1、    應力監測在橋梁上的應用與發展    王惠文 梁金棟 孫玥摘 要： 隨著經濟社會與鋼筋混凝土技術的發展，現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測系統。基于此，本篇文章分析了現有的橋梁應力監測技術與原理，并展望發展方向。關鍵詞： 應力監測；橋梁；橋梁監測1 應力監測技術1.1 應力監測技術的原理根據材料力學胡克定律，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對電阻變化量放大后進行測量，公式（3）輸出信號v而判斷應力是否在容許范圍內。1.2 應力測量常用儀器應力監測技術研究時期較早，隨著科技的逐漸進步發展迅速。在測量鋼筋混凝土構造時，導致混凝土產生應變的原因很復雜，主梁應變除荷載作用引發彈性應變外，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，改變內部振動頻率，發出信號；光纖光柵傳感器經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，現以開發制作出了多種應力監測儀器，可適用于不同場合。2 應力監測技術在橋梁上的運用2.1 橋梁監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，逐漸轉變為了鋼筋混凝土或是鋼結構。長期使用的橋梁，可能具有多種問題：混凝土內部可能生出裂縫，有效截面尺寸減小；長時間受力使得混凝土內部凝膠體粘性流動和滑移，即徐變發生；集中受力的橋墩處產生沉降等。除此之外，曾經發生過的交通事故、惡劣天氣等，都可能對橋梁產生一系列的破壞。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跨中下撓和梁體中段出現大量裂縫的征象2；鋼箱梁懸索橋易由于施工不合理而產生應力集中與拉應力征象，在焊接處出現疲勞裂紋。主纜則可能

5、出現漆膜損壞、鋼絲腐蝕、滲水漏水等現象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，主梁出現裂縫等現象。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，監測橋梁受力情況以預防病害就顯得尤為重要。橋梁監測是依據橋梁所處的環境為背景，檢測橋梁部分的損傷，一般通過溫度、振動和沉降等監測參數對橋梁進行溫度場監測、應力監測和線型監測，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。傳統的橋梁監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，并檢查當地記載的地震情況，最后用交通流量來計算出橋梁的交通載荷量

6、。在此之后，經過較長時間的改進，橋梁監測技術轉變為運用儀器來檢測出某定點的變形值，如應用全站儀、gps等現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，并合用于各種監測環境。42.2 橋梁應力監測的發展方向當今常用的橋梁監測方法，盡管在可以在大多數方面滿足橋梁應力測量與安全的要求，但仍存在一些不足。利用經緯儀與水準儀進行的監測技術需要大量的現場測量工作，同時儀器對環境也有一定的要求，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，使得數據較不穩定。因此，已有多種改良的新型應變傳感器可以

7、運用于橋梁監測的發展。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、質量較輕等優點，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制技術，

8、極適用于長期監測：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部發生彈性能量變化，致使磁化強度重新取向，磁導率變化的現象。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、穩定性好、重復性好的特點，因此適用于鋼結構的應力監測。73 結語應力監測技術至今已發展了過百年，隨著建筑材料以及建筑模式的不斷發展，傳統的應力監測裝置已無法滿足人們的需求，同時，科技的不斷發展使得應力監測技術不斷發展，不論是運用于橋梁上，亦或是房屋結構、交通軌道等，都有著相當的發展前景。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.橋梁監測技術研究及發展方向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