为了检验新建桥梁承载力是否符合设计要求，为桥梁竣工验收提供基础资料,或者检验在役旧桥承载力是否满足目标荷载要求，为在役桥梁维修、养护和加固决策提供依据，均需要对桥梁进行荷载试验。截至目前，桥梁荷载试验是唯一一种能够准确评定桥梁承载力的方法。依据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J02-01—2015），静力荷载试验测试参数包括应变、变位、裂缝、倾角和索（杆），其中应变和变位是主要测试内容。应变测试用传感器包括引伸计、电阻应变片、振弦式应变计或光纤光栅式应变计等，以电阻应变片的应用最为广泛。变位测试仪器主要包括机械式变位测试设备（千分表、百分表、连通管和挠度计）及电测设备（电测变形计、水准仪、经纬仪、全站仪、测距仪和机电百分表）等，以机电百分表和水准仪最为常用。应变片虽然尺寸小、灵敏度高，但其安装工序繁琐、工作效率低、测试结果受环境影响很大，数据稳定性差，特别对于加载历程较长的大桥荷载试验，其测试数值漂移较大，给后期数据分析和判断带来困难。用于挠度测试的百分表则需要搭设安装支架，临时设施需要耗费大量人力物力，且无法在水上桥梁、通航（车）桥梁和高墩大跨桥梁应用。水准仪等测量仪器只能在桥面两侧进行变形测试，无法反映横向多片主梁挠度分布状况。因此，急需研发新型应变及变形测量设备，改进和解决目前荷载试验中存在的不足。本文在传统应变和变形测试方法的基础上，提出了新型应变和变形测量方法，研发了相关仪器设备，有效推动了我国桥梁荷载试验测试技术的进步。

传统应变测试方法

1.机械式应变测量方法

机械式应变测量已经有很长的历史，其主要利用百分表或千分表测量变形前后测试标距内的距离变化，从而得到构件测试标距内的平均应变。工程测量中使用的机械式应变测量仪器主要包括手持应变仪和千分表引伸计。机械式应变测量方法主要优点是读数直观、环境适应能力强、可重复性使用等。但需要人工读数，费时费力、精度差，对于应变测点数量众多的桥梁静载试验显然不合适。因此，除了少数室内模型试验的特殊需要，工程结构中很少使用。

2.电阻式应变测量方法

目前工程检测中应用最多的是电阻式应变测量方法。19世纪30年代，英国物理学家Charle Wheatstone首次发现了可以利用惠斯通电桥来测量电阻，奠定了应变电测技术的基础；William Thomson通过试验验证了金属丝在应变作用下其电阻会产生变化，即应变-电阻效应，这就是电阻应变计的工作原理；1936到1938年间，美国A.C.Ruge和E.E.Simmons同时成功研发了电阻丝绕式纸基应变片，1938年粘贴式电阻应变片正式诞生。至今电阻应变片的种类已达两万多种。常用应变片外观如图1～2所示。

图1 单向应变片示意

图2 应变花示意

应变电测法的主要优点是：应变片灵敏度高，尺寸小，容易粘贴牢固，易于实现数字化、自动化测量等。但应变片电测法的缺点也很突出：桥梁静载试验往往要在几米甚至数十米的高空进行电阻应变片的粘贴，操作不便，工作效率低，并且要求工作人员具备一定的贴片技能；应变测量值受现场环境温度、湿度影响很大，长时间加载导致数据漂移过大，给后期分析处理带来极大困难；应变片为一次性使用，无法重复利用等。

3.光纤应变测量方法

光纤传感技术的发展起源于20世纪70年代中期。1989年美国布朗大学的Mendez教授率先提出了将光纤传感技术应用于钢筋混凝土结构的检测中，并阐述了这一研究领域在实际应用中的一些基本构想。在此之后，英国、法国、加拿大、德国、日本等国家也纷纷将光纤传感技术应用于各种桥梁结构试验检测中。我国对光纤传感技术的研究起源于20世纪90年代，同济大学、东南大学、重庆大学等多所高校先后将光纤传感技术应用于桥梁检测中，并且取得了良好的成效。

光纤传感器传输波长信息，波长不会由于光源的功率波动以及连接与耦合的损坏而受到影响。因此，与一般应变测量设备相比，光纤传感器具有抗电磁干扰能力强、传输距离远、温度适应性好、灵敏度高、信号失真小等许多优点。光纤传感器原理及外观示意如图3～4所示。但是，由于传感器的价格比较昂贵，因此在桥梁静载试验中鲜见使用。另外，近年来许多大桥上安装的光纤传感器失效，其原因有待进一步深入研究。

图3 光纤传感器原理

图4 光纤传感器外观示意

4.振弦式应变测量方法

振弦式应变测量传感器的研究起源于20世纪30年代，其工作原理如下：钢弦在一定的张力作用下具有固定的自振频率，当张力发生变化时其自振频率也会随之发生改变。当结构产生应变时，安装在其上的振弦式传感器内的钢弦张力发生变化，导致其自振频率发生变化。通过测试钢弦振动频率的变化值，能够计算得出测点的应力变化值。振弦式传感器外观如图5所示。

图5 振弦式应变测量传感器示意

振弦式应变测量传感器的优点是具有较强的抗干扰能力,在进行远距离输送时信号失真非常小,测量值不受导线电阻变化，温度变化的影响,传感器结构相对简单、制作与安装过程比较方便。但是,由于工艺和材料原因,振弦式传感器不可避免会产生钢弦松弛,从而引起测量误差。钢弦松弛主要体现在两个方面:一是钢弦锚固端产生的松弛,二是钢弦自身材料特性导致的松弛。另一方面,振弦式传感器轴向刚度较大,不能采用粘贴式安装方法,不适合荷载试验应用,一般多用于桥梁施工监控(如图6所示)。

图6 埋入式振弦传感器安装示意

应变测试新技术

在桥梁静动载试验时，如何减小应变测试中的各种干扰因素，提高检测效率和测量数据的可信度，是长期以来工程师们一直在苦苦探索的问题。长安大学经过多年的技术攻关，研发成功了一种可装配式多用途应变测量传感器，成功地应用在了多座桥梁的静动载试验中，有效地解决了桥梁静动载试验中应变测量时遇到的一系列问题，特别是恶劣环境下的应变测试问题。

1.多用途电阻式应变测量传感器工作原理

连杆的一端与应变传感器相连接、另一端与支座相联接，传感器与应变仪连接。使用时将传感器和支座用胶粘贴在构件上被测部位，当构件发生变形时，传感器与支座间发生相对位移ΔL，则可推算出构件被测部位的平均应变值。为了测量ΔL，在传感器内部设计了双悬臂梁结构，梁表面粘贴若干枚高精度应变片，组成了全桥电路，经过封装设计，就形成了如图7所示传感器。

图7 传感器工作原理示意

2.技术特点及应用

该传感器标距可以根据需要选取，因此可用来测量石拱桥拱圈的应变；可以组成应变花，测量结构平面应变；可以跨裂缝粘贴，监测裂缝的变化情况；可装配式结构设计有效地保证了其良好工作性能的长期稳定性。多用途电阻式应变传感器应用如图8～11所示。

图8 单向应变测试

图9 大标距应变测试在圬工结构中的应用

图10 吊杆伸长量测试

图11 混凝土结构裂缝宽度变化监测

传统挠度测试方法

1.机械式挠度测量方法

国内外早期的挠度测量主要为机械式挠度测量方法，如百分表测量法。当进行桥梁挠度测量时，将百分表安装在主梁结构下缘待测部位。主梁发生竖向变形时，其挠度变化将直接反映在百分表的读数上。百分表测量法设备简单，测量结果稳定可靠，可以进行多点检测，直接得到各测点的挠度值。百分表外观如图12所示，在结构变形测量中的应用如图13、14所示。

图12 常用百分表外观示意

图13 试验梁变形测试示意

图14 桥梁静载试验挠度测量示意

百分表测量法在桥梁挠度测量中应用的不足之处主要表现在以下几个方面。采用百分表测量挠度时，需要在各测试截面搭设临时支架或吊拉钢丝，然后在支架上或钢丝另一端安装百分表。安装繁琐，耗时较长，现场使用具有一定的局限性；机械式百分表只能人工读数，占用人力较多，使用不便；受铁路、公路行车限界及桥下障碍物的影响，对跨线桥、跨越山谷、河流的桥梁无法采用百分表法进行测量。

2.电阻式挠度测量方法

电阻式挠度测量方法是将电阻测量与变形测量相结合，将变形测试转换为弯曲应变测试，再利用应变测试技术，实现挠度的测量。电阻式挠度仪常与机械式百分表相结合，形成机电式百分表，广泛应用在结构变形测试中。机电百分表的突出优点是既可直接进行目视读数，也可与应变仪配合电测，进行多点挠度的快速测量。机电百分表外观如图15所示。

图15 机电百分表外观示意

3.激光式挠度测量方法

激光式挠度测量方法主要利用激光良好的方向性来实现结构变形测量。当进行桥梁变形测试时，将激光器安装在桥梁上。随着桥梁的变形，固定在桥梁上的激光器可通过激光光斑位置变化而间接得到桥梁的挠度变化。

激光器固定在桥梁被测结构上,从激光器发出的准直激光束照射在远处固定的半透射接收屏上形成一个圆形光斑。任一时刻,从CCD摄像机输出的模拟视频信号，经图像采集卡采集后可即时进行处理，得到光斑在接收屏上的中心位置。被测结构受外界环境的影响,沿竖向移动了ΔY,由于激光器固定在被测结构上,其结果使得照射在接收屏上的激光光斑也发生相同的位移,通过采集处理前后两次的图片,能够计算出前后两次光斑在接收屏上中心位置的变化,经比较即得到桥梁被测点的挠度变化值。激光图像挠度测量方法的原理如图16所示。

图16 激光图像挠度测量系统原理示意

激光挠度仪的特点是可实现远距离、非接触式测量，避免搭设支架等临时工程。但是，激光挠度仪测试距离不太远，精度较差，当结构变形较小时精度难以保证。

4.水准式挠度测量方法

水准式挠度测量主要借助水准仪进行测量。水准仪由望远镜、水准器及基座三部分组成,主要作用是提供一条水平视线,并能照准水准尺进行读数。其测量示意如图17所示。

图17 水准式挠度测量示意

由于水准测量法原理和仪器构造要求,只能在桥面进行挠度测量。桥梁静载试验时,受加载车辆布载影响，一般只能沿桥梁两侧纵桥向布置测点。受测量距离和测点影响,测试精度较差,效率不高,无法测量横桥向多片主梁的挠度值,也就无法得到桥梁横向挠度分布特征。因此,水准法一般仅用桥下无法安装挠度测点的情况,其应用受到限制。

5.其他挠度测量方法

长安大学研发的QY型挠度测试系统,通过测量分布在桥梁各测点的倾角值，经过专用软件处理后得到桥梁各截面的挠度值、倾角值和曲率值。该方法的核心是在回转摆上利用电容传感技术和无源伺服技术,构成高灵敏度抗振动干扰的倾角测量仪器。

该挠度测量方法克服了以往桥梁挠度测量方法的不足，不仅适用于简支梁和静载情形，也适用于连续梁和动载情形。值得指出的是，利用该方法在每跨的最后一段需做出合理的处理，以“消化”由于前面各段测量误差而引起的误差积累，使得挠度曲线、倾角曲线和曲率曲线更趋合理。实验室对比测量表明，该方法的精度满足工程要求。该挠度计外观及应用如图18～19所示。

图18 挠度计示意

图19 挠度计的工程应用

挠度测试新技术

1.基于图像的远距离挠度测量方法

①单目视觉测量基本原理

单目视觉测量系统可以用中心透视投影的原理解释，如图20所示。被测量的物体表面反射的光线,经过一个针孔投射到成像平面上，物像点的大地实际坐标（x，y，z）和对应的相机成像面的坐标在几何光路中构成一定的关系，实际的坐标经过一步的旋转和一步的平移,可以得到其在相机平面的坐标。

图20 成像模型示意

②挠度测量系统方案

该系统主要由工业CCD、长焦镜头、标靶和软件系统组成。当安装在桥梁上的标靶产生竖向位移时，工业CCD和长焦镜头高频采集标靶上的数字化图像，计算机对采集到的图像进行同步处理，计算出图像中标靶中心坐标的位移。由于已知标靶中心点的实际距离和实际坐标，通过计算采集的图像标志点的像素距离，得到像素距离和实际距离的转换参数，从而将测量得到的标志点的像素位移转换为实际距离。其转化关系如下：

转换参数（mm/pixel）=实际距离（mm）/像素距离（pixel）

通过换算就可以得到标靶的实际位移，从而得到桥梁的挠度变化值。经过后续处理能够观测待测点的静态位移和动态位移，观测实时数据和曲线。单个待测点系统原理示意如图21所示。

图21 测点系统原理示意

③技术优点及应用

基于图像的远距离挠度测量系统具有以下突出优点：1)精度高，10米的距离测试精度可达0.01mm；2)可实现无靶标测量；3)测试距离远,可达到300米以上；4) 适用范围广,大中小型桥梁均可进行测量；5)测试方法简单,方便快捷,易于掌握；6)实现30～100HZ的高频测试，消除工业CCD自身的抖动、环境波动产生的误差等。测试系统在桥梁纵、横向挠度测试中的应用如图22～23所示。

图22 横桥向挠度测试

图23 纵桥向挠度测试

本文主要对桥梁荷载试验中的应变与变形测试方法进行了分析,针对荷载试验应变测试中存在的问题与不足,研发了一种新型多用途应变测量传感器,具有精度高、稳定性好、受环境影响小、安装方便、反复使用等突出优点。可实现预应力混凝土、钢筋混凝土、钢结构、圬工结构的单向及多向应变测试,也可应用于裂缝监测及微小位移监测。

此外，本文还提出了一种基于图像法的远距离挠度测试系统，具有远距离、非接触、精度高、多点同时测量等突出优点。可实现桥梁的远距离静、动态挠度测量，提高了挠度测试效率，可广泛应用于桥梁施工监控及运营期间挠度的长期监测。