市政政橋橋梁梁培培訓訓橋梁梁荷荷載載試試驗驗福州州大大學學土土木木工工程程實實驗驗教教學學中中心心林友友勤勤lyq@.c梁梁荷荷載載試試驗驗第一一章章應應力力測測試試技技術術第二二章章橋橋梁梁振振動動測測試試技技術術應力力測測試試主主要要內內容容：：§1-1概述述§1-2機測測法法§1-3光測測法法§1-4電測測法法一、、鋼鋼振振弦弦傳傳感感器器及及斜斜拉拉橋橋索索力力測測量量二、、電電阻阻應應變變式式傳傳感感器器§1-5應變變數數據據處處理理—應力力應應變變轉轉換換關關系系§1-6利用用動動應應變變或或動動撓撓度度測測量量橋橋梁梁沖沖擊擊系系數數§1-1概述述根據據應應力力與與應應變變之之間間的的轉轉換換關關系系，，通通過過測測結結構構或或構構件件表表面面、、內內部部應應變變來來得得到到結結構構或或構構件件的的應應力力狀狀態態。。鋼材材的的拉拉伸伸試試驗驗中中，，在在其其屈屈服服之之前前，，其其應應力力—應變變之之間間存存在在著著線線性性關關系系我們們就就可可以以通通過過測測應應變變來來測測應應力力，，而而應應變變測測試試方方法法比比較較簡簡單單，，因因為為根根據據應應變變的的定定義義：：§1-1概述述應變變的的定定義義：：式中中：：———應變變———測區區長長度度的的變變化化量量———測區區的的原原始始長長度度，，稱稱之之為為標標距距§1-1概述述如在在機機測測中中，，將將放放大大后后測測量量；；在光光測測中中，，將將變變化化轉轉換換光光波波長長的的變變化化；；在電電測測法法，，將將其其轉轉換換為為電電的的某某些些特特性性的的變變化化并并放放大大后后測測量量；；如如在在電電阻阻應應變變測測試試技技術術中中，，將將轉轉換換為為傳傳感感元元件件的的電電阻阻并并進進一一步步轉轉換換為為電電壓壓的的變變化化等等等等。。§1-1概述述應變變測測試試的的主主要要方方法法：：———機測測法法———光測測法法———電測測法法§1-2機測測法法定義義：：利用用機機械械式式測測試試儀儀器器來來實實現現對對應應變變的的測測量量常用用儀儀器器：：———手持持式式應應變變儀儀———接觸觸式式應應變變儀儀手持持式式應應變變儀儀手持持式式應應變變儀儀接觸觸式式應應變變儀儀千分分表表千分分表表構造造：：千分分表表由由測測桿桿、、齒齒輪輪、、彈彈簧簧、、指指針針和和度度盤盤等等各各種種零零部部件件組組合合而而形形成成四四個個機機構構：：傳感感機機構構（（千千分分表表中中的的觸觸桿桿））轉換換機機構構（（千千分分表表中中的的大大小小齒齒輪輪及及彈彈簧簧））指示示機機構構（（千千分分表表中中的的指指針針））機體體和和保保護護部部分分工作作原原理理及及特特點點機測測法法工工作作原原理理：：將將測測區區長長度度的的變變化化通通過過千千分分表表的的測測桿桿傳傳遞遞給給一一組組齒齒輪輪，，通通過過齒齒輪輪將將長長度度的的變變化化進進行行放放大大并并改改變變方方向向，，轉轉換換為為指指針針在在刻刻度度盤盤上上的的轉轉動動并并指指示示，，進進而而計計算算出出應應變變值值。。機測測法法特特點點：：安安裝裝便便捷捷，，讀讀數數方方便便、、準準確確度度高高、、對對環環境境的的適適應應性性強強即即一一般般不不受受溫溫濕濕度度影影響響以以及及電電磁磁場場的的干干擾擾、、性性能能可可靠靠，，但但靈靈敏敏度度不不高高、、需需要要人人工工測測讀讀、、速速度度慢慢、、工工作作量量大大。。§1-3光測測法法定義義：：利用用光光的的某某些些特特性性如如波波長長的的變變化化與與應應變變之之間間的的轉轉換換關關系系，，通通過過測測量量光光波波長長的的變變化化來來實實現現對對應應變變的的測測量量傳感感器器：：光光纖纖布布拉拉格格光光柵柵傳傳感感器器（（fiberopticBragggratingstrainsensor）表面面式式光光纖纖應應變變傳傳感感器器內埋埋式式光光纖纖應應變變傳傳感感器器表面面式式溫溫度度光光纖纖傳傳感感器器內埋埋式式光光纖纖溫溫度度傳傳感感器器§1-3——光纖纖布布拉拉格格光光柵柵傳傳感感器器構造造：：光光纖纖、、布布拉拉格格光光柵柵組組成成§1-3——光纖纖布布拉拉格格光光柵柵傳傳感感器器工作作原原理理：：式中中：：———光纖纖光光柵柵的的中中心心波波長長———纖芯芯的的有有效效折折射射率率———光柵柵周周期期。。§1-3——光纖纖布布拉拉格格光光柵柵傳傳感感器器結構構應應變變勢勢必必導導致致光光柵柵周周期期的的變變化化———這為為采采用用光光纖纖布布拉拉格格光光柵柵制制成成光光纖纖應應變變傳傳感感器器提提供供了了最最基基本本的的物物理理特特性性。。同樣樣溫溫度度變變化化也也會會引引起起光光柵柵布布拉拉格格波波長長的的變變化化。。波長的的變化化與應應變以以及溫溫度的的變化化可用用下式式來表表示：：§1-3——光纖布布拉格格光柵柵傳感感器式中：：——應變以以及溫溫度變變化引引起的的波長長變化化——光纖光光柵不不受應應變及及溫度度變化化的中中心波波長——待測應應變——為溫度度變化化量——光纖光光柵應應變傳傳感靈靈敏度度系數數——光纖光光柵溫溫度傳傳感靈靈敏度度系數數。可采用用相同同溫度度環境境下的的光纖纖光柵柵進行行溫度度補償償。§1-3——光纖布布拉格格光柵柵傳感感器特點：：光纖傳傳感器器是90年代出出現的的一種種用于于觀測測應力力、應應變、、溫度度以及及內部部裂縫縫、變變形等等結構構參數數的新新型傳傳感器器。高精度度高靈敏敏度遠距離離分布式式耐久性性光纖的的小巧巧、柔柔軟、、不易易拉斷斷抗電磁磁干擾擾能力力強集傳感感與傳傳輸于于一體體易于制制作和和埋入入結構構內部部而且物物理截截面和和力學學強度度小，，在粘粘貼或或嵌入入到主主體中中不會會對其其性能能和結結構造造成影影響。。§1-4電測法法電測法法：利利用電電的某某些特特性如如電阻阻、電電流、、電壓壓、頻頻率等等的變變化與與結構構應變變之間間的轉轉換關關系來來測定定結構構的應應變。。主要有有鋼振振弦式式與電電阻式式及電電渦流流式一、振振弦式式傳感感器利用固固定在在結構構上的的鋼弦弦振動動頻率率與結結構應應變之之間的的轉換換關系系，通通過測測量鋼鋼弦的的振動動頻率率來實實現對對應變變的測測量。。構造：：由夾夾塊、、振弦弦、永永久磁磁鐵、、線圈圈等組組成。。一般般有埋埋入式式與外外置式式，主主要產產品有有德國國麥哈哈克、、法國國德來來馬克克、美美國基基康等等以及及中國國丹東東傳感感器廠廠生產產。§1-4電測法法——鋼弦式式傳感感器§1-4電測法法——鋼弦式式傳感感器工作原原理：：利用用鋼弦弦自振振頻率率與鋼鋼弦應應變之之間存存在一一定關關系，，通過過測鋼鋼弦的的頻率率來測測應變變。式中：：——鋼弦自自振頻頻率——鋼弦長長度——待測應應變——鋼弦彈彈模——鋼弦材材料常常數§1-4電測法法——鋼弦式式傳感感器§1-4電測法法——鋼弦式式傳感感器應力監監測§1-4電測法——鋼弦式式傳感感器特點：：結構構簡單單、制制作方方便、、穩定定性好好、抗抗干擾擾能力力強及及遠距距離傳傳輸誤誤差小小等優優點，，近年年來得得到廣廣泛應應用，，特別別是應應用于于施工工應力力監控控中。。缺點點是價價格昂昂貴。。理想弦弦的振振動方方程在在斜拉拉索索索力力測試試中的的運用用目前測測量索索力的的方法法主要要有：：壓力表表測定定法、壓力傳傳感器器測定定法（應變變式或或振弦弦式））、鋼鋼索測測力儀儀法、、振動頻頻率法法、磁通通量法法、電阻應應變片片測試試法等，顯顯然除除了振振動頻頻率法法外其其它方方法均均無法法應用用于成成索的的索力力測試試。理想弦弦的振振動方方程T———是索的的張力力（N）；m———是索的的線密密度（（kg/m）；L———是索的的計算算長度度（m）；fn——是索的的第n階振動動頻率率（Hz）；索的振振動方方程弦振動動的頻頻譜圖圖呈倍倍頻關關系利用基基頻（（或頻頻差））計算算弦的的張力力Δf為理想想頻率率段內內的各各階頻頻率差差的平平均值值思考題題：下下圖為為索的的振動動頻譜譜圖，，其基基頻是是多少少？G15高速公公路青青洲閩閩江大大橋，，主跨跨605米楊浦大大橋，，主跨跨603米晉江大大橋晉江大大橋晉江大大橋施施工監監控晉江大大橋施施工監監控索力監監測晉江大大橋荷荷載試試驗莆田木木蘭溪溪特大大橋荷荷載試試驗木蘭溪大橋橋工程是荔荔港大道的的關鍵工程程。全長860米，左岸引引橋長240米；右岸引引橋長240米。其中，，主橋跨徑徑為40+50+2×100+50+40米的獨塔單單索面自錨錨式懸索橋橋，全長364米；加勁梁梁為六孔一一聯預應力力混凝土結結構，采用用單箱三室室截面，梁梁高3.5米，橋梁全全寬37.5米；主塔處處墩塔梁固固結，其余余橋墩均采采用活動支支座；全橋橋布置一根根主纜，置置于梁中央央，主纜直直接錨固于于梁體；形形成塔、梁梁、索的受受力體系。。引橋為4×30米跨徑預應應力混凝土土連續梁橋橋。設計荷荷載為城－－A級。莆田市木蘭蘭溪大橋莆田市木蘭蘭溪大橋莆田市木蘭蘭溪大橋通車前福州州鼓山大橋橋鼓山大橋吊吊桿力測試試鼓山大橋吊吊桿力測試試恒載下某一一吊桿頻譜譜圖試驗荷載下下某一吊桿桿頻譜圖福州市解放放大橋福州市解放放大橋福州市解放放大橋福州市解放放大橋利用振動法法測量斜拉拉索索力的的影響因素素利用理想弦弦的振動方方程計算斜斜拉索索力力有一定的的誤差，主主要是因為為斜拉索索索力不僅跟跟索的長度度、線密度度、振動頻頻率有關，，還跟索的的剛度及垂垂度有關。。TensionadjusterHammerAccelerometerPoint1L/8CableBottomanchorTopanchorWallLoadcellPoint2L/4Point3L/2HammerAccelerometerAmplifierDataacquisitionPCMatlab斜拉索索力力實驗研究究斜拉索索力力實驗研究究斜拉索索力力實驗研究究斜拉索索力力實驗研究究壓電式傳感感器§1-4電測法——電渦流式組成探頭、延伸伸電纜、前前置器、被被測體特點非接觸式、、靜態、動動態、高線線性、高分分辯率原理前置器中高高頻振蕩電電流通過延延伸電纜流流入探頭線線圈，在探探頭頭部的的線圈中產產生交變的的磁場。如如果在這一一交變磁場場的有效范范圍內沒有有金屬材料料靠近，則則這一磁場場能量會全全部損失；；當有被測測金屬體靠靠近這一磁磁場，則在在此金屬表表面產生感感應電流，，電磁學上上稱之為電電渦流。與與此同時該該電渦流場場也產生一一個方向與與頭部線圈圈方向相反反的交變磁磁場，由于于其反作用用，使頭部部線圈高頻頻電流的幅幅度和相位位得到改變變（線圈的的有效阻抗抗），這一一變化與金金屬體磁導導率、電導導率、線圈圈的幾何形形狀、幾何何尺寸、電電流頻率、、探頭頭部部線圈到金金屬導體表表面的距離離等參數有有關。§1-4電測法——電渦流式§1-4電測法——電渦流式工作過程被測金屬與探頭頭之間的距距離變化——線圈的有效效阻抗的變變化——振蕩電壓幅幅度的變化化——經過檢波、、濾波、線線性補償、、放大歸一一——輸出電壓的的變化FS8000系列電渦流流式位移計計電渦流式-探頭電測法——電渦流式-前置器電測法——電渦流式-應用混凝土試件件收縮實驗驗探頭安裝---非接觸電渦流式-應用IMP電壓信號采采集板數據實時監監測§1-4電測法—電阻應變測測試技術電阻應變測測試技術的的基本原理理——通過粘貼在在結構表面面上的傳感感元件（電電阻應變片片）把所測測的結構應應變轉換為為電阻的變變化，再通通過橋路、、儀器把電電阻的變化化轉換為電電壓的變化化并加以放放大，由顯顯示器顯示示出應變值值。工作框圖：：§1-4電測法—電阻應變測測試技術電阻應變測測試技術的的優點：靈敏度高，，可測到1個微應變；；標距小，箔箔式應變片片最小標距距可達0.2mm，可測點應力力，用于應應力集中測測試；可遠距離測測試；可測動、測測靜；通過應變測測量可轉換換為測力（（軸力、彎彎矩、扭矩矩、剪力））、位移等等；§1-4電測法—電阻應變測測試技術缺點：測表面應力力準確度高高，測內部部應力需要要一定技術術；測應力集中中不準確；；測量系統線線路多、易易干攏，易易受環境（（溫度、濕濕度、電磁磁場）干攏攏；§1-4電測法——電阻應變片片電阻應變片片的構造：：電阻應變片片由三個部部份組成：：——基底（紙張張、環氧樹樹脂、酚醛醛樹脂、聚聚酰亞胺等等膠膜）——敏感柵或電電阻絲柵（（康銅、鎳鎳、鉻等特特殊材料制制成）——引出線基底起到保保護及固定定敏感柵的的作用，敏敏感柵或電電阻絲柵直直接感受結結構變形并并將結構變變形轉換為為電阻變化化，引出線線連結到測測量橋路上上；§1-4電測法——電阻應變片片§1-4電測法——電阻應變片片§1-4電測法——電阻應變片片電阻應變片片的工作原原理：利用電阻絲絲的應變效效應，所謂謂電阻絲的的應變效應應指的是電電阻絲的電電阻值隨其其本身應變變（伸長或或縮短）而而改變的一一種物理性性質。§1-4電測法——電阻應變片片通過數學分分析，對R求微分得：：由材料力學學可知：整理得：令：Ks———電阻絲的靈靈敏系數§1-4電測法——電阻應變片片由于電阻應應變片是由由電阻絲按按一定規格格撓制而成成的，因此此電阻應變變片同樣有有如下的電電阻變化率率與應變的的關系：其中K為電阻應變變片靈敏系系數，一般般的電阻應應變片的靈靈敏系數比比電阻絲的的靈敏系數數來得小。。§1-4電測法——電阻應變片片應變片類型型1.繞絲式應變變片（U式）構造：由電電阻絲撓制制而成，根根據基底材材料的不同同可分為紙紙基、膠基基特點：制作作簡單、價價格便宜、、紙基易受受潮、橫向向靈敏度大大§1-4電測法——電阻應變片片應變片類型型2.短接式應變變片——繞絲式的改改進（H式）構造：縱橫橫向電阻絲絲通過點焊焊連接特點：橫向向靈敏度小小、焊點易易脫落，不不適用于動動測§1-4電測法——電阻應變片片應變片類型型3.箔式應變片片——短接式應變變片的改進進構造：敏感感柵由很薄薄的金屬箔箔片采用光光刻技術制制成，彎頭頭截面大§1-4電測法——電阻應變片片箔式應變變片的特特點:敏感柵截截面為矩矩形，較較圓斷面面大，粘粘合面積積大不易易脫落，，傳遞應應變較絲絲式好;具有較大大的散熱熱能力；；彎頭大，，橫向效效應小可可忽略；；蠕變、機機械滯后后小、壽壽命高；；由于采用用光刻技技術，標標距可小小到0.2mm，可用于點點應力測測試。§1-4電測法——電阻應變變片應變片的的組成：：——單軸片——雙軸片——三軸片——四軸片§1-4電測法——電阻應變變片§1-4電測法——電阻應變變片電阻應變變片規格格及特點點：——幾何尺寸寸(柵長、柵柵寬）——阻值：標標準R=120Ω——靈敏系數數：K=2.00——橫向敏度度(H)——極限應變變：6000με——絕緣電阻阻：R〉200MΩΩ——機械滯后后：應變片感感受結構構的變形形會滯后后一段時時間——工作電流流：Imax≤25mA，并不能用用高電壓壓、高電電流——零漂與蠕蠕變：零零漂是指指在恒溫溫、結構構不受力力情況下下應變片片指示的的應變值隨時間間而變化化用με/h表示。原原因是受受潮、電電磁場干干攏；濡變——結構受荷荷穩定后后，應變變片指示示的應變變繼續變化。——溫度效應應：應通通過橋路路補償或或自補償償給予消消除§1-4電測法——電阻應變變片應變片選選用——結構材性性均質材料料：鋼絲絲、鋼板板、鋼筋筋用中小小片（標標距2、3、5、10mm）非均質材材料：如如混凝土土應選用用標距長長的應變變片——結構受力力應力梯度度大用小小片，應應力集中中用箔式式小片，，應力變變化不大大用中大大片，單單向應力力場用單單軸片，，已知主主應力方方向的雙雙向應力力場用雙雙軸片，，主應力力方向未未知的復復雜應力力場用三三、四軸軸片§1-4電測法——電阻應變變片粘貼工藝藝測點表面面處理—打磨測點表面面處理—清洗測點表面面處理—刷防潮絕絕緣層測點表面面處理—刷防潮絕絕緣層測點表面面處理—砂紙打磨磨測點表面面處理—清洗貼片固定接線線端子焊線§1-4電測法—靜態電阻阻應變儀將電阻應變變片阻值值的變化化，轉換換為電壓壓的變化化，并放放大后測測量。§4電測法——靜態電阻阻應變儀儀TS3860靜態電阻阻應變儀儀TS3860靜態電阻阻應變儀儀DH3816應變測試試分析系系統（60點/臺）§1-4電測法—靜態電阻阻應變儀儀惠斯登電橋（串串并聯橋橋路）頂點：ABCDE+,U+,E-,U-§1-4電測法—靜態電阻阻應變儀儀通過電學學分析，，可得輸輸出電壓壓：對上式求求微分，，利用ΔR/R=Kεε并令R1=R2=R3=R4=R，可得：§1-4電測法—靜態電阻阻應變儀儀上式表明明，輸出出電壓的的變化量量與橋路路電阻應應變的關關系，完完成了應應變——電阻——電壓的轉轉換，從從而可以以通過測測試電壓壓的變化化來測試試應變，，這就是是電阻應應變儀工工作原理理，其中中：上式表明明：橋路路總輸出出應變等等于鄰臂臂應變相相減，對對臂應變變相加。§1-4電測法—靜態電阻阻應變儀儀基本測量量橋路：：1/4橋、1/2橋、全橋橋?橋適用于于恒溫環環境、導導線電阻阻極小?橋應用較較廣全橋適用用于條件件相當惡惡劣§1-4電測法—靜態電阻阻應變儀儀基本測量量橋路：——全橋測量量法橋路圖輸出應變與各橋臂應變關系§1-4電測法—靜態電阻阻應變儀儀基本測量量橋路：——半橋測量量法橋路圖輸出應變與各橋臂應變關系§1-4電測法—靜態電阻阻應變儀儀基本測量量橋路：——每臂雙片片測量法法橋路圖輸出應變與各橋臂應變關系§1-4電測法——半橋測量量法（舉舉例）§1-4電測法——半橋測量量法應用舉例例——全橋測量量法筒式壓力傳感感器－－－－電阻阻應變原原理的推推廣貼片圖應用舉例例——全橋測量量法筒式壓力傳感感器——接線（橋橋路）圖圖筒式壓力力傳感器器（筒式））壓力傳傳感器彈簧式測測力計人工測讀讀自動采集集橋墩抗震震性能試試驗----靜位移測測量電測位移移計---電阻應變變測試技技術的應應用電測位移移計---電阻應變變測試技技術的應應用§1-5應變數據據處理—應力應變變轉換關關系單向應力力場鋼材1）采用規規范彈模模計算：：2）利用實實測應力力—應變曲線線確定：：§1-5應變數據據處理—應力應變變轉換關關系混凝土1）用初始始的彈性性模量值值計算2）曲線確確定法§1-5應變數據據處理—應力應變變轉換關關系混凝土3）假設曲曲線法雙向應力力場§1-5應變數據據處理—應力應變變轉換關關系雙向應力力場1）點應變雙雙向向應力場場中，任任意角度度的應變變值：對其極值值，可得得主應變變大小及及方向：：§1-5應變數據據處理—應力應變變轉換關關系雙向應力場2）點應力雙雙向應力場場中，任意角角度的應力值值：對其極值，可可得主應力大大小及方向：：§1-5應變數據處理理—應力應變轉換換關系雙向應力中，，應力應變關關系或§1-5應變數據處理理—應力應變轉換換關系舉例——45度應片花的計計算§1-5應變數據處理理—應力應變轉換換關系舉例——60度應片花的計計算