桥梁静载试验挠度测试方法

前  言

桥梁挠度测试是桥梁静动载试验测试的关键技术参数，静载试验通过桥梁挠度的测试对桥梁的静力刚度进行评价，动载试验通过动态挠度测试对桥梁的动刚度以及冲击系数、桥梁的行车性能进行综合评价。由于桥梁结构是跨越河流、山谷等地貌地形的构造物，桥下净空的高度以及桥下河流等对桥梁挠度测试的方法的选择都有一定的限制，考虑到挠度测试方法的适用范围、影响测试精度的因素等，桥梁试验中应选择合适的方法对桥梁挠度测试，才能提高测试的精度确保试验结果的评定准确。

桥梁挠度测试的方法按照静动态进行分类可以分为静态挠度的测试和动态挠度的测试两大类。本章节主要介绍桥梁静载试验中静挠度的测试方法，静态挠度测试的方法按照测试原理可以分为：机械式挠度测试、电子式挠度测试、电阻式挠度测试、光学类挠度测试、图像式挠度测试、激光类挠度测试、GPS挠度测试以及雷达类挠度测试等。机械式挠度测试方法最典型的是机械式百分表、千分表等测量方法；电阻式挠度测试采用电阻式位移计利用静态采集系统进行挠度测试；光学类挠度测试仪器传统的有精密水准仪、全站仪等测量设备，此外还有基于光电成像的桥梁挠度仪等；激光类挠度测试主要是利用激光测距的原理，通过激光位移计对桥梁静态度进行测试；图像式桥梁挠度测试方法有基于图像的桥梁挠度仪；GPS挠度测量主要是基于全球定位系统GPS对大跨径桥梁挠度进行静态差分进行静态挠度的测试；雷达类挠度测试主要是利用毫米波雷达对桥梁挠度进行测试。

机械式百分表、千分表

机械式百分表和千分表（见图1）仅能进行桥梁静态挠度的测试，其测试原理是利用机械式测量杆带动齿轮转动来读取位移变化量。机械式百分表和千分表进行桥梁挠度测试都需要使用相对固定不动的支架上进行测试，或将铅锤通过细钢丝吊在测试桥梁的主梁底面，由于细钢丝的变形量可以忽略不计，因此通过测试悬挂铅锤底面的竖向变形值即为桥梁的挠度值（见图2）。

图1 机械式百分表

   图2 百分表进行挠度测试

电子百分表或挠度计

电子百分表或挠度计的测试原理同机械式百分表、千分表测试桥梁挠度的方法类似，可以利用固定支架或悬挂铅锤法进行测试，只是电子百分表不是指针式，而是通过电子元件将位移量采用数字的方式进行显示（见图3）。

图3 电子百分表

光学类挠度测试仪器

1）高精度全站仪

全站仪是集电子经纬仪、光电测距仪和数据记录于一体的测量仪器，通过测站读取斜距、竖直角和水平角来计算桥梁挠度的测试方法。对于大跨径桥梁静载试验，对于变形量较大的主梁跨中、斜拉桥或悬索桥的主塔的变形测量，常采用无棱镜式全站仪进行测试。

2）精密水准仪

精密水准仪能够精密的整平视线和精确的读数，目前常用于桥梁挠度测试的仪器为精密电子水准仪，其将计算机电子与精密水准仪光学技术结合的新型精密水准仪（见图4.3.4）。

图4  精密水准电子水准仪

3）桥梁光电挠度仪

桥梁挠度检测仪将专用靶标固定待测桥梁被测点，使靶标与桥梁有机的结合起来形成共振，将桥梁震动转换成特定波长的光源震动，通过光学解析系统将待测光信号解析至专用高精工业CCD，检测靶标在CCD上成像的中心坐标的变化即可精确测量被测桥梁在载荷作用下产生的纵向和横向位移及其对时间的响应曲线。

 前述光学类桥梁挠度测试设备，全站仪和精密水准仪由于采样频率跟不上仅能用于桥梁静态挠度的测试，而桥梁光电挠度仪可以进行静态测试也可以进行动态挠度测试。桥梁挠度仪进行静态挠度测试时需要在桥梁测试部位安装专用靶标，可同时进行多个点静态挠度的测试。静态挠度测试前需要对每个测点进行标定，仪器自动记录测试角度和距离，标定完一个靶标后进行下个靶标的标定，测试时桥梁挠度仪安装标定的靶标位置依次进行多个测点静挠度的测试（见图5）。桥梁挠度仪进行动态挠度测试时仅能对单点的挠度进行动态挠度时程曲线的测试。

图5 桥梁光电挠度仪

图像式桥梁挠度仪

图像式桥梁挠度仪是利用图像散斑识别技术及图像模糊识别技术，准确跟踪被测物上标识点及被测物上点与点之间的运动轨迹，准确测量物体的动静挠度位移。其主要特点：第一无需在被测点上安装靶标或标志点即可进行测量，在特殊工况下使用更为方便；第二：可同时测量多点动态挠度或者静态挠度，效率更快、精度更高；第三：可对挠度值同时进行两位测量，即纵向、尤其是横向的位移测量，解决目前所有仪器存在的技术壁垒；第四：可以采用先拍摄视频录像，事后再进行处理分析的方式，弥补现场测量可能存在的盲点或不足；第五：只需更换个别备件，即可实现多功能测量，比如用于材料力学分析（尤其是高低温、高速冲击、疲劳测试等特殊工况），应变等等。

GPS测量方法

GPS的定位是利用卫星基本三角定位原理，GPS接收装置以测量无线电信号的传输时间来量测距离，以距离来判定卫星在太空中的位置，这是一种高轨道与精密定位的观测方式。GPS对于桥梁挠度的测量精度较低，通常用于变形较大的大跨径桥梁的挠度测试，桥梁静载测试采用静态差分计算精度相对较高，动态挠度采用实时差分计算精度相对较低。

毫米波雷达

毫米波雷达是通过发射、接受电磁波实现微变形测量的设备，其电磁波工作在毫米波波段30～300GHz频域(波长为1～10mm)。毫米波雷达测量原理是利用两次测量接收电磁波干涉测量的相位差来实现目标微变形测量的，近年来在桥梁挠度测试中有广泛的应用。毫米波雷达（见图4.3.6）具有全天候、非接触测量、高精度、多目标同时测量、采样频率高等特点，同传统的挠度测试方法相比具有自身的优势。

图6 毫米波雷达挠度测试仪