第三节静载试验仪器设备

第三节静载试验仪器设备桥梁静载试验时需测结构的反力、应变、位移、倾角、裂缝等物理量，应选择适当的仪器进行量测。常用的仪器有百分表、千分表、位移计、应变仪、应变计（应变片）、精密水准仪、经纬仪、倾角仪、刻度放大镜等。这些测试仪器按其工作原理可分为机械测试仪器、电测仪器、光测仪器等。机械式仪器具有安装与便用方便、迅速、读数可靠的优点，但需要搭设观脚手架，而且使用试验人员较多，观测读数费时，不便于自动记录；电测仪表安装调试比较麻烦，影响测试的精度的因素也较多，但测试记录仪，较方便，便于数据自动采集记录，操作安全。荷载试验应根据测试内容和量测值的大小选择仪器，试验前应对测试值进行理论分析估计，选择仪器的精度和量测范围，同时满足《公路旧桥承载能力鉴定方法》中对仪器精度和量测范围的要求，本节介绍几种常用的仪器设备。一、机械式位移计机械式位移计包括百分表、千分表及张线式位移和挠度计等；其构造和工作原理基本相同，主要区别在于精度和量程不同。百分表和千分表多功能义表、，与其它附属装置配套后可用于量测位移、应变、力、倾角等。1．百分表的基本构造2．使用方法使用时，百分表装在表座上（目前大都采用磁性表座），表架安装在临时专门搭设的支架上，支架应具有一定的刚度，并与被测结构物分开。将测杆触头抵在测点上，借助弹簧的使用，使其接触紧密。当测点沿（或背向）测杆方向发生位移时，推动（或放松）测杆，使测杆的平齿带动小齿轮、小齿轮又和它同轴的大齿轮一起转动，最后使指针齿轮和指针旋转，经过一系列放大之后；便在表盘上指示出位移值。3．便用时应汪意的事项（1）使用时，只能拿取外壳，不得任意推动测杆，避免磨损机件，影响放大倍数。注意保护触头，触头上不得有伤痕。（2）安装时，要使测杆与欲测的位移的方向一致，或者与被测物体表面保持垂直。并注意位移的正反方向和大小，以便调节测杆，使百分表有适宜的测量范围。（3）百分表架要安设稳妥，表架上各个螺丝要拧紧，但当颈夹住百分表的轴颈时，不可夹得过紧，否则会影响测杆移动。（4）百分表安装好，可用铅笔头在表盘上轻轻敲击，看指针摆动情况。若指针不动或绕某一固定值在小范围内左右摆动，说明安装正常。（5）百分表使用日久或经过拆洗修理后，必须进行标定，标定可在专门的百分表、千分表校正仪上进行。千分表与百分表使作方法完全相同。4.用位移计测挠度与变位用位移计测挠度或某点的位移时，要注意位移的相对性，位哆计的定点（表壳）和动点（测杆）必须分别和相对位移的两点连妾。位移针可装在各种表架上，通常用颈箍夹住羡的轴颈，也可用其他方式将表壳或轴颈固定在某一个定点，测吁可直接顶住试件测点。应用位移计量挠度与变位时，应注意下列问题：（1）作为固定位移计的不动点支架必须有足够的刚性。采用磁性或万能百分表架时，表架连杆不可挑出大长。因为位移汁测杆顶住测点时，有一定的反力压在连杆上，如果连杆或支架为柔性较大，就会在该压力作用下产生变形。这样，当结构变形付，仪表就不动或跳动，反映不出测点的真正位移值。（2）位移计测杆与所量测的位移方向完全一致。＝测点表面需经一定处理，如在混凝土、木材等表面粘贴小块玻璃片或金属薄片等，以避免结构变形后，由于测点垂直于百分表测杆方向的位移，而使位移计产生误差。这种误差有时会很大。如果上述方式还不足以消除误差，则不应将位移测杆直接顶住测点，而须采用其他方式。（3）位移计使用前后要仔细检查测杆上下活动是否灵活。由于灰尘落人或表架颈拧过紧等都会影响杆上下运动的灵活性。5．用位移计测应变应变，就是结构上某区段纤维长度的相对变化（ε=ΔL/L）。应变仪就是用来测定这个长度变化的仪器。采用特制的夹具将位移计安装在结构表面测定应变，具有精度高、量程大的特点。当应变值变化范围很大或需用大标距测定应变时，采用这种装置是非常合适的。固定位移计和顶杆的夹具，可用钢、铜或铝合金等制成，按照选定的标距以粘贴或预埋的方式固定在结构需量测应变的部位上。粘贴是最常用的固定方式。在混凝土结构上贴夹具时，应先将混凝土表面用砂轮打磨，除去泥灰再用细砂布略为磨光，用丙酮等擦净夕随后用胶粘剂将夹具按选定的标距粘上，待胶粘剂固化后，即可安装位移计进行量测。位移计应变量测装置主要用于量测结构构件的轴向应变。常用的量测标距对混凝土为10-20m，对砖石砌体则更大。对受荷载后会发生曲率变化的构件，不宜用位移计应变量测装置来测定其表面的应变。因为位移计测杆与构件表面之间有一段距离，当构件发生曲率变化时，所测得的应变有时是虚应变（又称视应变），同时顶杆与位移计测杆接触点发生移动影响量测。因此，仅当构件截面变形满足平截面假定，且曲率变化很小时，才能从所测得的虚应变值，推算出实际应变。二、手持式应变仪当需要在现场较长期连续地观测结构的应变时，一般的应变仪不适用，手持式应变仪则比较适用。此仪器的主要部分是千分表，它固定在一根金属杆上，其测杆则自由地顶在另一金属杆的突出部分上、两金属杆之间用两片富有弹性的薄钢片相连，因而能平行地相对移动，每根金属杆的一端带有一个尖形插轴，两插轴间的距离L即仪器的标距。后二次读数差即为结构在区段L内的变形ΔL，除以标距L即得杆件的应变值。仪器的各部分合理地选用不同膨胀系数的金属制造，因而使仪器读数受仪器本身的温度影响得到最大限度的消除。仪器不是固定在测点上，而是读数对才安上去。因此，为了保证仪器工作稳定可靠，标距两端的小孔必须钻得和仪器的插轴钢尖相吻合。因测量时仪器钢尖和测孔之间的按触稳定与否，直接影响到量测的准确性，如果测孔打得不标准，将使钢尖和测孔的接触极不稳定，增大读数误差，甚至无法读取稳定的读数。关于测孔的制作方法建议如下（1）钢结构可在杆件上直接钻孔。（2）圬工或木质构件则可粘贴特制的钢脚标（用环氧树脂粘接剂粘贴）。使用此种仪器，尚有一温度影响问题，即在长期量测过程中，初读数和加载数不可能在同一温度条件下读取，因此在量测读数中不仅包含了受载应变ε。而且还包含了混度应变εt，为了从读数中扣除温度部分的影响，就要在量测过程中进行“温度补偿”。一般较常用的温度补偿办法是采用与结构同一材料的“补偿块”，和杆件放在一起，同时取得读数，从“补偿块”上取得的读数为单纯的温度应变，并将此应变作为结构的温度应变εt。但是，补偿块与结构两者体积差别极为悬殊，两者对气温变化的敏感程度差别很大，由于补偿块体积小，能在短时间内跟上气温的变化，而结构表现为极大“滞后”。因此在气温变化较大时（例如白天尸照情况下）实际上无法起到补偿作用。为了达到补偿目的，根据量测的实践，建议采取“横向温度补偿法”。在布置测应变的测点的同时，在垂直方向布置测点。量测时应注意：手持式应变仪操作简单；但量测的精度会随操作人员和每次操作方式的改变而改变，所以，量测时不宜更换使用者；要使仪器与试件表面垂直；每次对仪器施加的压力要尽量相等，并使仪器插足时应在同一孔穴等，以减小量测误差。三、水准管式倾角仪水准管式倾角仪的构造，其原理是利用高灵敏度的永准管乘测定结构节点、截面或支座处转角。水准管安置在弹簧片上，一端铰接于基座弹簧片便另一端上升，但被测微计的微调螺丝顶住。将仪器用夹具装在测点后，用微调螺丝使水准管的气泡调平居中，结构变形后气泡漂移，再转动微调螺丝使气泡重新居中；度盘上前后二次读数差即代表该测点的转角。这种仪器最小读数有的可达1”-2”，量程为30。这种仪器的优点为尺寸小，精度高，使用简便。缺点是受外界温度影响很大，且不宜受阳光爆晒，以免水准管爆裂。四、电阻应变仪用电阻式应变仪测试桥梁结构应变时需用应变仪和电阻应变片（应变计）配合使用。1．电阻应变片电阻应变片又称电阻应变计，简称应变片或电阻片。它是非电量电测中最重要的变换器。应变片电测法与其他测试方法比较，有如下的一些优点。①灵敏度高。由于利用电阻片将非电器转换电器，再经电子仪器进行放大、显示和记录，所以能获得很高的放大倍数，从而达到很高的灵敏度。电阻应变仪可以精确地分辨出1x10-6应变，这个应变的量级对于钢材而言相当于0.2MPa的应力。②电阻片尺寸小且粘贴牢固。这个特点十分重要。当前某些工程结构（如船体、桥梁、飞机、衍架等）进行全面的应力分析时，往往要测量数十点甚至数百点的应力，电阻片很容易大量粘贴使用。对于结构十分紧凑以至其他测量仪表（如杠杆引伸仪）根本无法安装的情况下，电测法就能发挥很大的作用。尺寸大小另一个重要意义在于可以用来测量局部应力。现在电阻片的标距甚至可以小于1mm，这对于应力集中厦的测量比较合适。③电阻片质量小。这是一个突出的优点。它使得电测不仅可以作静态应力的测量，而且可以在动态应力分析方面发挥独特作用。对一系列重要的动力学参数（如加速度、振幅、频率。冲击力及爆炸压力等）能够比较精确地进行实验研究。同时应变片的基长可以制作得很短，并且有根高的频率响应能力、、因此在应变梯度较大的构件上测量时仍能获得一定的准确度。在高频动应变测量中具有很好的动态响应。④可以在高温（800-100℃）、低温（-100-70℃）、高压（上万个大气压）、高速旋转（几千转／mm-几万转／mm）、核幅射等特殊条件下成功的使用。此外，由于应变片输出是电信号，就易于实现测量数字化和自动化。应变片已在实验应力分析、断裂力学、静、动态试验、宇航工程中都有广泛的用途。应变片电测法在用于对结构物表面应变测量时的主要缺点是：粘贴工作量大，重复使用困难等。为克服这些缺点，人们利用电阻应变片的工作原理通过某种转换器间接地测定出被测量的数值。这种转换器称为电阻式应变传感器。（1）电阻应变片的构造绕线式应变片主要由敏感元件、基底、覆盖层和引出线等几部分组成。①敏感丝栅是应变片的主要元件，一般由康酮、镍铬合金制成。②基底和覆盖层起定位和保护应变片几何形状的作用，也起到与被测试试件之间电绝缘作用。纸基常用厚度0.015-0.02mm机械强度高、绝缘性能好的纸张制作。胶基则用性能稳定、绝缘度高、耐腐蚀的聚合胶制成。其它有特殊要求的应变片，可采用不同的材料做成基底。③引出线是用以连接导线的过渡部分，一般用直径约为0.15-0.30mm的金属丝。④粘结剂把丝栅基底和覆盖层牢固地粘结成一个整体。（2）电阻应变片的分类：、应变片的种类很多，至今各种规格的应变片已有二万多种。根据不同的方法，有如下的分类。此外，按敏感栅的长度分，有大标距应变片和小标距应变片；按敏感栅形状分，有单轴应变片和应变花。还有各种特殊用途的应变片如防磁应变片、防水应变片、埋人式应变片、层式应变片、可拆式应变片、疲劳寿命片、测压片、无基底式应变片、大应变片、裂缝探测片、温度自补偿应变片等。①金属丝式应变片金属丝式应变片最常用的形式为丝绕式，又称为圆角线栅式。它的制造设备和技术都较简便，但横向灵敏度较箔式应变片为大（横向灵敏度会给测量带来一定的误差）。丝式应变片常用的金属材料是康酮、镍铬合金、铁镍铬合金和铂铱金等。②箔式应变片箔式应变片是由照相、光刻技术腐蚀成丝。它在性能上的优点是散热条件好，逸散功率大，可以允许较大电流、耐蠕变和漂移的能力强，易做成任意形状，但它工艺较复杂，箔片的材料主要为康酮、镍铬合金等。在两向应力状态时，需要测出一点的两个或三个方向的应变，才可求出此测点的主应力的大小和方向。这就要使用粘贴在了个公共基底上，按一定方向布置的2-4个敏感栅组成的电阻应变片。这种应变片叫做电阻应变花、应变花或多轴应变片。对于箔式应变片组成的应变花，因其横向效应系数极小，故不考虑修正问题。对于由半圆头丝绕式应变片组成的应变花，如果对测试结构要求不很严格的话，也不必考虑修正。④半导体应变片半导体应变片的外形。它的优点是灵敏度高、频率响应好、可以做成小型和超小型应变片。半导体应变片的出现为应变电测技术的发展开创了新的途径。它的缺点是温度系数大，稳定性不及金属应变片等。（3）金属应变片的工作原理金属应变片的工作原理在于导体的“电阻应变效应”。所谓电阻应变效应是指导体或半导体在机械变形（伸长或缩短）时，其电阻随其变形而发生变化的物理现象金属导体产生电阻应变效应，主要是因为电阻丝的几何尺寸改变引起阻值的变化.（4）电阻应变片的选用