工程結(jié)構(gòu)試驗摘要：介紹了工程結(jié)構(gòu)試驗的分類、方法以及當前被廣泛研究和關(guān)注的新技術(shù)，闡述了結(jié)構(gòu)試驗的發(fā)展。文章最后論述了今后對土木工程結(jié)構(gòu)試驗與加載檢測新技術(shù)發(fā)展的真切期待和展望。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)試驗；結(jié)構(gòu)測試；方法；新技術(shù)；發(fā)展引言工程結(jié)構(gòu)是由工程材料構(gòu)成的不同類型的承重構(gòu)件(如梁、柱、板等)相互連接的各種組合體。為了對工程結(jié)構(gòu)進行合理的設(shè)計,工程技術(shù)人員必須掌握工程結(jié)構(gòu)在上述各種作用下的實際應(yīng)力和變形狀態(tài),了解工程結(jié)構(gòu)各構(gòu)件實際所具有的強度和安全儲備以及剛度和抗裂性能等。工程結(jié)構(gòu)試驗就是以試驗方式測定結(jié)構(gòu)在各種作用下的相關(guān)數(shù)據(jù)，由此反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的工作性能、承載能力和相應(yīng)的安全度，為結(jié)構(gòu)的安全使用和涉及理論的建立提供重要的依據(jù)。工程結(jié)構(gòu)試驗的分類2.1科學(xué)研究性試驗研究性試驗是以研究和探索為目的,其任務(wù)是通過試驗驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的各種假定,提出新的結(jié)構(gòu)理論,尋求新的更合理的計算方法,或為開發(fā)一種新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝而進行的系統(tǒng)性試驗研究。試驗時要采用專門的或特殊設(shè)計的試驗裝置和先進的量測儀表,對試驗對象在承受各種荷載后的性能進行詳細觀測,取得可靠的數(shù)據(jù),找出規(guī)律,為設(shè)計和施工提供必要的參數(shù)。研究性試驗的試驗對象稱為試件或試驗構(gòu)件。2.2生產(chǎn)鑒定性試驗生產(chǎn)鑒定性試驗以直接服務(wù)于生產(chǎn)為目的,以真實結(jié)構(gòu)為對象,通過試驗檢測是否符合規(guī)范或設(shè)計要求,并作出正確的技術(shù)結(jié)論。這類試驗通常用來解決以下幾方面的問題:1)重大建設(shè)工程的施工工藝試驗和竣工驗收試驗。2)建筑物需要改變使用功能進行擴建、加層或增加使用荷載等。3)具有歷史性、紀念性的古代建筑、近代建筑或其他公共建筑的可靠性鑒定。4)處理工程事故。5)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。工程結(jié)構(gòu)試驗的方法和原理在進行工程結(jié)構(gòu)試驗時，為了對結(jié)構(gòu)物或試件在荷載作用下的實際工作有全面的了解，即為了真實而正確的反映結(jié)構(gòu)的工作，就要求利用各種儀器設(shè)備量測出結(jié)構(gòu)反映的某些參數(shù)，從而為分析結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)提供科學(xué)依據(jù)。因此在開始試驗前，應(yīng)擬定試驗的測試方案，通常包括以下幾方面的內(nèi)容：（1）按整個試驗?zāi)康牡囊螅_定試驗測試項目。測試項目主要是工程結(jié)構(gòu)在荷載的作用下的各種變形，主要分為兩類：一類是反映結(jié)構(gòu)的整體工作狀況，如梁的撓度、轉(zhuǎn)角、支座偏移等，叫作“整體變形”；另一類是反映結(jié)構(gòu)的局部狀況，如混凝土的應(yīng)變、裂縫、鋼筋滑移等，叫作“局部變形”。（2）按確定的量測項目要求，選擇測點的位置。（3）選擇測試儀器和測定方法。擬定的試驗測試方案要與試驗加載程序密切配合，在擬定測試方案時應(yīng)該先把結(jié)構(gòu)加載過程可能出現(xiàn)的變形數(shù)據(jù)計算出來，以便在試驗時能隨時與實際觀測數(shù)據(jù)相比較，及時發(fā)現(xiàn)問題。同時，這些計算數(shù)據(jù)對確定儀器型號以及選擇儀器的量程和精度等也是完全必要的。試驗的加載方式主要有以下幾種：（1）重物加載。在建筑結(jié)構(gòu)試驗和檢驗中重物加載是最經(jīng)常使用的加載方法之一，是使用容重較大的又容易獲得的物質(zhì)對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件施加荷載的方法。（2）機械式加載。機械式加載方法就是利用簡單的機械設(shè)備對結(jié)構(gòu)施加荷載，機械式加載對建筑結(jié)構(gòu)可施加集中荷載。機械式加載的優(yōu)點是加載機械設(shè)備簡單可靠，實現(xiàn)加載容易。（3）氣壓加載。氣壓加載是使用壓縮空氣或高壓氮氣建筑結(jié)構(gòu)施加均布荷載。壓縮空氣和高壓氮氣是通過橡膠氣囊給結(jié)構(gòu)施加荷載的，為了提高氣囊的試驗壓力荷載，結(jié)構(gòu)的四周應(yīng)砌筑支承邊墻，使結(jié)構(gòu)、支承邊墻和地面將氣囊包圍在其中，達到增高氣體荷載壓力的目的。氣壓加載的另一種方法是抽真空，形成大氣壓力差實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的均布加載。氣壓加載適用于對板殼等大面積的結(jié)構(gòu)物施加均布荷載，其優(yōu)點是加卸荷載方便可靠，荷載值穩(wěn)定易控制。（4）液壓加載。液壓加載在建筑結(jié)構(gòu)試驗中是理想的加載方法之一，它不但可以對建筑結(jié)構(gòu)物施加靜荷載，也可施加動荷載。液壓加載的原理清晰，加載設(shè)備操作簡單方便、安全可靠，能產(chǎn)生較大的荷載，而且荷載容易控制，準確穩(wěn)定，并能實現(xiàn)多點同步加載，是目前建筑結(jié)構(gòu)試驗應(yīng)用最廣，技術(shù)先進的加載方法之一。結(jié)構(gòu)試驗與檢測中的若干新技術(shù)分布式應(yīng)變測試技術(shù)應(yīng)變測試是結(jié)構(gòu)試驗與檢測的重要內(nèi)容，通過測試結(jié)構(gòu)有關(guān)部位的應(yīng)變，可以了解其在荷載作用下的應(yīng)力分布情況、內(nèi)力情況，從而了解結(jié)構(gòu)的性能和承載能力等，因此，一般情況下，結(jié)構(gòu)試驗都要進行應(yīng)變測試。傳統(tǒng)的應(yīng)變測試手段包括電阻應(yīng)變測試、千分表應(yīng)變測試、振弦式應(yīng)變傳感器測試。這些測試手段各有優(yōu)缺點，可以滿足不同的工程應(yīng)用環(huán)境和測試精度需要，但這些測試方式都屬于局部的點式測試，無法應(yīng)用于龐大結(jié)構(gòu)的分布式監(jiān)測解決方案。新興的光纖應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)正是基于這種要求而被提出，在近幾年得到了廣泛的關(guān)注與研究，工程應(yīng)用發(fā)展迅速。與傳統(tǒng)的差動電阻式和振弦式傳感器相比，光纖傳感器具有如下優(yōu)點：①光纖傳感器采用光信號作為載體，光纖的纖芯材料為SiO。該傳感器具有抗電磁干擾，防雷擊，防水，防潮，耐高溫，抗腐蝕等特點，適用于水下、潮濕、有電磁干擾等一些條件比較惡劣的環(huán)境，與金屬傳感器相比具有更強的耐久性；②現(xiàn)代的大型或超大型結(jié)構(gòu)，要通過傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)全方位的監(jiān)測相當困難，而且成本較高。但是通過布設(shè)具有分布式特點的光纖傳感器，光纖即作為傳感器又作為傳輸介質(zhì)，可以真正實現(xiàn)長距離、分布式監(jiān)測；③光纖本身輕細纖柔，體積小，重量輕，便于布設(shè)安裝。此外，將其埋入結(jié)構(gòu)物中不存在匹配的問題，對埋設(shè)部位的材料性能和力學(xué)參數(shù)影響較小。分布式光纖傳感技術(shù)是最能體現(xiàn)光纖分布優(yōu)勢的傳感測量方法，它是基于光纖工程中廣泛應(yīng)用的光時域反射OTDR(OpticalTimeDomainReflectmeter)技術(shù)發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)［1。］除了具有普通光纖傳感器的特點外，其最顯著的優(yōu)點就是可以準確地測出光纖沿線任意點上的應(yīng)力、溫度、振動和損傷等信息，無需構(gòu)成回路。如果將光纖縱橫交錯地鋪設(shè)成網(wǎng)狀，可構(gòu)成具備一定規(guī)模的監(jiān)測網(wǎng)，實現(xiàn)對監(jiān)測對象的全方位監(jiān)測，克服傳統(tǒng)點式監(jiān)測漏檢的弊端，提高監(jiān)測的成功率。分布式光纖傳感器應(yīng)鋪設(shè)在結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)損傷或者結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化對外部的環(huán)境因素較敏感的部位以獲得良好的監(jiān)測效果。從上世紀70年代末提出到現(xiàn)在近四十年里，分布式光纖傳感器取得了相當大的發(fā)展，并在以下3個方面獲得了突破：基于瑞利散射的分布式傳感技術(shù)、基于布里淵散射的分布式傳感技術(shù)、基于拉曼散射的分布式傳感技術(shù)。其中基于瑞利散射和拉曼散射的研究已經(jīng)趨于成熟，并逐步走向?qū)嵱没；诓祭餃Y散射的分布式傳感技術(shù)的研究起步較晚，但由于它在溫度、應(yīng)變測量上所達到的測量精度、測量范圍以及空間分辨率均高于其他傳感技術(shù)，因此這種技術(shù)在目前得到廣泛的關(guān)注與研究［2］。光纖可以用作傳感器的原因是，光在光纖中傳輸會發(fā)生散射，包括由光纖中折射率的變化引起的瑞利散射、光學(xué)聲子引起的拉曼散射和聲學(xué)聲子引起的布里淵散射3種類型［3］。瑞利散射是光纖的一種固有特性，當光波在光纖中傳輸時，遇到光纖纖芯中的折射率n在微觀上隨機起伏而引起的線性散射；拉曼散射是入射光波的一個光子被一個分子散射成為另一個低頻光子，同時分子完成其兩個振動態(tài)之間的躍遷；布里淵散射是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結(jié)果。這個傳播的壓力波等效于一個以一定速度（且具有一定頻率）移動的密度光柵［4］，因此，布里淵散射可看作是入射光在移動的光柵上的散射，多普勒效應(yīng)使得散射光的頻率不同于入射光。當某一頻率的散射光與入射光、壓力波滿足相位匹配條件（對光柵來說，就是滿足布拉格（Bragg）衍射條件）時，此頻率的散射光強度為極大值。4.2虛擬儀器技術(shù)數(shù)據(jù)采集與分析是結(jié)構(gòu)試驗的重要環(huán)節(jié)，通常需要由相應(yīng)的儀器完成此工作傳統(tǒng)的測試儀器通常由專門的廠家定制，功能擴展性差、環(huán)境適應(yīng)性差，難以滿足結(jié)構(gòu)試驗及檢測技術(shù)進一步發(fā)展的需求。特別是在結(jié)構(gòu)檢測中，由于安裝環(huán)境往往較為惡劣，傳統(tǒng)儀器體積大、攜帶困難的缺點尤為顯著。虛擬儀器是一個新型概念，是計算機技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。它由用戶定義測量功能，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，便于組成自動測試系統(tǒng)。傳統(tǒng)的測量儀器基本上由硬件或固化的軟件組成，因此傳統(tǒng)儀器設(shè)計復(fù)雜、靈活性差，沒有擺脫獨立使用，手動操作的模式，整個測試過程幾乎僅限于簡單地模仿人工測試的步驟，在一些較為復(fù)雜和測試參數(shù)較多的場合下，使用起來很不方便。計算機科學(xué)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，有力地促進了多年來發(fā)展先對緩慢的儀器技術(shù)。目前正在研究的第三代自動測試系統(tǒng)中，計算機處于核心地位，計算機軟件技術(shù)和測試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成一個有機整體，儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計觀點等都發(fā)生了突破性的變化，出現(xiàn)了新的儀器概念虛擬儀器VI（VirtualInstrument）。由于虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個儀器都被計算機所替代［5］。1986年，美國NI公司提出了虛擬儀器的概念，提出了“軟件即儀器”的口號，徹底打破了傳統(tǒng)儀器性能只能由廠家定義、使用過程中儀器參數(shù)不易更改、且儀器體積龐大，難以攜帶等缺陷。虛擬儀器用一臺計算機即可構(gòu)成整套智能儀器，使用者通過圖形截面進行操作，并能根據(jù)需要設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，可通過軟件的方法修改參數(shù)，以適應(yīng)不同測試情況的需求。其成本低，技術(shù)更新快，還具備良好的可控性，可多次重復(fù)使用，安全經(jīng)濟，不受外界環(huán)境限制等突出優(yōu)點。目前虛擬儀器技術(shù)主要應(yīng)用在機械，能源，電子等領(lǐng)域，在土木工程的結(jié)構(gòu)與橋梁健康監(jiān)測方面也逐漸得到了應(yīng)用。在我國，1979年應(yīng)懷樵教授編寫的《振動測試分析》最早提出了“軟件制造儀器”的構(gòu)想并付諸實施。1985年東方所(COINV)正式成立，提出“把實驗室拎著走”的口號，成為研究中國式DAQ、SPI&VI的代表。目前，應(yīng)懷樵教授課題組發(fā)明的虛擬儀器及100多項創(chuàng)新技術(shù)是一個具有核心自主產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新，這一成果標志著我國虛擬儀器的研究處于世界先進水平［6］。結(jié)構(gòu)試驗的發(fā)展結(jié)構(gòu)試驗的發(fā)展狀況結(jié)構(gòu)試驗的發(fā)展歷史,一般認為開始于17世紀初伽利略進行的梁彎曲試驗,之后胡克又進行了彈簧試驗并建立了著名的胡克定律。18世紀庫侖作了扭轉(zhuǎn)試驗,分析了圓軸的扭轉(zhuǎn),建立了剪切的基本概念。19世紀楊氏用試驗方法測定了拉伸(或壓縮)與剪切的彈性模量,確立了彈性模量的基本概念。到19世紀上述試驗和其他人所進行的研究基本上奠定了材料力學(xué)的基礎(chǔ)。這一階段的試驗與理論保持著十分密切的關(guān)系,并且試驗對于建立強度理論起著極為重要的作用。19世紀的后半葉,在納維葉、泊松、科希、圣維南等人的努力下,使彈性理論已發(fā)展到較為成熟的階段。從20世紀開始,隨著工業(yè)的進步和電學(xué)、光學(xué)等技術(shù)的發(fā)展,給試驗力學(xué)創(chuàng)造了條件,從而也促進了結(jié)構(gòu)試驗的進展。為適應(yīng)整體結(jié)構(gòu)的研究,排除現(xiàn)場試驗中許多外來因素的干擾,國外建立了大型的結(jié)構(gòu)實驗室,有空調(diào)設(shè)備,能做到恒溫恒濕。60年代以來,國外對足尺結(jié)構(gòu)的模擬試驗也做了大量工作。對于特大型結(jié)構(gòu),必須進行足尺試驗時,可將它分解成幾個獨立部件,然后用專門的加載設(shè)備或電液伺服機模擬這些部件的邊界約束條件進行加載,使它的受力情況和在整體結(jié)構(gòu)中的一樣。這樣模擬試驗解決了特大型結(jié)構(gòu)在室內(nèi)進行試驗時所帶來的各種問題[7]。我國結(jié)構(gòu)試驗的發(fā)展解放后我國十分重視結(jié)構(gòu)試驗,在這方面做了許多工作。1953年在長春對25.3m高的酒杯形輸電鐵塔進行了簡單的真型試驗,這是解放后第一次規(guī)模較大的結(jié)構(gòu)試驗。1956年各大學(xué)開始設(shè)置結(jié)構(gòu)試驗課程,各建筑學(xué)研究機構(gòu)和高等學(xué)校也開始建立結(jié)構(gòu)實驗室,同時也開始生產(chǎn)一些測試儀器,全國各地開始對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行試驗。從那時起,我國便初步擁有一支既掌握一定試驗技術(shù),又具有一定裝備的結(jié)構(gòu)試驗專業(yè)隊伍。1957年完成了武漢長江大橋的堅定性試驗任務(wù)。1977年我國制訂了＜建筑結(jié)構(gòu)測試技術(shù)的研究＞的八年規(guī)劃,為使測試技術(shù)達到現(xiàn)代化水平提出了具體的奮斗目標。目前全國土建專業(yè)的各科研機關(guān)、高等學(xué)校都已展開對基本構(gòu)件力學(xué)性能的研究,地震力、振動荷載對結(jié)構(gòu)的影響研究;加載設(shè)備、電液伺服自動控制加載系統(tǒng)的研究;新的特種結(jié)構(gòu)和新的測試技術(shù)的研究,并已取得一定的成果[8]。結(jié)構(gòu)試驗的發(fā)展趨勢國外試驗技術(shù)的發(fā)展特點是測試方法的多樣化和測試儀器的高精度、小型化和電氣化。電測儀器配合傳感器之后,可以將機械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?并使整個測試過程自動化,既節(jié)省了人力,也避免了人為的誤差。此外,還可以進一步做到遙控。電子計算機的應(yīng)用,使測試技術(shù)起了巨大變化。使用電子計算機控制的數(shù)據(jù)收集器,由控制器編制程序,選擇操作方式,用硬件處理數(shù)據(jù),如標定改變、非線性修正、越線報警、測點越限轉(zhuǎn)移等等。這一切把測試技術(shù)引進了一個新的自動化時代。結(jié)論與展望今后我們應(yīng)著重對結(jié)構(gòu)試驗載荷系統(tǒng)進行研究,逐步提高量測精度和測試自動化程度,引用現(xiàn)代物理學(xué)上的新成就和其他先進技術(shù)來解決應(yīng)力、位移、裂縫及振動的量測問題,開展結(jié)構(gòu)模型試驗理論、方法和結(jié)構(gòu)非破損試驗技術(shù)的研究,使建筑結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)達到現(xiàn)代化水平,更好地適應(yīng)和滿足建筑結(jié)構(gòu)科學(xué)發(fā)展的要求。參考文獻徐宏鐘，施斌，張丹等?基于小波分析的BOTDR光纖傳感器信號處理方法[J].光電子?激光，2003,14(7)：737-740.耿軍平，許家棟，韋高?基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的進展[J].測試技術(shù)學(xué)報，2004，16(2)：87-91.張丹，施斌，梁智深.BOTDR分布式光纖傳感器及其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報，2003，36(11):83-87.馬正先，熊建文.OTDR在光纖測試中的應(yīng)用[J].激光雜志，1999,6:1-