公路桥梁施工中应变监测相关技术研究

唐 涛 蔡华俊

(湖北交通职业技学院， 湖北 武汉 430079）

1 公路桥梁结构常用应变传感器原理分析

1.1 振弦式应变传感器工作原理

振动式应变传感器又称为钢弦式传感器，其构成零部件有：弹性壳、钢制弦、紧固夹、激振源及接收线圈，具体结构形式如图1 所示。振动式应变传感器的工作原理为：钢弦应变传感器的端部与端块可靠连接，端块固定在母材上，在外荷载作用下，待侧母材出现变形，带动端部的端块滑动，与其连接的振弦应变传感器受力紧固，产生相应的张拉力，张拉作用下钢弦以一定的频率振动，张拉荷载与钢弦振动频率存在相关关系，建立振动频率与张拉力之间的函数关系，通过测定振弦的频率变化值，间接得出被测母材的应变响应情况[1-3]。

图1 振弦式应变传感器结构形式

公式1 为振弦式应变传感器振动频率、张拉力、长度和质量参数之间的函数关系：

其中，在振弦式应变传感器安装至待测母材上后，由于振弦端部和待测母材可靠连接，二者可以实现协调变形，因此，二者的应变协调关系如下式3 所示：

定量分析上式可知，待测母材的应变值和振弦应变传感器的振动频率的平方值呈正相关关系，因此，测定振弦的振动频率值可以得到待测母材的真实应变值[4]。

定量分析上式可知，待测母材的应变值和振弦应变传感器的振动频率的平方值呈正相关关系，因此，测定振弦的振动频率值可以得到待测母材的真实应变值[4]。

1.2 光栅式应变传感器工作原理

光栅式应变传感器借助光纤实现信息传输，其基本结构形式如下图2所示，光纤的传输核心由光导纤维制成，外包层使用光折射率较低的纤维材料制成，最外层的保护层主要功能是缓冲外部荷载压力，提升光纤传输线的抗拉、压性能，降低光纤的温度敏感性，光纤凭借传输速度快、信息衰减小等优势，广泛应用在光栅式应变传感器中[5]。

图2 光纤传输结构图

光纤光栅式传感器的信息传输原理为：在光纤传输线路内传输的光波信号，在外部温度、荷载、加速度、电磁场等作用的影响下引起的光波信号特征值出现规律性变化，相应的光波信号类型有：光波振动幅值、光波相位值、光波偏振状态、波长等；将传输光波转化为可以被调制和解调的信号源，通过光照探测设备及调制解调器对光波信号的测试能够间接地获取被监测物理量的变化情况。本项目中使用的光纤光栅式传感器实物结构如图3 所示，光纤光栅应变传感器由全金属外壳包装，保护壳和光纤之间的空隙将光纤光栅和待监测母材分离，保证光栅仅能够采集到纵向应变，防止横线应变的影响[6]。

图3 光纤光栅式传感器实物结构

2 桥梁结构施工监控应变测试及分析

2.1 项目概况

本工程建设项目选取二广高速山西省内太长段某多跨连续梁为例，主梁结构形式预应力连续箱梁，箱梁截面形式为单箱单室，沿主梁方向箱梁高度值呈二次抛物线形式变化，主跨跨径分布形式为50+80+50m，公路等级为高速公路。图4、图5 分别为主梁跨径结构分布形式和箱梁截面应变片粘贴分布形式[7]。

图4 主梁跨径结构分布形式

图5 箱梁截面应变片粘贴分布形式

2.2 应变传感器布设及参数采集

本工程建设项目施工方法采用悬臂浇筑施工技术，以3#块浇筑施工为例，在浇筑前，在图5 中所示位置安装振弦式应变传感器及光纤传感器。为了能够准确获取钢筋及箱梁截面腹板位置受力主筋、构造钢筋的应变参数；振弦式传感器的安装方向应与被测试应力方向保持平行；传感器布设完毕后应妥善保护，尤其是传感器线路，防止由于外力振捣和施工荷载影响对零部件造成的影响[8]。图6 为钢筋应变传感器布设实物图。

图6 钢筋应变传感器布设实物

钢筋应变传感器布设完毕后，在具体测试之前应先进行应变预测试工作，以识别和明确布设的应变传感器的存活率，经现场预测试结果表明，传感器存活率为98%，满足设计要求，在3#悬臂浇筑段预应力张拉完成以后，在3#梁段浇筑之前，读取传感器数据并做好记录，并以对应的应变、光纤波长及温度作为初始值作为计算基础。钢筋及混凝土应变采集根据具体的施工环节划分为：混凝土浇筑强度形成后、预应力张拉及悬臂浇筑挂篮移动三个环节。应变数据采集时间点应尽量控制在温差较低的晚上或者凌晨[9]。

2.3 监测点应力测试曲线分析

本文选取图5 中左侧截面中的A 点应力值作为分析对象，图7 分别为3#和4#浇筑节段对应的截面A 位置的应力测试变化曲线。

通过对比分析A 位置应力的光栅测试值、振弦传感器测试值及理论计算值，论证不同应力测试技术的可行性和实际应用价值。分析上图中的3#、4#浇筑节段的三种测试数据可知，三种数据相互之间的偏差值较为明显。以顶腹板的A 点为例，采用光栅传感器采集到的数据和理论计算值吻合程度要明显优于振弦式传感器，说明在工程实际监控中光栅的监测精度总体上要超过振弦传感器。通过对误差及误差成因分析可知，引起三种指标偏差的主要因素有：钢筋混凝土结构中混凝土材料的收缩及徐变因素影响、不同类型传感器的自重及各项性能差异影响、有限元仿真模型计算过程中的结构刚度“过刚”，导致实际应变值低于实际值的影响等。因此，在工程监控费用允许的情况下应尽量选用光栅式传感器，以提高施工监控的精度和可靠性。

3 结束语

通过本次分析可知，光栅传感器和振弦传感器是目前桥梁结构施工监控实践中的主流监控技术，虽然已经明确引起三个计算指标之间偏差的影响因素类型，但是没有对各种偏差进行量化分析。因此，本文认为在后期的桥梁施工监控实践中，应该着重从引起应变偏差的各种影响因素的量化分析和提高应变传感器的自身性能稳定性角度出发，继续提高桥梁工程施工监控的质量和精度；在保证应变采集数据精度和可靠性的基础上，为实现桥梁结构的长期健康监测提供技术基础。