桥梁结构应变电测技术探讨

李 毅

（广东省公路建设有限公司，广东 广州 528414）

0 引言

随着现代科学技术的飞速发展，电测技术已广泛应用于桥梁结构试验中，各种新型现代化电测仪器不断涌现，大大提高了桥梁结构试验的测试精度及测试效率，使大规模桥梁结构试验成为可能。本节主要介绍结构应力应变的电测技术，即电阻应变测量的原理及应用。电阻应变测量的基本原理是：将电阻应变片粘贴在被测构件上，当构件变形时，应变片与构件一起变形，致使应变片的电阻值发生相应的变化；通过电阻应变测量装置，可将这种变化测量出来，换算成应变值或输出与应变成正比的模拟电信号，用记录仪器记录下来或直接存入计算机进行处理，得到所需要的应力应变值。

1 电阻应变计的选用

应变片品种和规格很多，选用时必须从满足测试要求、使用方便和尽可能节省费用等原则出发，结合被测试件所处的环境条件、被测材料的匀质程度、测点部位的重要程度以及应变范围等多方面考虑。尤其是重点把握标距和种类。

1.1 标距

当结构材料为匀质（如钢材）或局部应力集中梯度比较大时宜选用小标距应变片，当结构材料为非匀质（如混凝土）或应变梯度小又均匀时可选用大标距应变片（对混凝土标距L≥4～5倍最大骨料直径）。

1.2 种类

对于箔式应变片适用于各种场合，且性能较丝式优越，是目前使用最多的一种应变片。有时碰到大量使用应变片的场合，环境条件比较好（如室内模型试验）从经济上考虑，往往也选用丝式胶基或纸基片。综合起来说，对于测试钢构件（或混凝土内钢筋）应变，一般选用2mm×3mm（B×L）或2mm×6mm的箔式应变片，测混凝土结构表面应变，一般选用10mm×（80～100）mm的丝式胶基片或纸基片。

2 电阻应变片的粘贴和连接

电阻应变片的粘贴和焊接是应变测试技术中极重要的一步，必须足够重视，通过结合工程实践，笔者提出正确的操作步骤及其相应的注意事项。

2.1 电阻应变片的选片

首先检查电阻应变片的外观质量，好的应变片应该丝栅平直整齐、均匀、无气泡、无霉、无锈蚀，基底和覆盖层无破损。其次用惠斯顿电桥测定应变片的电阻值，其准确度应达到0.1Ω，以便按阻值的大小进行编组配对。工作片与补偿片之间的电阻值之差不宜大于0.2Ω，以免桥臂阻值不能调平衡。

2.2 试件的表面处理

被测表面与电阻应变片之间是否能牢固地粘在一起，是直接影响被测物与应变片变形传递的关键。为使应变片能够粘贴牢固，应对被测表面进行专门处理。

从工程实践表明对于钢（或其他金属）试件，可通过采用砂轮片、钢丝刷等对试件去锈，去锈的长度比应变片长2～3倍。螺纹钢筋在不损伤有效面积的条件下，磨去几个螺纹。去锈以后，需用砂纸（先粗后细）抛光，并达到光洁。抛光结束前的砂削方向应与贴片方向斜交（不要平行）。最后用丙酮棉花擦净贴片处。而对于混凝土试件，用砂轮磨平欲测的混凝土表面部位，然后用环氧树脂胶薄薄地涂刮一层并干燥（一般需要一天）。等底层完全干燥后，用细铁砂纸将表面磨平，注意砂磨方向应与贴片方向斜交。最后用无水酒精棉花擦净贴片处。

2.3 粘贴应变片

目前适用于金属或混凝土的贴片且较常用的胶粘剂为氰基丙烯酸乙酯类粘贴剂，粘贴剂在常温下吸收空气中的微量水分并固化，使用时仅用手指加压0.5～1.0min，便能初步固化，现场使用特别方便。环氧树脂类粘贴剂也可用来贴应变片。贴片时，先看清应变片的位置、方向。把胶水滴在应变片粘贴面上（注意应变片的正反面），片子贴上去以后，盖上一张塑料薄膜，用大拇指轻轻按住片子，挤出气泡和多余的胶水，注意留心电阻片的位置和方向不能移动。由于粘贴剂是一种快干型粘贴剂，所以操作过程中需要熟练技术和经验。

2.4 应变片的干燥处理和质量检查

应变片粘贴后必须使粘贴剂充分干燥，以保证应变片能够传递试件的变形，同时保证应变片的绝缘度，不致引起读数漂移。应变片的干燥方法可以分为自然干燥和人工干燥。当温度大于15℃，相对湿度低于60%时，可通过采用自然干燥，干燥时间一般需要24h。人工干燥就是用红外灯泡或电吹风烘烤，温度一般控制在50℃以下，干燥时间一般只需1h。应变片的粘贴质量主要是指粘贴层的好坏，几何位置是否正确、粘贴层是否有气泡、引出线是否完好等等。还有一个与粘贴质量有关的因素是试件与应变片引出线之间的绝缘度（绝缘度达不到要求会使仪器产生漂移），这个绝缘度值至少要大于100MΩ，对测量时间较长的情况，应在200MΩ以上。

2.5 应变片的防潮处理

对应变片进行干燥处理和质量检查后，应及时对应变片进行防潮处理，这对野外试验是必须的。应变片的短期防潮处理比较简单。对于应变片的长期防潮，一般采用环氧树脂配固化剂，也可将石蜡和松香加热熔化后使用。

2.6 应变片的导线连接

在每片应变片的引出线下面贴一条接线端子，把应变片的引出线和后续接线一起焊在过桥上。应变片的连接导线与采用的应变仪器和测试内容有关。

3 惠斯顿电桥温度补偿处理技巧

对于接入电桥的电阻应变片的电阻值随温度变化，这一变化当然要引起电桥输出电压，一般每升温1℃，应变放大器输出的变量可达几十微应变。显然，这是非受力应变，需要排除。根据应变电桥的输出特性，应用上不难对温度进行补偿，只要用一片和工作片（贴在被测件上的应变片）阻值、灵敏系数和电阻温度系数都相同的应变片，把它贴在一块与被测件材料相同而不受力的试件上，并使它们处于同一温度场，电桥连接时使工作片和补偿片处在相邻桥臂中（如图1所示），这样温度变化就不会造成电桥的输出电压。

图1 温度补偿

实际使用上，补偿片可采用单点补偿多点的办法，具体补多少点要根据被测物的材料特性、测点位置及环境条件决定。一般（钢结构或混凝土）桥梁应变测量，可以一补十。但必须注意，在特别严格或特殊场合，要求单独进行补偿。

4 电阻应变仪及数据采集系统

由机械应变引起的电阻应变片阻值的变化通常很小，很难直接检测出来，必须依靠放大仪器将信号放大。电阻应变仪是电阻应变片的专用放大仪器，其中测量电路涉及电阻应变计和电阻应变仪之间的连接方法，显然掌握其电学原理，才能够正确地进行应变测量。测量电路的作用是将应变片的电阻变化转化为电压或电流的变化，这种转化是通过惠斯顿电桥实现的。

从实践情况来看，动态应变数据的采集比静态要复杂，特别是对多路采集系统来说，不仅要满足采样、速度、精度、信号再现等方面的要求，而且还要求便携性，这是有一定难度的。以往动态应变信号采集系统中，多个应变的测量和信号的放大要靠多通道动态应变仪去完成，所以难以做到静态应变测量那样既多路又便携。但随着计算机技术飞速发展正在并已经改变了这一切，便携式多通道动态应变测试分析系统，已可用于桥梁结构的动态应变采集。

5 结语

文章通过结合实践经验，着重论述桥梁检测中应变电测的应用技术，并以应变检测为例介绍检测桥梁中的检测原理、方法，具体提出电阻应变计的选用等，为同行提供参考借鉴。

［1］李文英，蒋敦斌，刘元红.智能型便携式桥梁应变检测仪［J］.天津师范大学学报：自然科学版，2001，28（9）：118-119.

［2］蒲建雄.应变检测法在桥梁工程实际中的应用［J］.甘肃科技，2004，31（8）：31-33.

［3］吕少峰，胡大琳，闫光辉.桥梁结构检测新技术研究［J］.上海建设科技，2012，23（6）：11-15.