橋梁荷載試驗(yàn)撓度測(cè)量方法橋梁工程論文發(fā)表

　　摘 要：橋梁是交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠性極其重要。在橋梁的眾多參數(shù)中，橋梁的撓度是橋梁安全狀況評(píng)價(jià)的主要參數(shù)，它直接反映橋梁結(jié)構(gòu)的豎向整體剛度、承載能力和抵御地震等動(dòng)荷載的能力，從撓度動(dòng)態(tài)數(shù)值分析中可以得出荷載的沖擊系數(shù)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布狀態(tài)，判斷橋梁的薄弱部位及結(jié)構(gòu)的整體性，在橋梁檢定、危橋改造和新橋驗(yàn)收等方面都需要準(zhǔn)確測(cè)量橋梁的靜、動(dòng)態(tài)撓度值。

　　關(guān)鍵詞：橋梁,撓度,測(cè)量方法,展望

　　1 國(guó)內(nèi)外橋梁撓度測(cè)量研究的現(xiàn)狀

　　目前,傳統(tǒng)的橋梁撓度測(cè)量大多采用百分表測(cè)量法、懸錘測(cè)量法的方法，在橋下有水或沒(méi)有固定點(diǎn)的情況下，往往采用標(biāo)尺、經(jīng)緯儀或用全站儀進(jìn)行測(cè)量。這些方法，目前在我國(guó)橋梁檢測(cè)及驗(yàn)收鑒定中仍廣泛使用，長(zhǎng)期測(cè)量工作中，許多專業(yè)檢測(cè)人員進(jìn)行的對(duì)測(cè)量技術(shù)發(fā)行和革新，也大多基于上述幾種方法。現(xiàn)有測(cè)量主要包括百分表測(cè)量法、懸錘測(cè)量法等機(jī)械測(cè)量法和水準(zhǔn)儀、全站儀等光學(xué)測(cè)量法。

　　1.1 機(jī)械式測(cè)量法

　　百分表測(cè)量法是較為傳統(tǒng)的測(cè)量方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，直接得到各測(cè)點(diǎn)的撓度值，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠。但是該方法比較繁瑣，一般需要在測(cè)點(diǎn)下面搭設(shè)架子，準(zhǔn)備工作比較繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)，有很大的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用局限性。懸錘法也是該方法中比較具有代表性的一種方法。該方法用于測(cè)量陸地上的橋梁撓度，測(cè)量值中包含有橋墩在荷載作用下的沉陷量，該類方法結(jié)果可靠，在國(guó)內(nèi)外早期的撓度測(cè)量中應(yīng)用較為廣泛，但該方法在進(jìn)行動(dòng)態(tài)撓度測(cè)試時(shí)，鋼絲的抖動(dòng)和鋼絲彈性變形的影響一直不能很好解決，影響動(dòng)態(tài)測(cè)試精度。

　　1.2 光學(xué)儀器測(cè)量法

　　早期的撓度測(cè)量光學(xué)儀器主要有水準(zhǔn)儀。近年來(lái)出現(xiàn)的高精度水準(zhǔn)儀和全站儀大大提高了光學(xué)儀器測(cè)量法的精度。該類法是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的一種方法。

　　(1)水準(zhǔn)儀測(cè)量法。水準(zhǔn)儀測(cè)量法原理簡(jiǎn)單，只需要將加載前后的數(shù)值相減即可。該方法測(cè)量精度高，結(jié)果可靠。但采用該方法測(cè)量需要對(duì)橋梁交通進(jìn)行封閉，封閉時(shí)間較長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)。隨著科技的不斷進(jìn)步，該測(cè)量方法也得到較大的改進(jìn)。許多光學(xué)水準(zhǔn)儀已采用了自動(dòng)安平技術(shù)，使測(cè)量的速度得到了進(jìn)一步的提高。近年來(lái)，高精度水準(zhǔn)儀測(cè)量精度已高于±0.1mm。大多數(shù)橋梁的跨徑都在1000m以內(nèi),利用水準(zhǔn)測(cè)量方法,一般能達(dá)到±1mm以內(nèi)的精度。

　　(2)全站儀測(cè)量法。全站儀撓度測(cè)量基本原理是三角高程測(cè)量。設(shè)儀器距離地面高度為 ;棱鏡距離地面高度為L(zhǎng);視線與水平面的豎直角為 ;測(cè)站點(diǎn)P與照準(zhǔn)點(diǎn)M之間的斜距S。考慮大氣折光率K，地球曲率的影響(地球半徑為R)。加載前測(cè)站點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)相對(duì)高差h的計(jì)算式公式為： 根據(jù)上式即可得加載后相對(duì)高差h′。

　　則撓度： 該方法的誤差主要來(lái)源于測(cè)角誤差、測(cè)距誤差和大氣折光誤差。在1km的測(cè)量范圍內(nèi),全站儀的測(cè)量誤差可以達(dá)到±3mm的精度,在一定程度上能達(dá)到橋梁撓度的測(cè)量精度要求。

　　2 橋梁撓度自動(dòng)測(cè)量法

　　隨著數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展。橋梁撓度儀器也朝著自動(dòng)化的方向發(fā)展。近年來(lái)，許多橋梁工作者提出了一些新的撓度測(cè)試方法，這些方法與傳統(tǒng)的測(cè)試方法相比，有所突破，其中有很多非接觸檢測(cè)橋梁撓度的方法，解決了過(guò)去的測(cè)試方法中不能解決的問(wèn)題。目前具有代表性的測(cè)量方法有傾角測(cè)量法、CCD測(cè)量法、PSD測(cè)量法等。

　　2.1 傾角儀測(cè)量法

　　當(dāng)橋梁受載產(chǎn)生撓曲變形時(shí)，撓度用公式 表達(dá)，式中 為沿線路方向的坐標(biāo)軸，零點(diǎn)設(shè)置在支座處。由此可見，當(dāng)測(cè)得各節(jié)點(diǎn)處的傾角后，通過(guò)積分可得橋梁梁部結(jié)構(gòu)的撓度曲線。

　　現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已研制出了電容傳感無(wú)源伺服式傾角儀，該傾角儀與數(shù)字積分器相連，傾角儀的輸出電壓與所測(cè)橋梁截面的轉(zhuǎn)角 成正比。通過(guò)在所測(cè)橋梁上布設(shè)幾個(gè)傾角儀，測(cè)量橋梁各測(cè)點(diǎn)的傾角值。截面的傾角只是撓曲線中的一個(gè)參數(shù)，得到橋梁變形的撓曲線、光滑的傾角曲線和橋梁界面的曲率值。

　　使用傾角儀理論上可以測(cè)量橋梁的動(dòng)靜撓度曲線，且與計(jì)算機(jī)相連實(shí)現(xiàn)了記錄分析自動(dòng)化?，F(xiàn)在用傾角儀來(lái)測(cè)靜載下的撓度不成問(wèn)題，而要用傾角儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)撓度測(cè)試，則對(duì)各傾角儀之間的相位差、傾角儀的瞬態(tài)反應(yīng)、傾角儀零漂等的要求較高，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有這類儀器。

　　2.2 CCD圖像法

　　CCD圖像法是用CCD光電耦合器件測(cè)量橋梁撓度。電荷耦合(CCD)器件是由成百上千個(gè)相互獨(dú)立的MOS光敏像元構(gòu)成。在金屬電極上加正電壓時(shí)，電極P型區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子(空穴)被排斥，形成耗盡區(qū);對(duì)少數(shù)載流子(電子)來(lái)說(shuō)作用恰好相反，它們被吸引到耗盡區(qū)中。此時(shí)，光束從背面或正面射入光敏像元內(nèi)產(chǎn)生“電子-空穴”對(duì)，則光生電子將被勢(shì)阱所吸收，形成一個(gè)電荷包。當(dāng)放置于梁上檢測(cè)點(diǎn)處的激光接收器隨梁的變形而產(chǎn)生位移時(shí)，激光束照射在激光接收器上的位置亦產(chǎn)生與位移相等的變化，即可通過(guò)檢測(cè)激光接收器上的光點(diǎn)位置X而得到被測(cè)點(diǎn)處梁的變形。CCD法結(jié)合了遠(yuǎn)距離成像技術(shù)、光電子技術(shù)、數(shù)字圖像處理和相關(guān)技術(shù)等多種高新技術(shù)，是一種遠(yuǎn)距離、非接觸式測(cè)量方法。該設(shè)備價(jià)格昂貴，易受環(huán)境條件的影響。

　　2.3 PSD激光測(cè)量法

　　位置敏感傳感器(PSD)是利用橫向光電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光點(diǎn)位置探測(cè)的光電器件。將激光發(fā)射裝置或PSD檢測(cè)系統(tǒng)固定在橋梁上，另一部分固定在與橋梁無(wú)關(guān)的地方，激光束垂直射向透鏡鏡面，光點(diǎn)在PSD上成像。目標(biāo)位置在與透鏡平行的平面上，目標(biāo)的移動(dòng)反映在成像檢測(cè)裝置上，通過(guò)光點(diǎn)在成像檢測(cè)裝置上的位置來(lái)獲得目標(biāo)位置。通過(guò)PSD測(cè)得的成像點(diǎn)位置便可計(jì)算得到目標(biāo)位置。對(duì)橋梁振動(dòng)引起的激光光點(diǎn)的變化進(jìn)行連續(xù)測(cè)量便可獲得橋梁動(dòng)態(tài)撓度信號(hào)。

　　2.4 光電分光成像和高速線陣CCD法

　　該方法是利用特殊的光電轉(zhuǎn)換器，接收設(shè)在梁體上的發(fā)光靶標(biāo)所發(fā)光中的某一特定波長(zhǎng)的單色光，使用A/D轉(zhuǎn)換利用計(jì)算機(jī)記錄梁體的三維撓度，記錄分析自動(dòng)化，采用高速線陣CCD法采樣頻率可達(dá)200HZ。采用單色光源不受氣候的影響，不產(chǎn)生折射，采樣頻率大大提高，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)撓度同步測(cè)量，除可測(cè)量橋梁的撓度外，對(duì)橋梁的橫向振動(dòng)幅值也可進(jìn)行測(cè)量，對(duì)確定橋梁的橫向剛度提供了一個(gè)新的測(cè)試方法。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷成熟，橋梁撓度檢測(cè)儀器必將朝著自動(dòng)化、高精度、遠(yuǎn)程化方向發(fā)展。尤其是各種高精度傳感器的出現(xiàn)，將大大提高撓度測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度。遠(yuǎn)程通信技術(shù)在橋梁撓度檢測(cè)儀器上的應(yīng)用必將實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁撓度的永久監(jiān)測(cè)。光電分光成像和高速陣線CCD法是最有前途的一種方法，該方法將使我們橋梁撓度的測(cè)量走出傳統(tǒng)的模式，隨著計(jì)算機(jī)等級(jí)的提高、數(shù)據(jù)采樣技術(shù)的進(jìn)步，今后橋梁的撓度測(cè)量將在此方法基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善。

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