn)疲勞裂紋。主纜則可能

5、出現(xiàn)漆膜損壞、鋼絲腐蝕、滲水漏水等現(xiàn)象3；除此之外，對于斜拉橋，也會有保護層開裂，滲水，致使高強鋼絲生銹，并有下錨頭銹蝕，主梁出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象。因為，由于橋梁在日常交通生活運用的普遍性與其事故后的嚴重性，監(jiān)測橋梁受力情況以預防病害就顯得尤為重要。橋梁監(jiān)測是依據(jù)橋梁所處的環(huán)境為背景，檢測橋梁部分的損傷，一般通過溫度、振動和沉降等監(jiān)測參數(shù)對橋梁進行溫度場監(jiān)測、應力監(jiān)測和線型監(jiān)測，同時必須考慮橋梁所在地域的交通流量和地震情況，制定不同的安全等級。傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測是在地面測量技術的基礎上，使用溫度計、ph值傳感器來測量建筑附近的溫度與酸堿度，并檢查當?shù)赜涊d的地震情況，最后用交通流量來計算出橋梁的交通載荷量

6、。在此之后，經(jīng)過較長時間的改進，橋梁監(jiān)測技術轉(zhuǎn)變?yōu)檫\用儀器來檢測出某定點的變形值，如應用全站儀、gps等現(xiàn)代測繪儀器來測量橋梁的位移、撓度變化，從而在一個更為廣闊的方面了解橋梁的變形情況，并合用于各種監(jiān)測環(huán)境。42.2 橋梁應力監(jiān)測的發(fā)展方向當今常用的橋梁監(jiān)測方法，盡管在可以在大多數(shù)方面滿足橋梁應力測量與安全的要求，但仍存在一些不足。利用經(jīng)緯儀與水準儀進行的監(jiān)測技術需要大量的現(xiàn)場測量工作，同時儀器對環(huán)境也有一定的要求，易受溫度等因素影響。另一方面，廣泛使用的電阻式應變計也存在環(huán)境不利因素影響較大，且電子傳感技術存在的零點漂移問題難以克服，使得數(shù)據(jù)較不穩(wěn)定。因此，已有多種改良的新型應變傳感器可以

7、運用于橋梁監(jiān)測的發(fā)展。2.2.1 光纖bragg光柵傳感器作為傳感器而使用的光纖光柵最早運用在航空、航天等軍事領域，光纖光柵可以同時對溫度與應變等物理量直接測量，具備抗干擾性強、靈敏度高、便于復用、質(zhì)量較輕等優(yōu)點，同時耐高溫、耐腐蝕。rutger大學的prohaska等專家在1992年通過實驗，將光纖光柵埋到土木結構中測量應變，這是此傳感器的第一次實際運用。1993年，科學家們將其實地運用于加拿大艾伯塔省的一座公路橋上，從而證實了這種傳感器的實用性。5在光纖上用紫外光刻寫光柵，應變的變化與所導致的柵距變化呈線性，光柵反射波長與柵距改變量也成線性關系。另一方面，光纖光柵傳感器采用的光譜調(diào)制技術，

8、極適用于長期監(jiān)測：傳感器對于光強的波動不敏感，因此，無論光源變化或是光纖處的光損失都不會影響測量值，正是由于其與信號強度無關的測量特性，使的這種方法不會受到測試中斷的影響，利用推廣使用62.2.2 磁彈應力傳感器磁彈應力傳感器的原理是鋼構件的磁彈效應，磁彈效應是指置于磁場中的鋼構件在機械力作用下其內(nèi)部發(fā)生彈性能量變化，致使磁化強度重新取向，磁導率變化的現(xiàn)象。多種實驗表明，磁彈應力傳感器具有不需要了解鋼絲受力歷史、穩(wěn)定性好、重復性好的特點，因此適用于鋼結構的應力監(jiān)測。73 結語應力監(jiān)測技術至今已發(fā)展了過百年，隨著建筑材料以及建筑模式的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的應力監(jiān)測裝置已無法滿足人們的需求，同時，科技的不斷發(fā)展使得應力監(jiān)測技術不斷發(fā)展，不論是運用于橋梁上，亦或是房屋結構、交通軌道等，都有著相當?shù)陌l(fā)展前景。參考文獻1尹福炎.電阻應變片與應變傳遞原理研究j.衡器，2010，39（02）：1-8.2樓莊鴻.大跨徑梁式橋的主要病害j.公路交通科技，2006（04）：84-87.3鐘華棟.淺談大跨度鋼箱梁懸索橋典型病害及研究j.四川建材，2017，43（07）：138-139.4吳暉.橋梁監(jiān)測技術研究及發(fā)展方向j.中國科技縱橫，2017，（11）：106.5梁磊，姜德生，周雪芳， 等.光纖bragg光柵傳感器在橋梁工程中的應用j.光