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1、第一章 结构试验概论一、结构试验课程的性质:1、边缘学科。涉及试验技术、工程知识(材料、力学、结构工程、桥梁工程、结构分析、设计理论(规范)、仪器仪表(原理、应用)、信号分析及数据处理、结构分析。2、应用行业范围宽。桥梁结构、建筑结构、港航、航天、机械、汽车。各方面应用的举例。3、针对性问题。土木建筑结构,桥梁构件为重点。4、技术环节。研究问题的方法、试验方案的编写、仪器设备的原理、数据处理及性能的评价。二、研究对象。1、结构。工程材料组成的各种承载结构(梁、板、柱、拱)相互连接组成的组合体。2、对结构的要求。在使用期内有效的承受外部及内部形成的各种作用。如桥梁设计年限为100年(公路桥涵设计
2、通用规范JTG D60-2004),恒载,活载,各种组合的作用(永久荷载、可变荷载、偶然荷载)。考虑施工质量、设计计算的不足,结构使用耐久性的要求,结构必须有一定的安全储备,如规范规定的结构重要性数(1.1、1.0、0.9),分别对应各种跨径和重要性不同的桥梁(JTG D60-2004)。如何保证结构的使用性能:(1)设计和施工;(2)养管和使用控制;经常检查(次/3个月)、定期检查(次/3年)、特殊检查。(3)试验技术,提供解决问题的方案:设计、计算的验证,使用性能评价等。三、解决问题的方法1、荷载对系统的作用 输入 系统特性 响应(约束条件)永久荷载 结构形式、连接方式 位移基本可变荷载
3、材料特性、截面特性 应力 偶然荷载 刚度、质量分布 抗裂性能环境因素引起的附加荷载 动力特性 动力响应动力荷载 安全性能约束条件的介绍2、理论分析(设计) 输入已知,系统特性即为设计要求,通过缄默建模,进行结构有限元分析,求取结构的响应,如输出不满足约束条件(设计规范),则需重新进行设计,直至满足。3、结构试验输入已知(设计最不利荷载),系统特性(已知或未知,系统的综合特性肯定为未知)通过测试得到系统响应,通过对特定输入条件下响应的分析(结合系统的已知特性),分析系统的综合特性(施工质量,设计偏差),判断系统实际综合特性是否满足要求。评判标准:理想或正常系统在特定荷载作用下的响应值(理论)与实
4、测响应的接近或符合程度。4、理论分析与试验技术的关系四、举例重庆渝黔高速公路平滩子大桥试验。1、对象介绍;2、问题的提出;3、分析;4、问题的解决。1.1 结构试验的任务一、结构试验的任务(目的)在结构物或试验对象上,使用仪器设备为工具,利用各种试验技术手段,通过对结构施加荷载,测试结构受载以后的力学行为(各种参数),根据结构的性能指标(强度、刚度、抗裂性能、破坏形态)来判定结构的实际工作性能(规范、理论计算、假定),确定结构对使用要求的符合程度(设计要求、承载力、使用性能),验证和发展结果的计算理论。二、不同的试验对象和目的,则重点不同,其任务也不完全相同。1.2 结构试验的目的一、生产鉴定
5、性1、性质:直接为工程服务,解决工程问题,原型试验、短期、现场、有严格的试验程序和评价体系。如桥梁荷载试验,基桩检测。2、主要为解决以下问题(目的)(1) 确定新建结构的承载能力和使用条件;(2) 结构的加固改造;(3) 工程事故处理:a 湖北沙市荆江大桥桥台擦撞事故;b 万洲万安大桥车辆对斜拉索的冲撞事故。(4) 对现有结构的鉴定,确定其现有承载力和使用限制;(5) 预制构件的质量签定(质量控制);生产鉴定性试验的另一个目的是研究结构的力学行为,总结结构受力行为的一般规律,验证结构设计理论和假定,探索具有普遍意义的规律,为发展设计计算理论、完善现有规范积累科学资料。二、科学研究试验1、性质:
6、发展和验证设计计算理论、假定,新技术的推广应用,规范修订。模型试验、短/长期、室内、有试验程序和评价体系(但允许创新)。如各中结构的试验研究。2、主要为解决以下问题(目的)(1) 验证新的结构分析理论、设计计算方法、假定等。a 横向分布计算理论的验证(杠杆法、G-M法、偏心压力法、修正偏心压力法、刚接板梁法、铰接板梁法);b 平铰拱(无铰)设计、计算理论的验证;c 吊拉组合桥设计、计算理论的验证。(2) 为发展新的结构形式、新材料、新工艺提供依据、积累经验a 钢管混凝土拱桥;b 桁式组合拱桥;c 复合材料加固技术;d 横张预应力结构。(3) 为制订新的设计规范提供依据a交通部原规范对冲击系数取
7、值不合理,建设部城市桥梁荷载设计准则的修正(车道荷载:20/(80+L),车辆荷载:0.4686-0.3032logL;交通部现行规范(JTG D60-2004)对冲击系数取值的修改:(f14,0.45)b 抗风规范;c 横张预应力梁的抗疲劳规范;d 部分预应力梁设计规范。三、混合型1、桥梁健康监测南京长江大桥;大佛寺大桥;马桑溪大桥。2、桥梁施工控制1.3 结构试验的分类一、原型/模型结构试验1、原型试验(1)特点:实际结构物为对象,现场试验,多数为生产性试验,风险性,周期短,正常使用状态(不能解决极限承载力),环境条件不可控制,项目组织牵涉面大。(2) 目的:检验结构物与设计要求的符合程度
8、,承载力是否满足,满足正常使用的限制条件,验证设计计算理论。2、模型试验(1)特点:科研试验,仿真试验(结构物具备原型结构的全部或部分重要特征(相似设计),模型质量对结果影响大、周期长、针对性强、加载的可控性、可解决极限承载力问题、环境可控、试验精度高。(2)目的:a、生产中的重大技术问题,通过模型试验将结构反演到实际结构物,说明实际结构的工作性能。大佛寺大桥的稳定试验;吊拉组合桥试验。b、验证设计、计算理论横向分布验证,横张预应力张拉模拟试验。二、静力试验与动力试验1、静力试验是最基本的试验方法,能解决结构的刚度、强度、抗裂性能、稳定等问题。如桥梁主要承受静荷载,如恒载部分一般要占全桥承载能
9、力50%80%,移动荷载一般也简化为静荷载进行分析计算(冲击系数)。小跨径的桥梁一般通过静力试验就能说明问题。特点:荷载为恒定,不随时间的变化,将移动荷载的冲击作用已冲击系数来放大,荷载要分级,持续一定的时间。冲击系数概念及举例。2、动力试验主要为解决结构整体性能和使用条件等问题。(1) 抗风:风洞实验室,室内,科研。(2) 抗震:地震台,室内,科研;(3) 疲劳试验:疲劳试验机,室内,科研;(4) 车辆荷载作用下的结构动力特性及动力响应,室外,科研、生产鉴定。三、长期试验和短期试验四、室内试验和室外试验1.4 结构试验的测试内容和试验依据一、测试内容(桥梁现场荷载试验为例)1 静力试验(1)
10、控制部位的应力、应变;(2)控制截面的应力分布;(3)控制截面的最大变形;(4)结构的纵、横向变形分布规律;(5)支点沉降和支点转角;(6)混凝土结构的抗裂性能,包括最大裂缝宽度、裂缝扩张、裂缝形态及分布;(7)桥梁外观缺陷及病害检查;(8)主体结构和桥面线形;(9)斜拉索、吊杆的恒载索力及活载索力;(10)材料特性、结构截面尺寸等参数;(11)其它必要的检测项目。2 动力试验(1)结构动力特性,包括自振频率、阻尼特性、振型;(2)结构动力响应,包括动挠度、动应变、振动加速度;(3)冲击系数、应变增大系数等反映结构冲击效应的指标;(4)结构冲击效应与车辆行驶速度的相关性。二、试验检测依据(桥梁
11、现场荷载试验为例)1 大跨径混凝土桥梁的试验方法(1982),交通部建议标准;2 公路旧桥承载能力鉴定方法(1988),交通部试行标准;3 工程结构可靠度设计统一标准GB 50153-92;4 公路工程结构可靠度设计统一标准GB/T 50283-1999;5 公路工程技术标准JTG B01-2003;6 公路工程质量检验评定标准(土建工程)JTG F80/1-2004;7 公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004;8 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004;9 公路砖石及混凝土桥梁设计规范JTJ 022-85;10 公路桥涵钢结构及木结构设计规范JTJ 025-8
12、6;11 公路斜拉桥设计规范(试行)JTJ 027-96;12 公路悬索桥设计规范,正在制定之中;13 公路桥梁抗风设计规范JTG/T D60-01-2004;14 公路桥涵地基与基础设计规范JTJ 024-8515 公路桥涵养护规范JTG H11-2004;16 市政桥梁工程质量检验评定标准CJJ 2-90;17 城市桥梁设计准则CJJ 11-93;18 城市桥梁设计荷载标准CJJ 77-98;19 城市人行天桥与人行地道技术规范CJJ 69-95;20 城市桥梁养护技术规范CJJ 99-2003; 21 混凝土结构试验方法标准GB50152-92;22 钢管混凝土结构设计与施工规程JCJ
13、01-89;23 钢管混凝土结构设计与施工规程CECS 28:90;24 厂矿道路设计规范GBJ 22-87;25 试验桥梁设计文件确定的有关的规定,如特殊荷载等。2.5 结构试验的观测设计本节主要内容:1、按试验目的及要求,确定试验检测项目;2、根据试验项目,确定测点布置;3、根据测试内容、环境、精度的要求,进行仪器选配。2.5.1 观测项目的确定1、反映结构工作状态的指标有两类,一类是反映整体性能的指标,如结构变位、转角、支座位移、索塔水平变位等,另一类是反映结构局部工作状态的指标,如裂缝、纤维变形等。2、在确定测试项目时,首先要考虑结构的整体指标,以概括结构受力的宏观行为,其次要针对结构
14、的受力特点及存在的主要问题,抓住重点,有的放矢,以能够全面反映受载后结构的工作状态、解决桥梁的主要技术问题为原则确定检测项目和检测内容。3、常见结构试验的主要观测项目有:a、结构控制截面的最大挠度和结构变位的纵、横向分布规律,支点变位及支座工作性能;b、结构最大拉、压应力、截面应力分布、中性轴位置,支点附近截面的主拉应力;c、裂缝的特征以及新增裂缝的出现和扩展状态等等;d、针对某些桥型,还需进行斜拉索、主缆和吊杆索力等的检测;e、对于旧桥,还要认真做好桥梁现状及病害的普查。4、几种常见桥梁原型试验的测试项目。表2-1 几种常见桥梁结构控制截面和测试项目 测试项目桥 型应 力挠 度其 它简支梁桥
15、跨中、四分点、支点跨中、L/4支点转角、支点沉降连续梁桥边跨最大正弯矩截面、中跨跨中、四分点、支点边跨最大正弯矩截面、中跨跨中、四分点支点转角、支点沉降悬臂梁桥支点、牛腿、跨中悬臂端、跨中悬臂端和支点转角无铰拱桥跨中、四分点、拱脚跨中、四分点、八分点墩台沉降及水平位移连续刚构中跨跨中、支点、边跨最大正弯矩截面跨中、四分点刚架桥跨中、节点、柱脚跨中、四分点、节点柱脚转角斜拉桥主梁、索塔控制截面、斜拉索索力主梁跨中、四分点、八分点塔顶水平位移悬索桥主梁、主塔控制截面、主缆、吊杆主梁跨中、四分点、八分点塔顶水平位移5、举例a、普通钢筋混凝土结构的破坏试验测试项目的确定b、建筑用空心板荷载试验(破坏试
16、验)测试项目主要有挠度、裂缝、荷载,通常不进行应力测试,采用破坏试验,从极限承载力来分析结构强度储备。c、预应力结构的非破坏试验2.5.2 测点布置测点布置应遵循必要、适量、方便观测的原则,并使观测数据尽可能准确、可靠。1、测点布置应具有代表性,服从结构分析和判断的需要,同时要便于计算。桥梁结构的最大挠度与应变,通常是试验者最感兴趣的,掌握了这些数据就可以比较宏观地了解结构的工作性能及强度储备。2、测点布置要有针对性,要以满足试验要求为目的,避免盲目布置及片面追求测点数量,以便使试验工作重点突出,提高效率,保证质量。3、测点布置要有利于仪器安装和观测读数,并对试验操作是安全的。对于观测数据比较
17、危险的部位,应采取妥善的安全措施。4、为保证测试数据的可靠性,测点数量应是足够的,且需布置一定数量的校核测点。在现场试验过程中,由于偶然因素和外界干扰,会有部分测点不能处于正常工作状态或失效,因此在关键控制部位要布置多个测点。6、利用结构的对称互等原理,可适当减少测点布置数量。尽可能使控制截面相对集中,这样有利测站布置和减少测试人员的数量。2.5.3 测试仪器的选用及测读原则(一) 仪器选配结构试验测试设备的选用和配置可从以下几个方面考虑:1、精度2、量程(1/52/3)3、分辨率4、抗干扰和环境的适应能力5、自动化程度和多功能6、规格尽量统一,便于设备调配和数据处理,减少系统误差7、不影响结
18、构的正常工作8、动力试验仪器选配的注意事项(二) 测读时机1、同步2、分级荷载作用下的测读原则(加载后测读,下一级加载前测读)3、对关键测读的动态监测4、长时间加载时的测读(5、10、30m、1h、3h、6h)5、测读内容:零荷载、加载时、卸载时2.6 材料的力学性能与结构试验的关系自学2.7 结构试验大纲和试验基本文件第三章 结构试验的荷载设备自学第四章 结构试验的数据采集和测量仪器4.1 概述(仪器仪表基本知识)一、结构分析方法 输入 系统特性 响应(约束条件)永久荷载 结构形式、连接方式 位移基本可变荷载 材料特性、截面特性 应力 偶然荷载 刚度、质量分布 抗裂性能环境因素引起的附加荷载
19、 动力特性 动力响应动力荷载 安全性能1、理论分析(设计)输入已知,系统特性即为设计要求,通过缄默建模,进行结构有限元分析,求取结构的响应,如输出不满足约束条件(设计规范),则需重新进行设计,直至满足。2、结构试验输入已知(荷载),系统特性已知或未知(系统的综合特性为未知),通过测试得到系统响应,对特定输入条件下响应进行分析(结合系统的已知特性),评价系统的综合特性(施工质量,设计偏差),判断系统实际特性是否满足要求。二、仪器设备的主要性三、测试采集系统的发展1、机械式仪器。简单器具的指针量值只是、人工读书及记录2、分立式模拟电子设备。数字显示,人工记录,分析困难3、以集成电路为基础的智能测试
20、系统。自动采集、记录、打印4、多功能数据采集器。电代电测技术、计算机控制、多功能、自动存储、数据处理、分析功能强大。四、测试系统的组成方式1、分立(积木)式2、集成型3、分布有线传输式4、分布无线传输式五、测试的组成(按功能划分)以电测仪器系统为例输出设备采集及分析部分放大器传感器六、仪器设备的分类1、按工作原理分类2、按仪器的用途分类3、按仪器与结构的关系分类4、按仪器显示和记录方式分类七、常用仪器仪表的主要技术指标1、刻度值(分辨率)2、量程3、灵敏度4、线性度5、稳定性6、重复性7、频率响应(频率范围)8、动态特性9、A/D板位数10、采样频率八、结构试验对仪器的使用要求4.2 传感器4
21、.2.1 基本原理.传感器是一种对输入敏感的装置,通过感受单元将输入信号(非电量)转换为便于放大、处理或显示的物理量(通常为电量,如u、I、L、C、Q)。一、机械传感器实际是一种带显示装置的机械放大器图4-1 百分表构造图 图4-2 挠度计构造图二、电测传感器利用电子、电磁学原理,将输入信号(非电量)转换为便于放大、处理或记录的电信号(如u、I、L、C、Q)举例:铂电阻(测温传感器)Rt=R0+0.0385t三、其它传感器举例:光电测速传感器4.2.2 电阻应变计(简称“应变片”)应变片的作用:a、结构应变测量,计算结构强度b、采用应变片作为敏感元件,制成各种应变式传感器,如应变式位移传感器、
22、应变式测力传感器、应变式角度传感器、应变式加速度传感器等。应变片(应变式传感器)与应变仪组合的应变测试系统在结构试验的重要地位:由应变测试结果,根据虎克定律换算强度。与应变式位移计、测力计、倾角仪配套进行变形、裂缝宽度增量、荷载、倾角、索力等的测试,部分应变仪还具有温度、电压、电流的测试功能。该组合能实现结构试验中大多数参量的测试,应用十分广泛,但测试结构受环境因素影响较大,适合短期试验。具有以下特点:1、分别率高2、量程大3、质量轻,不影响结构工作4、便于实现多点测量5、多功能6、动态特性好7、成本低,操作方便8、容易受环境因素的影响(温度、电磁干扰)9、适用短期试验应变的定义及单位图4-3
23、 BX120-80AA电阻应变片图4-4 YE2539高速静态应变仪图4-5 UCAM-70A-10数据采集器一、基本原理1、基于导体或半导体的电阻应变效应:导体或半导体在机械变形时(伸长或缩短),其电阻值随变形而发生变化,这一物理现象称为“电阻应变效应”。2、金属电阻丝电阻应变效应的量化表示:K与材料性质有关,称为电阻丝的灵敏系数,它反映了材料电阻应变效应的灵敏程度。3、应变片的电阻应变效应与上例相同,但应变片存在弯头,与相同材料的导体的灵敏系数由差异。金属材料:K=22.50半导体:K=50左右,半导体应用的限制。二、应变片的构造1、应变的构造图4-6 电阻应变片的构造2、应变片选用(1)
24、 阻值:常用应变片的阻值为120,同一次试验使用的应变片阻值要相同,必要时应进行阻值选配。(2) 标距:对于匀质材料,可选用35mm标距的应变片;对非匀质材料,应变片的标距应大些,如对混凝土,一般要求满足L4,其中L为应变片标距,在粗骨料粒径,目前市场上有标距为40、60、80、100、120mm等规格应变片供选用。(3) 灵敏系数:对于同一次试验,应变片的灵敏系数应尽量相同,不然在进行温度补偿、数据处理时,会带来诸多不便。(4)单轴/多轴(5)精度(6)量程(7)环境适用性:常温,温度系数尽量小(8)测试对象:根据测试精度要求、被测材料散热性能、观测时间长短等对应变片的精度等级、基底材料、温
25、度稳定性、弹性模量补偿等指标进行合理的选择。三、应变片种类(1)敏感丝栅的形状:丝式盘绕、箔式(2)敏感丝栅的材料:金属、半导体(3)单轴/多轴:单轴、多轴(应变化)(4)环境适用;高温、中温、常温、低温图4-7 应变花(平面应变测试)四、应变片的粘贴1、应变测量方法2、粘贴工艺环节是应变测试的主要误差来源。3、对应变粘贴工艺基本要求:定位准确、粘贴牢固、焊接可靠、绝缘满足要求、防潮(水)防损伤措施得当。4、应变粘贴程序(1) 测点定位。保证应变片敏感丝栅方向与应变测试方向一致,对于直角型应变花,通常使45度方向的应变片与主拉应力方向相垂直。(2) 对材料表面进行平整、光滑、防水等处理。对混凝
26、土结构,要清除表层松散的混凝土;对钢结构,要将表层油漆、锈斑清除干净。表面清洁采用丙胴或无水酒精。(3) 粘贴。要求定位准确、粘接牢靠。应变胶要具备足够的粘结强度、稳定的化学性能及必要的防水性能。现场试验常用的应变胶有环氧树脂、502快速粘接胶等,环氧树脂粘接强度高、防水性能好,但固化时间较长;502固化速度快,但防水效果差。(4) 干燥固化及焊接处理后,对应变进行防护处理。表面应变测点防护处,一般采用环氧树脂或石腊合剂将应变片和引出部分加以覆盖即可;对于预埋钢筋应变测点,则要采取严格的防水和防机械损伤处理。(5) 最后对贴片质量进行检查,如发现存在短路、开路、绝缘电阻偏低等现象,则应返工。绝
27、缘电阻的大小应根据测试环境、测值大小、精度要求、观测时间长短、应变仪的性能等因素确定,一般应达到100200M。图4-8 变面应变片防护处理图4-9 预埋钢筋应变片防护处理图4-10 单轴混凝土应变片布置图4-11 混凝土应变花测点布置五、应变仪(数据采集器,DATA LOGGER)基本知识:a、 应变仪的作用b、 可测参数:应变(应力)、位移(与应变式位移计配套)、荷载(与应变式位测力计配套)、温度(热电偶、铂电阻)、电压、电流。c、 特点:测电阻的设备弱电设备,易受干扰,短期试验,多功能,采用巡回检测实现多点测量。d、 应变仪的主要技术指标:测点数、量程、精度、采集速度、稳定性、软件功能。
28、e、 应变仪的组成:测点扩张箱(平衡箱、扫描箱、接线箱)表4-1 应变仪分类及简介设备类型技术特点适用条件国产常规应变仪分辨率110-6,量程2000010-6短期活载应变测试,易受温度变化影响。国产分布式应变仪分辨率110-6,量程2000010-6,多功能,仪器和测站布置灵活。短期活载应变测试,适合大型桥梁试验,易受温度变化影响。进口数据采集器最高分辨率0.110-6,最大量程64000010-6,自动化程度高,功能强大。短期活载应变测试,易受温度变化影响。1、测量电桥(1)测量电桥及输出特性 图4-12 应变仪测量电桥 图4-13 测点接驳装置测量电桥的输出特性可由下式表示:由以上两式可
29、知,应变片将应变转换为电阻的相对变化,测量电桥将各桥臂的电阻变化转化为电压,通过信号放大,应变仪输出与应变成正比的电压信号,从而实现对应变的测量。测量电桥的输出特性:相邻桥臂的符号相反,输出呈相减性;相对桥臂的符号相同,输出呈相加性。(2)平衡条件:满足R1/R4=R2/R3,即R1R3=R2R4时,U=0(3)桥路组合方式。见P19常用的桥路组合主要有两种:a、半桥:R1、R2为外接应变片(电阻),R3、R为应变仪机内电阻。为应变检测时,R1通常为工作片,R2为补偿片。b、半桥:R1、R2、R3、R4均为外接应变片(电阻),应变式传感器一般采用该接法,以提高灵敏度。2、温度补偿(1) 温度补
30、偿的目的:消除温度变化对应变测试结果的影响。式中:丝应变片导体温度系数;t温度变化值;构构件线膨胀系数;丝构件线膨胀系数;K应变片灵敏系数。(2) 温度补偿的原理图4-14 半桥接法温度补偿原理要达到理想的补偿效果,应满足以下条件:a 工作片与补偿片同规格b 补偿件与被测结构同材料c 补偿片和工作片的连接线缆同规格,并按截面分束捆扎在一起d 补偿片与工作片同温度场(3) 公共补偿:原理、补偿件(4) 互补:原理3、桥路组合祥见P19的“桥梁组合形式表”(1)L/4桥(2)L/2桥:L/2桥公共补偿及应用,L/2桥互补及应用(3)全桥:应用(4)桥路组合举例a、 工作片公用补偿在桥梁实测检测中的
31、应用;b、 等截面矩形梁弯曲应变的检测;c、 传感器的应变片组桥举例,应变式测力计。4、电阻应变仪简介(1) 静态电阻应变仪的工作原理a、 信号流程b、 多点切换方式及实现c、 输出与输入的关系。(2) 分类a、 静态电阻应变仪:特点:静态信号,多测点,巡回检测,直流电桥;应用:静应变及与应变式传感器(位移、测力、角度)配套b、 动态电阻应变仪特点:原理同静态应变仪,无测点开关电路,动态信号,多通道并行,每路有一个放大器,放大倍数/量程可调/归一化处理;应用:动应变、动挠度(冲击系数)、振动加速度。(3)静态电阻应变仪介绍YJ-5、YJ-26、YE2539、UCAM-70A-10,DTS-60
32、2介绍指标:测试参数、量程、分辨率、精度、控制方式、测点切换方式、读书或输出方式、测点数、供电方式。5、静态数据采集器特点:功能扩张的静态应变仪、内值计算机控制、可外接计算机、带显示和打印装置、分析功能强大,与应变仪没有明显的定义区别。典型型号:UCAM-70A-10、UCAM-50、UCAM-50、TDS-602、TDS-303。主要测试参量:静应变、电压、电流、温度(热电偶、铂电阻)测试功能:自动采集、定时测试、条件触发、多通道幅值监测、图形回放、应变化计算、统计、通道算术运算、文件服务、通讯、自检。应用:同静态应变仪。还可测量温度、电压、电流。6、动态应变数据采集器组成:动态应变仪(应变
33、模块)+A/D板+存储和DSP处理芯片+计算机+软件。7、应变的主要操作方法(1)应变片与仪器的连接,接触电阻、连接导线长度的控制;(2)桥路模式设置;(3)灵敏系数设置;(4)调零/平衡(每个工况应作一次调零);(5)采集及数据存储。图4-15 YE2539高速静态应变参数设置界面图4-16 试验现场图片(云南红河大桥)图4-17 YE2539高速静态应变测试界面8、应变测试误差控制措施(1)接触电阻;(2)导线型号及布置;(3)参数设置;(4)温度补偿;(5)供电;(6)抗干扰;(7)试验时机;(8)多次测量、平均处理;(9)设置温度漂移参考点,进行温度影响的修正。六、其他应变测试设备1、
34、振弦式(钢弦)应变计图4-18 钢弦式应变计原理图(1)工作原理,频率与弦张力的关系:式中:W索线密度(kg/m);f斜拉索一阶自振频率(Hz);L斜拉索计算长度(m);g重力加速度(9.8ms-2);T索张力(kg);通过对自振频率f的检测,可以得到张丝的张力,而张力与张丝应变有关,通过标定建立f的关系,由实测f求应变。(2)特点:稳定性好,抗干扰能力强,受温度影响较小,可检测恒载/或载应变,需在施工阶段预埋。价格较高。(3)适用:中长期试验,如桥梁施工控制,收缩徐变试验,桥梁荷载试验。 2、千分表:采用机械式仪表(如千分表)测量区段的平均应变 图4-19 千分表用于应变测试应变按下式计算:
35、式中:区段平均应变;L区段变形,由千分表读数;L标距,通常取200mm左右。特点:稳定性好,灵敏度较低,人工测读。适用:长期试验,如混凝土结构收缩许变。3、手持应变仪:原理同2图2-20 手持式引伸仪工作原理图4.2.4 测力传感器 用途:用于荷载的测试及加载控制。类型:机械式(压力环等P79),应变式测力传感器,其中以应变式测力传感器应用较为广泛。1、应变式测力传感器(1)组成:弹性体、应变片,根据弹性体形状的不同可分为圆柱式、环式、悬臂梁式、轮辐式。(2)传感器原理 图4-21 应变式测力传感器(空心圆柱式)原理图图4-22 应变式测力传感器(轮辐式)原理图信号流程:荷载作用于传感器传感器
36、弹性体受力变形应变片的应变效应测量电桥将电阻变化转换为电压应变仪放大处理后输出应变根据应变与荷载的关系换算力值P=s=Es(3)桥路组合:全桥自补偿(4)应用a、标定:采用压力试验机(万能试验机)标定,建立荷载与应变的关系,P=a+b。b、与应变仪的配套,根据应变测试结果,由标定结果换算荷载。c、预制构件的试验荷载测试,桥梁模型试验的荷载测试及控制,锚杆抗拔试验拉力测试。d、使用条件:与反力装置(反力架配套) 图4-23 静力试验反力装置示意图4.2.5线位移传感器1、机械式基本原理:通过机械传动(齿轮、杆杆),将输入信号放大,通过指针、度盘、划块来指示输入的大小。特点:稳定好、抗干扰能力强、
37、简单可靠、价廉、数据采集工作量大、人工记录和处理、数据无法回放、容易产生粗差。主要技术指标:表4-2 机械式位移计主要指标类型量程分辨率适用千分表00.5、1.0mm0.001mm支点、墩台变形等小位移百分表010、30、50mm0.01mm位移测试张丝式挠度计无限制,满度为100mm0.1m大位移测试图2-24 千分表及百分表图4-25 百分表构造图 图4-26 挠度计构造图特点和适用:(1) 千分表:小位移、应变、裂缝宽度增量测试,位移测试需安装支架。(2) 百分表:位移、裂缝宽度增量测试,位移测试需安装支架。(3) 挠度计:大位移(量程不限),位移测试需安装支架。2、电阻式(滑线式)位移
38、传感器(1)组成:传感器由测量电桥(内置电阻)、滑线电阻丝、弹黄、测杆等组成。图4-27 电阻式位移传感器原理图(2)原理:信号流程:结构位移测杆带动电刷在滑线电阻丝上移动应测量电桥的平衡状态被打破测量电桥将电阻变化转换为电压应变仪放大处理后输出应变根据应变与位移的关系换算位移。(3)应用a、标定:杠杆引伸仪(标准位移输出装置)标定,建立位移与应变的关系,f=a+b。b、与应变仪的配套,根据应变测试结果,由标定结果换算位移。c、桥梁或构件位移测试,裂缝宽度增量检测。d、适用条件:需设置位移参考点(不动点),如桥下净空较低时的脚手架,模型试验中的刚性基础。采用磁性表座安装。图4-28 相对式位移
39、传感器的安装3、应变式(悬臂梁式)位移传感器(1)组成:传感器由悬臂梁、测量电桥(悬臂梁上应变片)、弹黄、测杆等组成。图4-29 应变式(悬臂梁式)位移传感器原理图(2)原理:信号流程:结构位移测杆带动悬臂梁变形粘贴在悬臂梁上的应变片感受变形,并将应变转换为电阻 测量电桥将电阻变化转换为电压应变仪放大处理后输出应变根据应变与位移的关系换算位移。(3)应用:仪器配套、标定、应用及适用条件、传感器安装等同电阻式(滑线式)位移传感器。4、电测百分表电测部分的原理、仪器配套、标定、应用及适用条件、传感器安装等同应变式(悬臂梁式)位移传感器。图4-30 电测百分表(机电百分表)用于桥梁挠度检测4.2.6
40、 角位移传感器自学4.2.7裂缝测量仪器裂缝测量的意义1、读数显微镜技术指标:放大倍数1020倍,量程06mm,分辨率0.01mm图4-31 JC-10读数显微镜 图4-32 JC-10读数显微镜构造图原理:特点:结构可靠、价廉,测读不方便、人为误差大。用途:裂缝宽度的测量。2、直读式裂缝观测仪技术指标:放大倍数50,最小刻度值0.01mm,量程1mm。图4-33 SW-LW-101型裂缝观测仪原理:裂缝观测仪是一种新型裂缝宽度直读式仪器,由探头、带刻度的液晶显示屏、光源等组成,该仪器直接在带刻度的液晶显示屏上测读裂缝宽度。特点:操作方便,精度较高,人为因素影响较小。用途:裂缝宽度的测量。3、
41、裂缝读数尺读数尺是一种硬质纸片,上面刻有宽度不等(0.082.00mm)的标准线条,测试时利用放大镜,用比对的方法进行裂缝宽度的测量。用途:裂缝宽度的测量。4、百分表图4-34 百分表用于裂缝宽度增量测试采用位移计横跨裂缝布置可测量荷载作用下裂缝宽度的扩展情况,如采用高分辨的千分表,则分辨率可达到0.001mm。采用电子位移计跨缝布置,可方便地对裂缝宽度的扩展进行监测,这对于现场加载控制具有实际意义。用途:裂缝宽度增量测试。5、裂缝的发现原存裂缝主要通过肉眼观察发现,可利用放大镜作为辅助工具。试验荷载作用下,新增裂缝主要过下述两种方法捕捉:(1)一是通过肉眼观察发现(2)二是通过其它相关测点的数据分析来确定:a、测试截面的钢筋和混凝土应变测点的变化规律、两者变形是否协调来判断结构是否开裂。b、混凝土表面应变的变化规律。c、控制截面的挠度变化规律(刚度的变化,普通钢筋混凝土较为有效)。目的:开裂荷载的确定。4.2.8、索力检测设备(补充)1、索力测试方法主要有:(1)频率法。利用环境随机振动或人工激
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