如何选择适合自己的静力参数测试设备？

荷载试验测试的桥梁静力参数主要包括应变(应力)、变位、裂缝、倾角和索(杆)力,同时还需观察试验过程中结构的反应,综合评判桥梁静力荷载试验下的结构响应,为桥梁承载能力评价提供依据。

1)应变(应力)测试

桥梁结构应变(应力)主要包括拉、压应变(应力)和主应力。 应变(应力)测试设备可采用机械式、电阻式、振弦式或光纤式应变计;测试用传感器可采用引伸计、电阻应变计、振弦式应变计或光纤应变计。 其技术要求如表10.1 所示。

引伸计是机械式应变测试设备,采用这种方法测量应变时,可利用千分表0.001 mm 的读数精度,将其装配成测试结构应变的千分表引伸计。

采用电阻应变计测量时,应将电阻应变计粘贴在被测构件上,通过电阻应变测量装置,测得应变值。 采用振弦式应变计测量时,应预先标定“力-频率”关系曲线,再通过钢弦自振频率变化测得应变值。 采用光纤光栅应变计测量时,应标定光纤光栅周期或纤芯折射率与力或应变的变化关系,再通过光纤光栅周期或纤芯折射率的变化得到应变值。

桥梁结构应变的测量重点在于电阻应变片的布置,只有合理地布置安装电阻应变片,才能得到准确可靠的测量结果。 电阻应变片的布置应根据现场温度、湿度等条件选择贴片及防潮工艺,尽量选用与观测应变部位相同的材料而设补偿片。 补偿片应尽量靠近工作片位置,配置相应的应变测试分析系统。 采用千分表观测结构表面应变时,在不影响观测的前提下,应尽量使千分表轴线靠近结构表面,以减小测试误差。 振弦式应变计安装定位后,应及时量测仪器初值,根据仪器编号和设计编号做好记录并存档。 光纤光栅应变计应与专用底座配套使用,采用特制的紧固螺钉将底座固定在结构表面,荷载试验结束后可拆卸重复使用。

2)变位测试

桥梁结构变位主要包括竖向变位(挠度)和水平变位,水平变位包括纵向变位和横向变位。 变位测试设备可采用机械式或基于电(声、光)原理的测试仪器。 机械式测试仪器是指各种用于非电量测试的仪表、器具或设备。 这类设备需人工读取测值,主要包括千分表、百分表、连通管和挠度计;电(声、光)测试仪器可自动记录测值,其精度高、更新快、量程也比较大,主要包括电测变形计、水准仪、经纬仪、全站仪、测距仪和机电百(千)分表。 目前,也可利用卫星定位系统进行变位测试,可以极大提高测试效率。 变位测试仪器技术要求如表10.2 所示。

表10.1　应变(应力)测试设备技术要求

注:当测量对象为钢构件或混凝土内钢筋的应变时,宜采用标距不大于6 mm 的小标距应变计;测混凝土结构表面应变时,宜选用标距不小于80 ~100 mm 的大标距应变计。

表10.2　变位测试设备技术要求

注:L 为观测距离。

3)裂缝测试

桥梁结构荷载试验裂缝主要包括荷载试验前结构上的既有裂缝和试验中出现的新裂缝,裂缝的特征量包括长度、宽度、深度、走向和分布范围等。 由于裂缝特征的表现形式复杂,一般通过现场描绘结构表面的裂缝图表示。

荷载试验前应对既有裂缝的长度、宽度、分布及走向进行观测、记录,并将其标注在结构上;进行荷载试验时,应针对结构承受拉力较大部位及原有裂缝较长、较宽部位进行,随时观测新裂缝的长度、宽度及既有裂缝发展状况,并描绘出结构表面的裂缝分布及走向。 通常情况下,裂缝长度、分布和走向可直接观测得到。 对于肉眼难以清晰观测到的裂缝宽度,可以采用刻度放大镜、裂缝计及裂缝宽度探测仪测量,必要时,可采用取芯法或其他无损方法量测裂缝的深度。 裂缝测试设备技术要求如表10.3 所示。

表10.3　裂缝测试设备技术要求

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4)倾角测试

静载试验测试倾角主要包括水平倾角和竖向倾角。 通常采用的倾角测试设备主要包括水准式倾角仪、光纤光栅式倾角计、数显倾角仪或双轴倾角仪等。 其测试设备技术要求如表10.4 所示。

表10.4　倾角测试设备技术要求

5)索(杆)力测试

桥梁索(杆)力应包括斜拉桥的斜拉索索力、中下承式拱桥吊索(杆)力、系杆力、悬索桥主缆缆力及吊索索力。

测试桥梁结构斜拉索、吊索(杆)、系杆力及主缆索力的索力时,先估算不同拉索的振动频率,选择频响特性合适的拾振器,将其绑扎在拉索上,采用环境随机振动或人工激振法使拉索振动,测出拉索的横向振动频率,经分析得出索力。 由于减振器安装后会使得拉索自由长度减小,分析时应对索的长度进行修正。 为与合龙索力比较,宜选择与合龙时温度一致的时段进行量测,其温差宜控制在±5 ℃范围内。

桥梁索力测量系统主要包括:

①测量系统一般由传感器、放大器、信号采集与分析仪器组成。

②传感器、放大器及信号采集系统应有足够的灵敏度,可测量索在自然环境激励或人工激振下的横向振动信号。

③测量系统的频响范围应能满足不同索的自振频率测量要求,其带宽应充足。

④信号采集与分析仪器,应有抗混叠滤波和频率分析功能,频率分辨率应至少达到0.01 Hz。

测试过程中的注意要点包括:

①可采用随机环境激励的测量方法,采集索在环境激励下的振动信号。 当测试系统灵敏度不够时,可采用人工激振。

②测量时应临时解除索的外置阻尼器。

③传感器应采用专用夹具或绑带固定在索股上,安装位置宜远离索股锚固端,测量索的面外横向振动。

④采样频率应大于或等于索股第5 阶自振频率的5 倍,宜不低于100 Hz。 记录时间宜大于5 min。 现场采集数据时应注意观察信号质量。

⑤一般采用自谱分析方法,获取索的多阶自振频率,宜获取前5 ~10 阶自振频率。 应按随机信号处理的规定,合理选取分析数据长度、分析带宽、谱线数、重叠率、窗函数及谱平均次数等分析参数,以减少分析误差,并具有不大于0.01 Hz 的频率分辨率。

⑥应判断实测自振频率的阶次及漏频情况。 可根据实测的多阶自振频率中相邻阶的频率差值来判断。 当各相邻阶的频率差值近似相等,且和测得的第1 阶频率接近时,不存在漏频现象;否则,存在漏频现象。