應(yīng)變是指結(jié)構(gòu)在外力作用下的相對(duì)變形，是掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及判斷結(jié)構(gòu)承載力的重要指標(biāo)，在土木工程、機(jī)械制造、航空航天等多種學(xué)科的力學(xué)性能測(cè)試中廣泛應(yīng)用。在橋梁工程領(lǐng)域，為了掌握新建橋梁或者運(yùn)營橋梁的實(shí)際承載力，判斷其是否達(dá)到設(shè)計(jì)荷載或目標(biāo)荷載要求，通常需要采用荷載試驗(yàn)的方法，對(duì)橋梁的承載力進(jìn)行鑒定。此時(shí)，應(yīng)變測(cè)試就是一項(xiàng)主要測(cè)試內(nèi)容。橋梁荷載試驗(yàn)中的應(yīng)變測(cè)試一般是通過在橋梁控制截面安裝應(yīng)變傳感器(多采用電阻應(yīng)變片)，然后通過對(duì)比加載前后的應(yīng)變變化，獲得結(jié)構(gòu)承受活荷載的能力。再通過試驗(yàn)荷載與設(shè)計(jì)(目標(biāo))荷載的對(duì)比，反映橋梁承載力的狀況。由于電阻應(yīng)變片一般需要直接粘貼在構(gòu)件被檢測(cè)部位，常需高空操作,操作不便且效率低下。野外測(cè)試中，隨著橋梁跨徑的增大，試驗(yàn)加載車輛數(shù)量的增多，導(dǎo)致加載歷程時(shí)間較長，應(yīng)變片受環(huán)境影響很大，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)值漂移過大的問題。由于應(yīng)變測(cè)量數(shù)值不穩(wěn)定，經(jīng)常導(dǎo)致結(jié)果不可用。
因此，如何減小應(yīng)變測(cè)試中的各種干擾因素，提高檢測(cè)效率和測(cè)量數(shù)據(jù)的可信度，降低檢測(cè)成本，是長期以來技術(shù)人員一直努力探索的問題。本文在傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于雙懸臂梁工作特性的可裝配式應(yīng)變測(cè)量傳感器，大幅提高了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的工作效率和應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。
常用應(yīng)變測(cè)試技術(shù)的分析與比較
常用應(yīng)變測(cè)試技術(shù)主要包括機(jī)械式、電阻式、振旋式、光纖式四種應(yīng)變測(cè)量方法。
機(jī)械式應(yīng)變測(cè)量裝置一般將千分表與百分表等與頂桿等連接構(gòu)造組合在一起，為一種組合式應(yīng)變測(cè)量裝置。該方法雖然讀數(shù)直觀、構(gòu)造簡便，但其讀數(shù)耗時(shí)耗力，且精度較低，一般僅用在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中。
振弦式應(yīng)變測(cè)量方法是基于張緊弦振動(dòng)頻率與張力之間的關(guān)系而進(jìn)行的結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試方法。該測(cè)量方法具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)失真小等優(yōu)點(diǎn)?；谠撛硌邪l(fā)的應(yīng)變計(jì)、錨索計(jì)等，廣泛應(yīng)用在橋梁施工監(jiān)控與健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)變、力值測(cè)試。根據(jù)其測(cè)量方法可知，張緊的鋼弦需要可靠固定在外部結(jié)構(gòu)（鋼殼）上，當(dāng)鋼殼產(chǎn)生應(yīng)變，才能帶動(dòng)并引起鋼弦振動(dòng)頻率變化。因此，必須保證鋼殼與被測(cè)結(jié)構(gòu)的可靠錨固。對(duì)于大多混凝土和鋼結(jié)構(gòu)橋梁，荷載試驗(yàn)均采用粘貼工藝，而振弦式傳感器鋼殼軸向剛度極大，當(dāng)采用粘貼工藝時(shí)，不能保證傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形，導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏小失真。因此，除非采用焊接或錨栓等可靠錨固措施，否則該類傳感器則不建議應(yīng)用在橋梁荷載試驗(yàn)中。
光纖式應(yīng)變測(cè)量方法具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、溫度適應(yīng)性好、靈敏度高、信號(hào)失真小等諸多優(yōu)點(diǎn)，理論上其穩(wěn)定性要顯著高于前兩種方法。但由于其價(jià)格較高，光纖傳感器的使用、安裝及傳輸較為復(fù)雜，一般僅用于橋梁長期監(jiān)測(cè)中，并不適合與橋梁荷載試驗(yàn)這種相對(duì)應(yīng)變的快速測(cè)試中。
電阻式應(yīng)變測(cè)量方法因其靈敏度高、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化及自動(dòng)化、測(cè)試費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛使用。橋梁荷載試驗(yàn)中經(jīng)常采用電阻應(yīng)變片進(jìn)行單向應(yīng)變和平面應(yīng)變測(cè)試。由于實(shí)驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)眾多，通常采用半橋連接方法，即采用溫度的公共補(bǔ)償方式。因野外試驗(yàn)環(huán)境惡劣，受溫度、濕度以及其他自然因素和人為因素影響大；隨著橋梁跨徑增大，需要的試驗(yàn)加載車輛也增多，車輛加載、卸載歷程隨之也較長，會(huì)使應(yīng)變數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的漂移，掩蓋了應(yīng)變真值，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果無法使用。因此，如何提高電阻式應(yīng)變測(cè)試方法的穩(wěn)定性和抗干擾能力，是該方法改進(jìn)和進(jìn)一步推廣應(yīng)用的前提。電阻應(yīng)變片構(gòu)造如圖4所示。
綜合以上分析并結(jié)合橋梁荷載試驗(yàn)的特點(diǎn)和要求，機(jī)械式、振弦式、光纖光柵式應(yīng)變傳感器（裝置）等均不適合荷載試驗(yàn)應(yīng)用。電阻式應(yīng)變測(cè)量具有精度高、靈敏度高、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，但是重點(diǎn)需要克服其穩(wěn)定性差、受環(huán)境影響大的缺點(diǎn)。因此，本文基于電阻式測(cè)量原理，提出一種新的應(yīng)變測(cè)試技術(shù)，研發(fā)出了多用途應(yīng)變測(cè)量傳感器?；谔厥獾募夹g(shù)措施，攻克了電阻應(yīng)變片測(cè)量中的缺陷，可適應(yīng)各種不同應(yīng)變量程需求，滿足橋梁及其他結(jié)構(gòu)野外測(cè)試的要求。
