橋梁模型試驗(yàn)與新型測(cè)試技術(shù)2019年度研究進(jìn)展

洪彧，楊仕力，劉雨，楊永清，蒲黔輝

(西南交通大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b. 陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，線路對(duì)跨越江河湖海、山川溝壑的需求不斷增加，為適應(yīng)復(fù)雜多變的地理環(huán)境，各種形式的大跨橋梁應(yīng)運(yùn)而生。隨著橋梁設(shè)計(jì)中新材料、新工藝的不斷引入，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的受力特性、安全性、耐久性、適用性等需特別關(guān)注。盡管現(xiàn)代仿真計(jì)算已十分先進(jìn)，但研究人員仍常采用模型試驗(yàn)與仿真模擬相結(jié)合的方式來(lái)掌握結(jié)構(gòu)真實(shí)的受力情況。模型試驗(yàn)與原橋試驗(yàn)相比，具有參數(shù)易控制、環(huán)境條件限制少、經(jīng)濟(jì)性好、針對(duì)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)易收集等優(yōu)點(diǎn)，其對(duì)橋梁工程的發(fā)展有著不可替代的作用[1]。

近年來(lái)，伴隨新材料、智能化裝備以及5G技術(shù)的發(fā)展，橋梁模型試驗(yàn)技術(shù)水平不斷提高。筆者通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研的方式，梳理了2019年度在靜力、疲勞、振動(dòng)臺(tái)、混合試驗(yàn)等方面橋梁模型試驗(yàn)與新型測(cè)試技術(shù)的發(fā)展情況，針對(duì)典型工程案例模型試驗(yàn)及開(kāi)展的相關(guān)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究進(jìn)行評(píng)述，以期為廣大同行開(kāi)展類似研究工作提供參考與思路。

1 靜力模型試驗(yàn)

1.1 主梁靜力試驗(yàn)

主梁作為重要受力構(gòu)件，其承載性能關(guān)系到整橋結(jié)構(gòu)的安全。為最大程度還原主梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)，許多試驗(yàn)采取了對(duì)主梁全截面縮尺或截取局部截面進(jìn)行直接加載的方式。

維修加固方面，李艷等[7]通過(guò)工程纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料修復(fù)既有混凝土梁的彎曲試驗(yàn)，分析了界面粗糙度、ECC層厚度與既有混凝土梁損傷參數(shù)對(duì)修復(fù)梁界面粘結(jié)和受彎性能的影響。

1.2 錨固區(qū)靜力試驗(yàn)

索梁(塔/拱、錨)及預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)等錨固結(jié)構(gòu)是傳力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，通常具有應(yīng)力分布集中、結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)，其力學(xué)性能將直接影響橋梁的安全性與耐久性。錨固區(qū)靜力試驗(yàn)通常直接對(duì)所截取的錨固區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，因而對(duì)錨固區(qū)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦吔鐥l件的模擬、加載的方式顯得尤為重要。同時(shí)，對(duì)于縮尺模型試驗(yàn)，在狹小的內(nèi)部空間如何布設(shè)測(cè)試儀器和如何通過(guò)縮尺模型準(zhǔn)確還原結(jié)構(gòu)行為也是此類靜力試驗(yàn)需要關(guān)注的重點(diǎn)。因而，試驗(yàn)時(shí)常采用增加非考察區(qū)域截面積的方式模擬原橋結(jié)構(gòu)的邊界條件，并減小圣維南效應(yīng)的影響，以達(dá)到應(yīng)力等效的目的。試驗(yàn)時(shí)也常通過(guò)在模型制作過(guò)程中提前布設(shè)測(cè)試儀器的方式來(lái)避免模型制作完成后測(cè)試儀器難布設(shè)的問(wèn)題。

針對(duì)懸索橋纜索錨固系統(tǒng)，王東英等[13]依托綠枝江大橋隧道錨工程，開(kāi)展隧道錨1∶100室內(nèi)三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，通過(guò)將轉(zhuǎn)向后的兩錨碇散股合束來(lái)控制兩錨碇荷載的同步施加，控制油壓泵和空心千斤頂分級(jí)加載，通過(guò)有效模擬散索鞍、主纜散股、預(yù)應(yīng)力管道、鋼絞線等傳力構(gòu)件，真實(shí)地還原了橋梁隧道式錨碇的傳力路徑和特征。

針對(duì)拱橋吊桿錨固區(qū)，詹剛毅等[14]采用靜載試驗(yàn)對(duì)剛架拱連續(xù)梁組合橋的銷鉸索梁錨固區(qū)傳力機(jī)理進(jìn)行了研究，試驗(yàn)采用逐級(jí)加載觀測(cè)其應(yīng)變和裂紋，探究模型試件在試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力變化，明確了吊桿中力的傳遞途徑。

圖1 斜拉橋鋼混組合索塔錨固結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)造[12]Fig.1 Experimental model of the steel-concrete composite cable pylon anchorage structure of a cable stayed bridge [12]

1.3 橋塔靜力試驗(yàn)

圖2 獨(dú)塔斜拉橋塔梁結(jié)合段試驗(yàn)[16]Fig.2 Test on the pylon girder joint section of a single pylon cable stayed bridge [16]

1.4 纜索靜力試驗(yàn)

纜索是斜拉橋和懸索橋等大跨度橋梁的主要承重構(gòu)件，李傳習(xí)等[17]通過(guò)縮尺模型試驗(yàn)研究了空間鋼絲繩主纜在三向荷載作用下截面的扭轉(zhuǎn)特性及扭轉(zhuǎn)角變化規(guī)律，揭示了空間主纜扭轉(zhuǎn)及正反扭原理；沈銳利等[18]通過(guò)縮尺模型試驗(yàn)研究了主纜力作用下的索鞍位移、輥軸接觸應(yīng)力分布規(guī)律和輥軸活動(dòng)性能；徐玉林等[19]對(duì)外包30 mm厚陶瓷纖維的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)纜索的耐火性能進(jìn)行了火災(zāi)試驗(yàn)研究；De Abreu等[20]對(duì)用于斜拉系統(tǒng)或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度冷拔型鋼絲進(jìn)行了拉伸和橫向靜力加載試驗(yàn)，研究了其在承受靜態(tài)橫向和靜態(tài)及循環(huán)軸向載荷的失效行為。

1.5 支座靜力試驗(yàn)

1.6 剪力鍵推出試驗(yàn)

綜上所述，模型試驗(yàn)在探究各種橋梁構(gòu)件的靜力力學(xué)性能中發(fā)揮著重要作用。隨著橋梁結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出輕型化、大型化的發(fā)展趨勢(shì)，更加復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件也隨之出現(xiàn)，必然對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地、試驗(yàn)設(shè)備、邊界條件模擬等有了更高的要求。

圖3 Bamaga設(shè)計(jì)剪力連接件布置[27] Fig.3 Fig.3 Arrangements of shear connectors. [27]

2 疲勞模型試驗(yàn)

2.1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞模型試驗(yàn)

雖然正交異性鋼橋面板在設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和維護(hù)方面進(jìn)行了許多改進(jìn)，但由于直接受車輪的反復(fù)加載而導(dǎo)致其疲勞開(kāi)裂仍然是一個(gè)突出的問(wèn)題。

Shi等[29]為研究鐵路正交異性鋼橋面加勁肋與橫隔板連接處疲勞敏感區(qū)的疲勞性能，進(jìn)行了同時(shí)包含2個(gè)U肋及2個(gè)V肋的正交異性橋面足尺疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D4所示，并進(jìn)行了560萬(wàn)次疲勞加載，該模型將兩種不同形式的閉口肋合并在一起，保證了模型和原橋結(jié)構(gòu)的等效性，突出了閉口肋結(jié)構(gòu)形式對(duì)該疲勞敏感部位疲勞性能的影響，并減少了試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)量和試驗(yàn)流程，提高了試驗(yàn)效率。王會(huì)利等[30]為了研究某斜拉橋錨箱結(jié)構(gòu)的疲勞性能，采用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法評(píng)估了錨箱的疲勞壽命，并通過(guò)足尺模型試驗(yàn)研究了錨箱超長(zhǎng)期服役的疲勞性能。

圖4 正交異性橋面足尺疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚29] Fig.4 Full-scale fatigue test model of the orthotropic bridge deck [29]

圖5 UHPC鋼組合橋面體系典型構(gòu)造形式(左)及加載示意圖(右)[31] Fig.5 Typical structural form of UHPC-steel composite bridge deck system (Left) and loading schematic diagram (Right) [31]

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)橋梁疲勞模型試驗(yàn)

在長(zhǎng)期反復(fù)疲勞荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)橋梁也會(huì)發(fā)生疲勞破壞。宋力等[34]基于現(xiàn)有的測(cè)試方法，結(jié)合光纖光柵傳感技術(shù)和FRP智能鋼絞線感知原理，提出了重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞試驗(yàn)測(cè)試方法，并通過(guò)2根大比例模型梁驗(yàn)證了光纖光柵傳感技術(shù)在預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞試驗(yàn)中應(yīng)用的可行性，分析了重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞損傷演化機(jī)理和特征，為既有重載鐵路橋梁評(píng)估和加固提供了參考。Pu等[35]對(duì)24 m全預(yù)應(yīng)力比亞迪新型跨座式軌道梁足尺模型進(jìn)行了600萬(wàn)次疲勞加載試驗(yàn)(如圖6)，研究了該軌道梁疲勞后的剛度衰減程度。

圖6 軌道梁模型試驗(yàn)裝置及MTS加載系統(tǒng)[35] Fig.6 Model test device of the track beam and MTS loading system [35]

2.3 纜索腐蝕疲勞試驗(yàn)

纜索是懸索橋、斜拉橋的重要組成部分，起著承重連接的重要作用，但纜索的腐蝕疲勞極大地降低了橋梁的使用壽命，影響了結(jié)構(gòu)的使用安全。纜索腐蝕疲勞是交變機(jī)械作用和腐蝕化學(xué)作用共同影響下的脆性斷裂過(guò)程，這種相互作用會(huì)導(dǎo)致材料的抗疲勞性能大大降低，是一種非常惡劣的失效形式。Ma等[36]討論了腐蝕鋼絲缺口尺寸與疲勞壽命的關(guān)系，并使用臨界區(qū)法預(yù)測(cè)了不同腐蝕等級(jí)下纜索鋼絲的疲勞壽命，該方法考慮了缺口試樣的臨界距離和平均應(yīng)力幅值，并在MTS平臺(tái)進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)以驗(yàn)證該理論。Wang等[37]建立了帶腐蝕坑鋼絲的數(shù)值模型，提出了腐蝕介質(zhì)與疲勞載荷耦合的損傷演化模型，描述了鋼絲的腐蝕疲勞損傷演化過(guò)程，并通過(guò)電鏡掃描驗(yàn)證了該理論。

除上述鋼橋結(jié)構(gòu)疲勞、混凝土結(jié)構(gòu)疲勞和纜索腐蝕疲勞研究外，關(guān)于組合結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究逐漸增多，主要集中在研究疲勞引起不同材料界面滑移的機(jī)理、組合結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)，以及疲勞可靠度等。但疲勞模型存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)，加載方式相對(duì)單一，難以模擬多作動(dòng)器復(fù)雜工況下結(jié)構(gòu)的受力等不足。因此，適應(yīng)復(fù)雜工況的疲勞加載設(shè)備，新的疲勞試驗(yàn)技術(shù)是適應(yīng)橋梁發(fā)展趨勢(shì)的研究方向。

3 基于振動(dòng)臺(tái)的橋梁抗震模型試驗(yàn)

3.1 橋梁整體結(jié)構(gòu)抗震模型試驗(yàn)

相比擬靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)，振動(dòng)臺(tái)能較真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)際結(jié)構(gòu)在地震下的響應(yīng)全過(guò)程，是目前抗震研究中應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)方法之一。因此，眾多學(xué)者從橋梁結(jié)構(gòu)形式、施工方法和地震激勵(lì)模式等角度出發(fā)進(jìn)行了大量振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。邵長(zhǎng)江等[38]為研究獨(dú)柱橋墩的抗震性能，設(shè)計(jì)并制作了縮尺圓形截面獨(dú)柱墩簡(jiǎn)支梁橋模型，利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)測(cè)試并分析了橋梁在不同等級(jí)加速度下的損傷狀態(tài)及動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，如圖7所示。

圖7 獨(dú)柱橋墩簡(jiǎn)支梁橋模型[38] Fig.7 Model of the simply supported beam bridge with single column pier [38]

3.2 橋梁局部構(gòu)件抗震模型試驗(yàn)

韓國(guó)慶等[42]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)雙向加載對(duì)成蘭鐵路空心橋墩的動(dòng)力特性及抗震性能進(jìn)行了研究(如圖8所示)，并對(duì)比分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)圓端形薄壁空心墩抗震延性的影響。李佳文等[43]以配筋為0.3%和0.5%的少筋混凝土重力式矩形橋墩為原型設(shè)計(jì)制作了2個(gè)縮尺模型，以探究混凝土重力式橋墩的抗震性能。羅敏敏等[44]為研究加筋土柔性橋臺(tái)復(fù)合結(jié)構(gòu)抗震性能，以美國(guó)特拉華州的Guthrie Run橋的橋臺(tái)為原型制作了縮尺模型，并進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明加筋土柔性橋臺(tái)復(fù)合結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。Wen等[45]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了傳統(tǒng)摩擦擺支座(FPB)和新型三摩擦擺支座(TFPB)在橋梁上應(yīng)用的抗震性能和隔震效果，結(jié)果表明，TFPB能可靠地用于被動(dòng)控制橋梁的地震響應(yīng)，滿足高地震區(qū)基于性能抗震設(shè)計(jì)理念的要求。Brito等[46]通過(guò)單向振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)所提出的一種具有低成本滑動(dòng)擺系統(tǒng)的新型鋼筋混凝土橋墩的抗震性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明，可以通過(guò)建立適當(dāng)?shù)幕瑒?dòng)面半徑，減小傳遞給下部結(jié)構(gòu)的剪力和殘余位移。

圖8 鐵路空心橋墩模型及振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)系統(tǒng)[42] Fig.8 Railway hollow pier model and shaking table test system [42]

目前，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)多采用單個(gè)振動(dòng)臺(tái)對(duì)橋墩、橋塔以及支座進(jìn)行試驗(yàn)，且試驗(yàn)成本較高。隨著復(fù)雜地理環(huán)境下橋梁的規(guī)劃和修建，針對(duì)地震動(dòng)空間效應(yīng)的研究將會(huì)增多，采用地震臺(tái)陣對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)將是抗震試驗(yàn)進(jìn)一步的發(fā)展方向。

4 混合試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)混合試驗(yàn)(hybrid testing)，又稱擬動(dòng)力試驗(yàn)(pseudo-dynamic testing)或聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，是一種將數(shù)值模擬與物理試驗(yàn)相結(jié)合的新興結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法。自1992年提出以來(lái)，廣泛應(yīng)用于房屋結(jié)構(gòu)的抗震性能研究中，并逐漸應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能研究中。清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所、福州大學(xué)、北京建筑大學(xué)、湖南大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在混合試驗(yàn)技術(shù)方面均卓有成就。

袁輝輝等[47]對(duì)雅西高速干海子特大橋鋼管混凝土格構(gòu)柱橋墩縮尺模型進(jìn)行了擬動(dòng)力試驗(yàn)，研究在不同強(qiáng)度地震和主余震作用下此類結(jié)構(gòu)的變形、強(qiáng)度、剛度、耗能等抗震性能。研究結(jié)果表明：平綴管式鋼管混凝土格構(gòu)柱具有良好的抗震性能，在9度罕遇地震作用下，鋼管混凝土柱肢才會(huì)發(fā)生屈服，進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)。通過(guò)鋼管混凝土格構(gòu)柱在各地震工況下的強(qiáng)度與變形的驗(yàn)算，進(jìn)一步表明此類結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備和良好的變形能力，在經(jīng)歷多次強(qiáng)震后仍能保持一定的承載能力，在高烈度地區(qū)的橋梁工程中具有極大的應(yīng)用前景。Mei等[48]為研究剛構(gòu)橋薄壁空心截面高墩的抗震性能，提出了一種基于子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的混凝土本構(gòu)參數(shù)的在線修正混合仿真(UHS)方法，如圖9所示。采用該識(shí)別方法對(duì)一層樓框架內(nèi)的UHS進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證并將UHS應(yīng)用于鋼筋混凝土橋梁。結(jié)果表明，與未進(jìn)行模型更新的標(biāo)準(zhǔn)方法相比，所提出的參數(shù)辨識(shí)方法和相應(yīng)的在線更新方法具有良好的性能和魯棒性。針對(duì)模擬橋梁的地震反應(yīng)，給出了結(jié)構(gòu)的損傷演化和破壞模式。

混合試驗(yàn)可以解決實(shí)際結(jié)構(gòu)因尺寸、質(zhì)量等過(guò)大而引起的超過(guò)試驗(yàn)設(shè)備負(fù)荷等問(wèn)題，相較于純有限元模擬，混合試驗(yàn)中模型的剛度由試驗(yàn)反推得到，它能夠記錄結(jié)構(gòu)在破壞過(guò)程中剛度的真實(shí)變化；相較于擬靜力試驗(yàn)，混合試驗(yàn)?zāi)軌蚋玫亟沂窘Y(jié)構(gòu)在實(shí)際地震荷載作用下的響應(yīng)；相較于傳統(tǒng)擬動(dòng)力試驗(yàn)，混合試驗(yàn)?zāi)芴岣邉?dòng)力方程的求解效率和精度；相較于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，混合試驗(yàn)可以提前定義質(zhì)量參數(shù)，不用擔(dān)心配重不足所引起的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)失真問(wèn)題。然而，目前混合試驗(yàn)在橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能研究中較少，還需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)試驗(yàn)設(shè)備、加載控制系統(tǒng)以及優(yōu)化分析求解方法。

圖9 子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置[48] Fig.9 Test system of the substructure [48]

5 新型測(cè)試技術(shù)

隨著各種數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化現(xiàn)代設(shè)備和儀器的快速發(fā)展，新型測(cè)試技術(shù)不斷涌現(xiàn)，對(duì)模型測(cè)試工作(包括受力狀態(tài)、微小變形、鋼及混凝土材料細(xì)微開(kāi)裂破損等方面的探測(cè)和獲取)的效率和質(zhì)量有著明顯提升作用。按測(cè)試目的大致可以分為以下幾類：1)應(yīng)力應(yīng)變；2)幾何位移；3)振動(dòng)加速度；4)混凝土裂縫及內(nèi)部缺陷探測(cè)；5)金屬裂紋探測(cè)；6)材料破壞探測(cè)等。

5.1 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試

光纖法由于其優(yōu)秀的經(jīng)濟(jì)性，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)。Ye等[49]通過(guò)分布式和離散光纖傳感器(FOS)系統(tǒng)，測(cè)量結(jié)構(gòu)受力過(guò)程中的應(yīng)變變化過(guò)程，與傳統(tǒng)應(yīng)變片相比，大幅提高了測(cè)量精度。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)同樣可應(yīng)用于應(yīng)變測(cè)試，Guo等[50]測(cè)試不同抗壓強(qiáng)度的高強(qiáng)混凝土抗拉性能時(shí)，采用了應(yīng)變測(cè)量和數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)來(lái)確定試樣的變形，如圖10～圖11所示。

圖10 基于DIC技術(shù)觀測(cè)的C80混凝土應(yīng)變分布圖[50] Fig.10 Strain distribution diagram of the C80 concrete based on DIC technology [50]

圖11 傳統(tǒng)應(yīng)變儀與DIC技術(shù)測(cè)得的應(yīng)變對(duì)比[50]Fig.11 Comparison of strain measured by traditional strain gauge and DIC technology [50]

5.2 幾何位移測(cè)試

以往位移計(jì)是測(cè)試結(jié)構(gòu)幾何位移最常用的儀器，隨著激光掃描技術(shù)、光纖傳感技術(shù)等的發(fā)展，新的測(cè)試技術(shù)開(kāi)始在位移測(cè)試中逐步擴(kuò)展。Bonopera等[51]運(yùn)用光纖光柵差分沉降量測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)了預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁位移，避免了監(jiān)測(cè)過(guò)程受環(huán)境影響和需要外部參考的問(wèn)題。Ghaffar等[52]提出了一種基于宏觀彎曲損耗和光功率耦合效應(yīng)的二維位移傳感器設(shè)計(jì)方法。此外，雷達(dá)技術(shù)也可以用于變形、位移測(cè)試，王鵬等[53]將雷達(dá)技術(shù)引入了橋梁振動(dòng)變形測(cè)量與模態(tài)分析中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁動(dòng)靜載試驗(yàn)時(shí)的連續(xù)變形監(jiān)測(cè)與模態(tài)分析。

5.3 振動(dòng)加速度測(cè)試

加速度計(jì)作為一種成熟技術(shù)被廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度測(cè)試，當(dāng)前不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)開(kāi)發(fā)以適應(yīng)新的振動(dòng)測(cè)試需求。Zhang等[54]采用絕緣體上硅技術(shù)對(duì)已有加速度計(jì)進(jìn)行改造，研發(fā)了一種用于結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)測(cè)試的電容式加速度計(jì)，有效提高了測(cè)試靈敏度。目前，還有基于視覺(jué)的振動(dòng)加速度測(cè)試技術(shù)。Luna等[55]使用DIC和常規(guī)方法對(duì)橋梁模型的三維動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及模態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)量，比較發(fā)現(xiàn)DIC技術(shù)可以更精確地監(jiān)測(cè)和捕捉橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

5.4 結(jié)構(gòu)溫度測(cè)試

在土木工程中，對(duì)溫度測(cè)量的精度和范圍一般要求都不高，一般精度在±0.5 ℃之內(nèi)且測(cè)量范圍在-60～120 ℃的溫度傳感器均可。常用溫度傳感器有：熱電偶、集成溫度傳感器和光纖光柵溫度傳感器。其中，光纖光柵溫度傳感器不僅具有易與光纖連接和可靠性高的特點(diǎn)，而且傳輸損耗低、易陣列，能實(shí)現(xiàn)溫度的多點(diǎn)測(cè)量。溫度傳感器可用于監(jiān)測(cè)橋梁溫度場(chǎng)分布，以及測(cè)試混凝土產(chǎn)生的水化熱和溫度變化對(duì)橋梁受力影響[56]。

5.5 混凝土缺陷探測(cè)

圖12 計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)拍攝的纖維混凝土開(kāi)裂照片[58]Fig.12 Cracking of fiber concrete taken by computer tomography [58]

圖13 X射線照相法技術(shù)監(jiān)測(cè)的復(fù)合材料載荷-位移曲線[59] Fig.13 Load-displacement curve of composite materials monitored by X-ray photography [59]

5.6 金屬裂紋探測(cè)

紅外線、金屬磁記憶、聲發(fā)射、渦流法等技術(shù)是金屬裂紋探測(cè)新技術(shù)中的主流，孫杰等[61]提出了采用主動(dòng)式紅外熱成像技術(shù)對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝進(jìn)行檢測(cè)的方法，有效進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)涂裝質(zhì)量的表征，并準(zhǔn)確判斷出涂裝、是否有缺陷及缺陷的形式位置，更可檢測(cè)并放大肉眼不可見(jiàn)缺陷。蘇三慶等[62]進(jìn)行Q235門式剛架擬靜力試驗(yàn)時(shí)，研究了金屬磁信號(hào)在不同受力階段的變化特征，并建立了磁信號(hào)及其梯度值與應(yīng)力集中部位的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)金屬磁記憶技術(shù)較好的判斷了剛架應(yīng)力集中部位，以預(yù)防裂紋產(chǎn)生。渦流法一般用于監(jiān)測(cè)金屬劣化階段，Koichi等[63]分析調(diào)查渦流密度和磁場(chǎng)的分布，提出了一種渦流測(cè)試方法，提高了測(cè)試時(shí)對(duì)高碳纖維增強(qiáng)塑料的分層敏感性，如圖14所示。

圖14 渦流密度的分布[63] Fig.14 Distribution of eddy current density [63]

5.7 材料破壞檢測(cè)

圖15 掃描電鏡觀測(cè)下的鋼絲變形及斷裂缺口[20] Fig.15 Deformation and fracture notch of steel wire observed by scanning electron microscope [20]

現(xiàn)代高科技的引入讓高精度的無(wú)損測(cè)試逐漸成為主流，可更好的保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。主要體現(xiàn)在基于視覺(jué)技術(shù)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)無(wú)接觸測(cè)試、基于放射線、金屬磁記憶等技術(shù)的材料缺陷無(wú)損測(cè)試，以及基于高精度傳感器的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變和變形監(jiān)測(cè)等。然而，此方面也面臨一些問(wèn)題，例如精度較高且靈敏度好的無(wú)損檢測(cè)儀器價(jià)格都比較昂貴；多技術(shù)綜合測(cè)試方法雖已出現(xiàn)，但總體來(lái)說(shuō)還比較缺乏。

6 展望

基于上述研究可知，模型試驗(yàn)是探究各類新結(jié)構(gòu)或新材料力學(xué)性能的最有效手段之一，也是研究復(fù)雜受力結(jié)構(gòu)體系安全性、耐久性、功能性的常用手段，新型測(cè)試技術(shù)的出現(xiàn)也為更深入地探析橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、傳力機(jī)理奠定了基礎(chǔ)，但橋梁模型試驗(yàn)存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、邊界條件難模擬、測(cè)試手段常規(guī)等問(wèn)題，因而需要結(jié)合多種分析及測(cè)試手段開(kāi)展模型試驗(yàn)。關(guān)于橋梁模型試驗(yàn)及測(cè)試技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向，筆者提出以下幾個(gè)建議：

1)試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展與建設(shè)：隨著橋梁跨徑、規(guī)模的不斷發(fā)展，橋梁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸同樣不斷發(fā)展，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缗c規(guī)模同樣越來(lái)越大；相應(yīng)地，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?guī)模越大，試驗(yàn)加載模式亦更復(fù)雜，因此，對(duì)靜動(dòng)力的多向、復(fù)雜加載設(shè)備進(jìn)行研發(fā)的需求增多，如：大噸位多功能液壓伺服機(jī)(以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工況的模擬)、雙向/三向異相位加載系統(tǒng)(在疲勞試驗(yàn)中，需要考慮豎向、橫向、縱向多方向下不同加載力、加載頻率、加載相位的復(fù)雜受力模擬)、大尺寸鹽霧試驗(yàn)箱(溫、濕、鹽侵蝕、荷載耦合模擬復(fù)雜侵蝕環(huán)境)等。

2)高精度新型測(cè)試傳感器的發(fā)展：隨著試驗(yàn)要求的提高，為更深入地研究橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，需要發(fā)展更經(jīng)濟(jì)的高精尖測(cè)試傳感器技術(shù)，同時(shí)也將結(jié)合AI進(jìn)行智能測(cè)試，減少人為干擾，也一定程度保障了操作者的人身完全；此外，未來(lái)橋梁模型試驗(yàn)可能引入更多的醫(yī)療、機(jī)械、航天航空方面的測(cè)試方法，并結(jié)合5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高速無(wú)損傳輸。

3)無(wú)損探傷及金屬斷口電鏡設(shè)施：為了更深入地探究開(kāi)裂或損傷的物理機(jī)理，需利用無(wú)損探傷設(shè)備及時(shí)準(zhǔn)確探測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中混凝土開(kāi)裂、鋼構(gòu)件開(kāi)裂等現(xiàn)象；同時(shí)，后期試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞形態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)展高精度電子顯微鏡也將越來(lái)越重要。

4)模型試驗(yàn)成套技術(shù)的發(fā)展：針對(duì)不同種類的模型試驗(yàn)，從試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)、制作、加載，試驗(yàn)測(cè)試控制與試驗(yàn)后數(shù)據(jù)分析方面發(fā)展成套的試驗(yàn)技術(shù)體系，并結(jié)合數(shù)值分析手段進(jìn)一步拓展模型試驗(yàn)成果。同時(shí)，隨著試驗(yàn)測(cè)試數(shù)量的增多，發(fā)展相關(guān)數(shù)據(jù)的快速處理、測(cè)試誤差分離技術(shù)十分重要，將直接影響試驗(yàn)結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。