野外低温环境条件下工程结构的单系统双环境测试方法

张 军

（总装备部工程兵科研一所，江苏无锡214035）

野外低温环境条件下工程结构的单系统双环境测试方法

张 军

（总装备部工程兵科研一所，江苏无锡214035）

采用单系统双环境的测试方法对野外低温环境条件下的工程结构进行力学性能测试。通过加配测试车来构建双环境。试验时采用单一测试系统，其中测试仪器和测试计算机布置于温度比较高的测试车环境内，将能适应低温的传感器直接固定在工程结构本体上的低温环境内，利用专用的信号线实现传感器与测试仪器之间的数据通讯。位移与应变的对比验证性试验说明了该方法是准确和有效的。钢桁桥野外低温环境条件下的结构动应变测试结果表明，单系统双环境的测试方法可有效地进行野外大型结构的低温力学性能测试。

计量学；低温力学性能测试；工程结构；单系统双环境测试方法；应变；位移；钢桁桥

1 引 言

我国各地的最低气温差别很大，其中温度最低的黑龙江省最低温度达到了-53℃，北京、天津、河北等地的最低温度低于-20℃，在青藏高原高寒地带，最低气温也在-40℃以下。研究表明［1，2］，在低温条件下，结构材料的主要力学性能指标与常温条件下相比将会发生变化。这些变化会或多或少地影响整体结构的承载能力、稳定性、可靠性以及安全性。因此，在野外低温环境条件下对工程结构进行实际使用状态下的位移、应变等力学参数的测试是一项非常有意义的工作。

目前，国内外开展的主要是模拟环境条件下的结构低温试验［3～5］，既有材料等级的小规模低温结构试验，也有在实验室内进行构件和缩比模型的低温结构试验，但是在野外低温环境条件下对工程结构进行现场检测的报道还不多见。本文主要是探索野外低温环境下进行工程结构现场测试方法的可行性与准确性。

2 测试方法简介

2.1 现有测试仪器的工作温度

2.2 单系统双环境测试方法

为了适应低温环境条件下工程结构的应变、位移等力学特性测试，所解决的措施是：试验采用一套测试系统，将系统分为数据采集分析部分和传感部分，另加配测试车。其数据采集部分主要包括测试仪器和含有对应测试软件的测试计算机；传感部分主要包括应变计和位移传感器等传感设备。在野外低温环境条件下进行工程结构检测时，将数据采集部分布置于测试车［6］内，将传感部分如位移传感器、应变计等传感设备直接固定在工程结构本体上。车内的温度可以人为地调节到测试仪器的工作温度范围内，利用能适应低温环境的信号线将传感器与数采前端相连，进而实现低温环境条件下的工程结构力学特性测试。

为了便于工程结构本体上的传感器与车内的数据采集前端进行数据通讯，在测试车车身的侧面设计了对外信号接口。为了防止车内热量的流失，对外信号接口设有2道门，外门采用刚性结构，测试时打开；内门为柔性的防水绒布密封套结构（如图1所示）。

位移传感器和应变计选用可适合低温环境的传感设备。例如位移传感器可选用KS20拉线式位移传感器，该传感器工作温度为-45℃～105℃。应变计可以直接在市面上根据测试环境温度的需求进行选购，如可选用CFLA-1.350-11单栅应变计和CFRA-1.350-11三栅应变花，其工作温度范围为-196℃～50℃。

图1 对外信号接口局部放大图

3 测试准确性试验

单系统双环境测试方法从技术手段上解决了野外低温环境条件下的工程结构力学性能测试可行性问题。下面主要从位移与应变这2个参数入手，通过对比的方法来进行验证性试验。

3.1 位移测试的准确性验证试验

试验采用2只不同环境温度条件下的位移传感器来进行对比试验（如图2所示）。位移传感器采用KS20拉线式位移传感器，测试仪器为DH5902动态数据采集系统。将一只KS20拉线式位移传感器固定于高低温环境箱中，将拉线末端与长木块连接。长木块一端位于环境箱中，另一端位于室内环境条件下。另一只对比校准用的KS20拉线式位移传感器固定于室温环境条件下，拉线末端与长木块另一头相连。

（1）实施汇报：项目单位实行定期定时汇报制度。第一，项目单位在每月下旬报送本月服务数据报表、下月工作计划；第二，项目单位在每季度结束后10日内完成本季度工作自评报告和服务季刊；第三，项目单位在每年度末形成项目特色文字材料；第四，项目单位按时报送全年自评报告；第五，所有上报的资料需通过区县（自治县）民政局婚姻登记机关的审核，由项目管理联络员上报给中心。

试验台架上安装长木块移动轨道，使长木块沿直线运动。安装位移传感器时，两个位移传感器的拉线共线，且通过长木块的对称轴线，并与长木块轨道平行。

图2 位移验证性试验装置

移动长木块，测试不同环境温度条件下位移传感器的位移值，利用两者位移大小相等、方向相反的原理来进行验证性试验。试验时，环境箱内环境温度的顺序为：室温，0℃，-20℃，-30℃，-35℃，-40℃。每个温度条件下（保温30min）进行一次动态位移试验。各温度环境条件下位移传感器的时域曲线如图3所示（t为测试时间；d为位移值），图中3_1 Ch1表示环境箱外部传感器的位移值，3_2 Ch2表示环境箱内部传感器的位移值。

各种温度条件下的两传感器所测结果相对误差如表1所示。

从图3和表1可以看出，2种温度环境条件下的测试结果吻合较好，相对误差不超过5%，说明本文方法的位移测试在-40℃以上的温度环境条件下可以正常工作，且测试结果准确度比较高。

表1 不同温度时传感器测结果相对误差

3.2 应变测试的准确性验证试验

采用等应变悬臂梁来进行试验验证。如图4所示为一等应变悬臂梁结构，该梁长L，梁高h（为常数），固定端梁宽b0。建立直角坐标系，原点在固定端的梁截面形心处，在横坐标x处截面的宽度为b，则该截面的惯性矩为

根据梁弯曲变形原理［7］，该梁的挠曲线近似微分方程可表示为积分得

式中C和D分别为待定常数。

将式（1）代入式（3）中，得

在该梁的固定端，转角和挠度均为零，即

把边界条件（5）和（6）代入式（4），得等应变梁的挠曲线方程

图3 各种温度环境下的位移对比曲线

图4 等应变悬臂梁结构图

最大挠度为梁的自由端，其挠度值f为

悬臂梁的弯曲应变为

对于如图5所示的等应变梁由于弯曲引起的截面最大应变为

由式（8）和式（10），则等应变梁上的应变可以用悬臂梁自由端的挠度来表示：

根据式（11）可以计算出等应变悬臂梁的最大弯曲应变，通过对直接测得的应变结果与理论分析相一致的方法［8］来验证本文测试方法的准确性。

试验装置如图5所示。试验时，将等应变悬臂梁固定端（截面尺寸最大）与底座的刚性部位连接，自由端与滑轮绳索相连，并在自由端处布置前述已验证合格的拉线式位移传感器。等应变梁长320 mm，梁高4 mm。

图5 应变验证性试验装置

在等应变梁的前后表面共布置5个应变片（如图6所示），利用能适应低温环境条件的导线将其与室温环境中的动态应变仪相连，拉线式位移传感器与动态挠度仪相连。等应变梁通过滑轮机构进行加载。

图6 应变片布局图

试验时，试验箱内环境温度的顺序为：室温，0℃，-20℃，-30℃，-35℃，-40℃。各种温度环境条件下各测点应变与测试挠度换算的应变时域变化曲线如图7所示，其中1_1 Ch1、1_2 Ch2、1_3 Ch3、1_4 Ch4、1_5 Ch5分别表示1到5号测点的应变测试结果时域曲线，D S表示利用所测试的位移结果换算的理论应变时域曲线。

各种温度条件下的应变测试结果相对误差如表2所示。

表2 不同温度时应变测试结果相对误差

从图7和表2可以看出，不同温度环境条件下的各测点应变结果与自由端位移换算的理论结果基本上是相符的，换算应变与直接测得的应变之间的误差不超过5%。说明本文所建方法的应变测试可以测试-40℃温度以上环境条件下的结构应变，且测试准确度比较高。

4 野外低温环境下简支钢桁架桥通载试验

在-36℃温度条件下，对某80 m长的简支钢桁架桥在履带车辆荷载通过条件下的结构动态应变问题进行了检测。采用本文的方法，测得桥头斜腹杆（xf）、竖腹杆（sf）以及跨中下弦杆（xx）、上弦杆（sx）的应变动态曲线如图8和9所示。

5 结 语

通过增加测试车建立了野外低温环境条件下工程结构的单系统双环境测试方法。不同温度环境条件下位移和应变的对比试验验证了该方法是合理、可行、准确的。该方法可推广泛应用于野外低温等恶劣环境条件下的结构检测。

图7 各种温度环境下的应变对比曲线

图8 单个履带车辆作用下桥梁应变测点时域曲线

图9 3辆车连续通过桥梁应变测点时域曲线

］

［1］ 王元清.钢结构在低温下脆性破坏的研究［J］.低温建筑技术，1998，28（2）：2-5.

［2］ 王晓哲，王元清，石永久，等.低温对桥梁钢材主要力学性能影响的试验研究［J］.低温建筑技术，2003，3（5）：1-3.

［3］ 王元清，武延民，石永久，等.低温对结构钢材主要力学性能影响的试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2005，2（1）：1-4.

［4］ 侯文崎，叶梅新.低温下钢—混凝土组合结构疲劳试验和极限承载力［J］.中南大学学报（自然科学版），2004，35（6）：1025-1030.

［5］ Lee G C，Shih T S，Chang K C.Mechanical properties of concrete at low temperature［J］.Journal of Cold Regions Engineering，1988，2（1）：13-24.

［6］ Zhang J，Li N，LiW，et al.Mechanical Test System for Large-scale Structures in the Field Environment of Low Temperature［J］.Applied Mechanics and Materials.2013，239-240：617-621.

［7］ 孙玮，梁大开，曾捷，等.灵敏度可调型光纤FBG倾角传感器研究［J］.计量学报，2012，33（6）：1-4

［8］ 杨建良，查开德.光纤缠绕式应变传感器［J］.计量学报，2001，22（4）：305-313

Single System across Two Environments Testing Method for Engineering Structures on the Field Condition under Low Tem perature

ZHANG Jun
（The First Engineers Scientific Research Institute of the General Armaments Department，Wuxi，Jiangsu 214035，China）

The single system across two environments testingmethod is presented for inspectingmechanical parameters of engineering structures on the field condition under low temperature.Two differentenvironments are established by adding testing vehicle.Test can be carried outwith a single test system，in which test instruments and computers are arranged in the vehicle environment of higher temperature，but the low-temperature sensors are fixed on the tested structures in low temperature environment directly.Testing data can be transmitted between the instruments and sensors by special signal wire.A trail of contrast experiments on displacement and strain indicates that the presentmethod is rational and accurate.The results on a steel truss bridge show that the present testingmethod of single system across two environments can test mechanical behaviors of engineering structures on the field condition under low temperature effectively.

Metrology；Mechanical property testing at low-temperature environment；Engineering structures；Testing method of the single system across two environments；Strain；Displacement；Steel truss bridge

TB93

：A

：1000-1158（2015）03-0284-05

10.3969／j.issn.1000-1158.2015.03.13

2013-05-10；

：2013-08-05

张军（1977-），男，安徽枞阳人，工程兵科研一所工程师，博士，主要从事结构分析与试验研究。zj_163mail＠163.com