截至2017年（nián）底，我國公路橋梁83.25萬座，比上年增加2.72萬座。其中特大（dà）橋梁4646座，大橋91777座。

橋（qiáo）梁體係（xì）不斷創新，各類橋梁規模和跨徑居於國際前列，湧現出杭州灣跨海大橋（qiáo）、青（qīng）島海灣大橋、舟山連島工程、港珠澳大（dà）橋等跨海世紀工程，也出現了蘇通大（dà）橋、西堠門大橋、滬通長江大橋、虎門二橋等已建成（chéng）和在建的單體超級橋梁工程，為我國從橋梁大國邁（mài）向（xiàng）橋梁強國奠定了堅實（shí）基礎。

為了檢驗新建（jiàn）橋梁承載力是否符合設計要（yào）求，為橋梁（liáng）竣工驗收提供基礎資料,或者檢驗在役舊橋承載力是否滿足目標荷（hé）載要求，為在役橋梁維（wéi）修、養護和加固決策提供依（yī）據，均需要對橋梁進行荷載（zǎi）試驗。

截至目前，橋梁荷（hé）載試驗是唯一一種能夠準確評定橋梁承載（zǎi）力（lì）的方法。依（yī）據《公路橋梁（liáng）荷載（zǎi）試驗規程（chéng）》（JTG/T J02-01—2015），靜力荷載試驗測試參數包括應變、變位、裂縫、傾角和索（杆），其中應變和變位是主要測試內容。

應變測試用傳感器包括引伸計、電阻應變片（piàn）、振弦式應變計或光纖光柵式應變計等，以電阻應變片的（de）應用最（zuì）為廣泛。

變位測試儀器主要包括機械式變位測試設備（bèi）（千分表、百分表、連通管和撓度計）及電測設備（電測變（biàn）形計（jì）、水準儀、經緯儀、全站儀、測距儀和機電百分表）等，以機電百分表和水準儀最為常用。

應變片雖然尺寸小、靈（líng）敏度高，但其安裝工（gōng）序繁瑣、工作效率低、測試結果受環境影響很大（dà），數據穩定性差，特別對於加載曆程較（jiào）長的大橋荷載（zǎi）試（shì）驗，其測試（shì）數值漂移較大，給（gěi）後期（qī）數據分析和判（pàn）斷帶來困難。

用於撓度測試的百分表（biǎo）則需要搭設安裝支架，臨時設施需要耗費大量人力物（wù）力，且無法在（zài）水上橋梁、通航（車）橋梁和高墩大跨橋梁應用。水準（zhǔn）儀等測量儀器隻（zhī）能在橋麵兩側進行變（biàn）形測試，無法反映橫向多片主梁撓度分布（bù）狀況。

因此，急需研發新型應變及（jí）變形測量設備，改進和（hé）解決目前荷載試驗中存在的不足。本文在傳統應變和變形測試方法的基（jī）礎上，提出了新型應變和變形測量方法，研發了相關儀器設（shè）備，有（yǒu）效推動了我國橋梁荷載試驗測試技術的進（jìn）步。

應變測試技（jì）術

傳統應變測試方法

1.機械（xiè）式應變測量方法

機械式應變測量已經（jīng）有很（hěn）長的曆史，其主要利用（yòng）百分表（biǎo）或千分表測量（liàng）變形前後測試標距內的距離變化，從而得到構件測試（shì）標距內的平均應變（biàn）。

工程測（cè）量中使用的機械式應變測量儀器主要包括手持應變儀和千分表引伸計（jì）。機械式應變測量方法主要優點是讀（dú）數直觀、環境適應能力強、可重複性使用等。

但需要人工讀數，費時費（fèi）力、精度差，對於應變測點數量眾多的橋梁靜載試驗顯然不合適。因此，除了（le）少（shǎo）數室內模型試驗的特殊需要，工程結構中很少（shǎo）使用。

2.電阻式應變測（cè）量方法

目前工（gōng）程檢測中應用最多的是電阻式應變測量方法。19世紀30年代（dài），英國物理學家Charle Wheatstone首次發現了可以利（lì）用惠斯通電橋（qiáo）來測量電阻（zǔ），奠定（dìng）了應變電測技術的基礎；

William Thomson通過試驗驗證了金屬絲在應（yīng）變（biàn）作用下其（qí）電阻會產生變化，即應變-電阻效應，這就是電阻應變計的工作原理；

1936到（dào）1938年間，美國A.C.Ruge和E.E.Simmons同時（shí）成功研發了電阻絲繞式紙基應變片，1938年粘貼（tiē）式（shì）電阻應變片正式誕生。至今電阻應（yīng）變片的（de）種類已達兩萬多種。常用應變片外觀如圖1～2所示。

圖1 單向應（yīng）變片示意

圖2 應變花示意

應變電測法的主要優點是：應變片靈敏度高（gāo），尺寸小，容易粘貼牢固，易於實現數字（zì）化、自動化測量等。

但應（yīng）變片電測法（fǎ）的（de）缺點也很突出：橋梁靜載試驗往往要（yào）在幾米（mǐ）甚至數十米的高空進行電阻應變片的粘貼，操作不（bú）便，工作效率低，並且（qiě）要求工作人員（yuán）具備一定的貼片技能；應變（biàn）測量值受（shòu）現場環境溫度、濕度影響很大，長時（shí）間加載導致數據漂移過大，給後期分析處理帶來極（jí）大困（kùn）難；應變片為一次性使用，無法重複利用等。

3.光纖（xiān）應變測量方法

光纖傳感技（jì）術的發展起源於20世紀70年代中（zhōng）期。1989年美國（guó）布朗大學的Mendez教授率先提出了將（jiāng）光纖傳（chuán）感技術應用於鋼筋混凝土結構的檢測中，並闡述了這一研究領域在實際應用中的一些基本構想。在此之後，英國、法國、加拿大、德國、日本等國家也紛紛將光纖傳感技術應用於各種橋（qiáo）梁結構試驗檢測中。

我國對（duì）光纖傳（chuán）感技（jì）術的研（yán）究起源於20世紀90年代，同（tóng）濟大（dà）學（xué）、東南大學、重慶大學等多所高校先後（hòu）將光纖傳感技術應用於橋梁檢測中，並（bìng）且取（qǔ）得了良好的成效。

光（guāng）纖傳感器傳輸波長信（xìn）息，波（bō）長不會由（yóu）於光源的功率波動以及連接與耦合的損壞而受到影響。因此，與一般應變測量設備相比，光纖傳感器具（jù）有抗電磁（cí）幹擾能力強、傳輸距離遠、溫度適應性（xìng）好、靈敏度高（gāo）、信號失真小等許多優點。

光纖傳感（gǎn）器原理及外觀示意如（rú）圖3～4所示。但是，由於傳（chuán）感器的價格比較昂貴，因此在橋梁靜載試驗中鮮（xiān）見使用。另外，近（jìn）年來許多大橋上安裝的光纖傳感器失（shī）效，其原因有待進一步深入（rù）研究。

圖3 光纖傳感器（qì）原理

圖4 光纖傳感器外觀（guān）示意

4.振弦式應變測量方法

振弦式（shì）應變測量傳感器的研究起（qǐ）源於20世紀30年代，其工作原理如下：鋼弦在一定的張力（lì）作用下具有固定的自振頻率，當張力發生變（biàn）化時其自振頻率也會隨之發生改（gǎi）變。

當結構產生應（yīng）變時，安裝在其上的振弦式傳（chuán）感器內的（de）鋼弦張力發生變化（huà），導致其自振頻率發生變化。通過測試鋼弦（xián）振動頻率的變化值，能（néng）夠計算得出測點的應力變化值。振弦式（shì）傳感器（qì）外觀如圖5所示（shì）。

圖（tú）5 振弦式應變測量傳（chuán）感器示意

振弦式應變測量傳（chuán）感器的優點是（shì）具有較強（qiáng）的抗幹（gàn）擾能力,在進行遠距離輸送時信號失真（zhēn）非常小,測量值不受導線電阻變化，溫度變化的影響,傳感器結構相對簡單、製作與安裝過程比較方（fāng）便。

但是,由於（yú）工藝和材料原因,振弦式傳感（gǎn）器不可避免會產生（shēng）鋼弦鬆弛,從而引起測（cè）量誤差。鋼弦鬆弛主要（yào）體現在（zài）兩個（gè）方麵:一是鋼弦錨固端產（chǎn）生的鬆弛,二是鋼弦（xián）自身材（cái）料特性導致的鬆弛。

另一（yī）方麵,振弦式傳感器（qì）軸向剛度較（jiào）大,不能采用粘貼式安裝（zhuāng）方法,不適合荷（hé）載試驗應用,一般多用於橋梁施工監控(如圖6所示)。

圖6 埋入式振弦傳感器安裝（zhuāng）示意

應變測試新技術

在（zài）橋梁靜動載試驗時，如何減小應變測試中的各種幹擾因素，提高檢測效率和測量數據（jù）的可信度，是長期以來工程師們一直在苦苦探索（suǒ）的問題。

長安大學經過多年（nián）的技術攻關，研發成功了一種可裝配式多用途（tú）應變測量傳感器，成功地應用在了多（duō）座橋（qiáo）梁的（de）靜動載試驗（yàn）中，有效地解決了橋梁靜（jìng）動載試驗中應變測量（liàng）時遇到的一係列問題，特別是惡劣環境下的應變測試問題。

1.多用途電阻（zǔ）式應變測量傳感器工作（zuò）原理

連杆的一端與應變傳感器相連接、另一端與支座相聯接，傳感（gǎn）器與應變儀連接。使用（yòng）時將傳感器和支座用膠粘貼在構件上被測部位，當構件發生（shēng）變形時，傳感器與支座間發生相對位移ΔL，則可（kě）推算出構件（jiàn）被測部位的平均應變值。

為了測量ΔL，在傳感器內部設計了雙懸臂梁結構，梁表麵粘貼若幹枚高精度應變片，組成了全橋（qiáo）電路，經過封裝設計，就形成了如圖7所示傳感器。

圖7 傳感器工（gōng）作原理示意

2.技術特點及應用

該傳感器標距（jù）可（kě）以根據需要選取，因此可用來測量石拱（gǒng）橋拱（gǒng）圈的應變；可以組成應變花，測量結構平麵應變；可以跨裂縫粘貼，監測裂縫的變化（huà）情況；可裝配式（shì）結構設計有效地保證了其良好工作性能（néng）的長期穩定性。多用途電阻式應變傳感器應（yīng）用如圖8～11所示。

圖8 單（dān）向應變測試

圖9 大標（biāo）距應變測試在圬工結（jié）構中的應用

圖10 吊杆伸長量測試

圖11 混凝土結（jié）構裂縫寬度變化監測

撓度測試技術

傳統撓度測試方法

1.機械式（shì）撓（náo）度測量方法

國內外早期的撓度測量（liàng）主要為機械式撓度測（cè）量方法，如百分表測量法。當進行橋梁撓度測量時，將百分表安裝在主梁結構下緣待測部（bù）位。

主梁（liáng）發生豎向變（biàn）形時，其撓度變化將直接反映在百分表的讀數上。百分表測量法（fǎ）設備簡單，測量結果穩定可靠（kào），可以進行多點（diǎn）檢測，直接得到各測點的撓度值。

百分表外觀如圖12所示，在結（jié）構變（biàn）形測量中的應（yīng）用如圖13、14所示。

圖12 常用百分表外觀示（shì）意

13 試（shì）驗梁變形測試示意

圖14 橋（qiáo）梁靜載試驗（yàn）撓度測（cè）量示意（yì）

百分表測量法在橋梁撓度測量中（zhōng）應用的不足之處主要表現在以下幾個方麵。采用（yòng）百分表測量撓度時，需要在各測（cè）試截麵搭設臨時支（zhī）架或吊拉鋼絲，然後在支架上或鋼絲另（lìng）一（yī）端（duān）安裝百分（fèn）表。

安裝繁瑣，耗時（shí）較長，現場使用具有一定的局（jú）限性；機（jī）械式百分表隻能人工讀數，占用人力較（jiào）多，使用不便；受（shòu）鐵路、公路行車限界及（jí）橋下障礙（ài）物的影響，對跨線橋、跨（kuà）越山穀、河流的橋梁無法采用百分表法進行測量。

2.電阻式撓度測量方法

電阻式撓度測量方法是將電阻測量與變形測量相結合，將（jiāng）變形測試轉換為（wéi）彎曲應變測試，再利用應變測試技術，實現撓度的測量。

電阻（zǔ）式撓度儀常與機械式百分（fèn）表相結合，形成機電式（shì）百分表，廣泛應用在結構變形（xíng）測（cè）試中。

機電百分表的突出優點是既可直接進行目（mù）視讀數，也可與應變儀配合電測，進行多點撓度的快速測量。機電百分表外觀如圖15所示。

圖15 機電百分表外觀示意（yì）

3.激光式撓度測量方法

激光式撓（náo）度（dù）測量方法（fǎ）主要利用（yòng）激光良好的方向性來實現結構變形測量。當進行橋（qiáo）梁變形測試時，將激光器（qì）安裝在橋（qiáo）梁上。

隨著橋梁的（de）變形，固定在橋梁上的激光器可通過激光光斑位置變化而間接得到橋（qiáo）梁的撓度（dù）變化。

激光器固定在橋梁被測結（jié）構上（shàng）,從激光器發出的（de）準直激光束照射在遠處固（gù）定的半（bàn）透射接收屏上形成一個圓形光斑。

任一時刻,從CCD攝像機輸出（chū）的（de）模擬視頻信號，經圖像采集卡采集（jí）後可（kě）即時進行處理，得到光斑在接（jiē）收屏上的中心（xīn）位置。

被測結構受外界環境的影響,沿豎向移動了ΔY,由於激光器固定在被測結構上,其結果使得照射在接收（shōu）屏上的激光光斑也發生相同的位移,通過采集處理前後兩次的圖片（piàn）,能夠計算出前後兩次光斑在接收屏上中心位置（zhì）的變化,經比較即得到橋梁被測點的撓度變化值。激光圖像撓度測量方法的原理如圖16所示。

圖16 激光圖像撓度測量係統原理示意（yì）

激光撓度（dù）儀的（de）特點是可實現遠距（jù）離、非接觸式（shì）測（cè）量，避免搭設支架等臨時工程。但是，激（jī）光撓度儀測試距離不太遠，精度較差，當結構變形較小時精度難以保證。

4.水準式撓度（dù）測量方（fāng）法

水準式撓度測量主要借助（zhù）水準儀進行測量（liàng）。水準儀由望遠鏡、水準器及基座三（sān）部分組成,主要作用是提供一條水平（píng）視線,並（bìng）能照準水準尺進行讀數。其測量示意如圖（tú）17所示。

圖（tú）17 水準式撓度測量示意

由於水準測量法原理和儀器（qì）構（gòu）造要求（qiú）,隻能在橋麵進行撓度測量。橋梁靜載試驗時,受加載車輛布載影響，一般隻能沿橋梁兩側縱橋向布（bù）置測點。

受測量距離和測點影響,測試精度較差,效率不高,無法測量橫橋向多片主梁的撓度（dù）值,也就無法得（dé）到橋梁橫向撓度分布特征。因此,水準法一般僅用橋（qiáo）下無法安裝撓度測點的情況,其應（yīng）用受到限製（zhì）。

5.其他撓度測量方法

長（zhǎng）安大（dà）學（xué）研發的QY型撓度（dù）測試係統,通過測量分布在橋梁各測點的傾角（jiǎo）值，經過專用軟件處理後得到橋梁各截麵的撓度值、傾角值（zhí）和曲率值。

該方法的（de）核心是在回轉擺上利用電容傳（chuán）感技術和無源伺服技（jì）術,構成高靈敏度抗振動幹擾的傾角測量儀器。

該撓（náo）度測量（liàng）方法克服了（le）以往橋梁撓度測量方法的不足，不僅適用於簡支梁和靜（jìng）載情（qíng）形，也適用於連續梁和動載情形。

值得指出的是，利用（yòng）該方法在每跨的最後（hòu）一段需（xū）做出合理（lǐ）的處理，以“消化”由於前麵（miàn）各段測量（liàng）誤差而引起的誤差積累，使得撓度曲線、傾角（jiǎo）曲線（xiàn）和曲率曲（qǔ）線更趨合理。

實（shí）驗室對比測量表明，該方法的精度滿足工程要求。該撓度計外觀及應用如圖18～19所示。

圖18 撓度計示意（yì）

圖19 撓（náo）度計的工程應用

撓度測試新技術

1.基於圖像的遠距離撓度測量方法

①單目視覺測量基本（běn）原理

單目視覺測量係統可以用中（zhōng）心透視（shì）投影的原（yuán）理解（jiě）釋，如圖20所（suǒ）示。被測量的物體表麵（miàn）反射的光線,經過一個針孔投射到成像平麵上，物像點的（de）大地實際（jì）坐標（x，y，z）和對應的（de）相機成像麵的坐標在幾何（hé）光（guāng）路中構成一定的關係，實（shí）際的坐標經過一步的旋轉和一步的平移,可以得到其在相機平麵（miàn）的坐標。

圖20 成像模型示意

②撓（náo）度測量係統方案

該係（xì）統主要由工業CCD、長焦鏡頭、標（biāo）靶和軟件（jiàn）係統組成。當安裝在（zài）橋梁上的標靶產生（shēng）豎向位移時，工業CCD和長焦鏡頭高頻采集標靶上的數（shù）字化（huà）圖像，計算機（jī）對采集到的圖像進行同步處理，計算出圖像中標（biāo）靶中（zhōng）心坐標的位移（yí）。

由於已（yǐ）知標靶中心點的實際距離和實際坐（zuò）標，通過計算采集的圖像標誌點的像素距離，得到像素距離和實際（jì）距離（lí）的轉換參數，從而（ér）將測量得（dé）到的標（biāo）誌點的像素位移轉換為實際距離。其轉化關（guān）係如下：

轉換參數（mm/pixel）=實際距離（lí）（mm）/像素距離（pixel）

通過換算就可以得到標靶的實際位移，從而得到橋梁的撓度變化值。經過後續處理能夠觀（guān）測待（dài）測點的靜態位移和動態位移，觀測實時數據和曲線。單個待測點係統原理示（shì）意如圖21所示（shì）。

圖21 測點係統原（yuán）理示意

③技術優點及應用

基於圖像的遠距離撓度（dù）測量（liàng）係統（tǒng）具有以下突出優點（diǎn）：1)精度高，10米的距離測試精度可達0.01mm；2)可實現無（wú）靶標測量；3)測（cè）試（shì）距離遠（yuǎn）,可達到300米以上；4) 適用範圍廣,大中小型橋梁均可進行測量；5)測試方法簡單,方便快捷,易於掌握（wò）；6)實現（xiàn）30～100HZ的高頻測試，消除工業CCD自身（shēn）的（de）抖動、環（huán）境波動產生的誤差等。

測試係統在橋梁（liáng）縱、橫向撓度測（cè）試中的應（yīng）用如圖（tú）22～23所示。

圖22 橫橋向撓度測試（shì）

圖23 縱橋向撓度測試

本文主要對橋梁荷載試（shì）驗中（zhōng）的應變與變形測試方法進行了分析,針對荷載試驗應變測試中存（cún）在的問題與不足,研發（fā）了一種（zhǒng）新型（xíng）多用途應變測量傳感器（qì）,具有精度（dù）高、穩定性好、受環境影響小、安（ān）裝方便、反複使用等突（tū）出優點。

可（kě）實現預應力（lì）混凝土、鋼筋混凝土、鋼結構、圬工結構的單向及多向應變測試,也可應用於裂縫監測及微小位移監測（cè）。

此外，本文還提出了一種基於圖像法（fǎ）的遠距離（lí）撓度測試係統，具有遠距離、非（fēi）接觸（chù）、精度高（gāo）、多點同時測量等（děng）突出優點。

可實現橋梁的遠距離靜、動態撓（náo）度測量，提高了撓度測試效率，可廣泛應用於橋梁施工監控及運營期間撓度的長期（qī）監測。