專利名稱：一種半封閉單支連通管式橋梁撓度測試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測試橋梁撓度的裝置及方法，適用于任意橋跨長度的任意 坡度的多個控制測點的靜、動態(tài)撓度測試，屬于橋梁檢測及監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具 體地說是涉及橋梁檢測及健康監(jiān)測過程中的一種高精度及高效率的橋梁靜、動 態(tài)撓度測試裝置及方法。
背景技術(shù)：
在橋梁檢測及健康監(jiān)測過程中，橋梁的撓度值及線形狀況作為一種重要的 評判參數(shù)，對評價橋梁結(jié)構(gòu)的長期和瞬態(tài)運營狀態(tài)，4企驗該橋的真實受力特性
具有重要的理論價值，因此，撓度測量的精度及準確性顯得至關(guān)重要；同時， 運營期中的橋梁在檢測過程中一般需短時段封閉交通，且荷載試驗工況較多， 整個工作過程時效性要求高，由此，在橋梁檢測過程中，高效率的橋梁撓度測 試同樣顯得至關(guān)重要。在當前橋梁檢測及健康監(jiān)測過程中，橋梁撓度測試一般 釆取如下方法1、采用采用水準儀等光學測量儀器測量橋梁撓度，雖然操作簡 便，但測量精度較低，尤其橋梁檢測常在夜間進行，其測量結(jié)果受人為影響干 擾較大，誤差較大，而且當橋梁縱坡較大時，需轉(zhuǎn)點操作，工作效率非常低。2、 采用百分表、千分表等位移計測試橋梁撓度，雖精度較高，但固定底座安裝不 便，且數(shù)據(jù)采集較為困難，工作效率略低。3、運用光電圖像原理，通過采集的 圖像信號，采用數(shù)據(jù)處理方法，得出橋梁的撓度值，如專利號為 ZL200610095083. 2、授權(quán)公告號為CN100395515C、名稱為"張力線視頻撓度測 量裝置及方法"的發(fā)明專利，以及申請?zhí)枮?00710103777. 0 、公開號為 CN101055218、名稱為"橋梁撓度和位移的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法"的發(fā)明專利申 請，其工作原理復雜，圖像數(shù)據(jù)采集受視距、光線等特定條件的限制，數(shù)據(jù)處 理困難，而且成本較高，尤其在夜間測試時，實際可操作性差。4、基于連通器 原理，根據(jù)開放式連通管內(nèi)的液面的變化直接測量橋梁撓度，當橋梁縱坡較大 時，通常在每兩個測點之間分別連一根連通管，此方法原理簡單，但實際測試 效果表明由于液體與管壁之間的粘滯阻力及水與管壁之間的毛細作用，導致 測試精度不高，卸載后，回零讀數(shù)也存在較大誤差，同時，由于液體表面張力 作用，液面呈非水平面狀，其讀數(shù)也存在較大誤差。5、基于連通器原理，直接 將撓度轉(zhuǎn)化為管內(nèi)液體的壓力，采用壓力變送器將壓力變化換成撓度的改變， 如專利號為200310108447. 2、授權(quán)公告號為CN100385201C、名稱為"大跨徑橋
梁撓度監(jiān)測方法"的發(fā)明專利，其方法理論上具有可行性，但實際操作過程中 尤其在橋梁跨度較大或測點較多時，由于管內(nèi)液體與管壁之間的相對流動而產(chǎn)
生粘滯阻力，液體的壓力會有一定程度的損失，導致測量精度具有一定的誤差， 并且其僅在長期的橋梁監(jiān)控中具有一定的實用價值，而在橋梁檢測過程中其成 本較高，在不封閉交通的情況下，裝置現(xiàn)場安裝困難。因此，現(xiàn)有橋梁撓度測試裝置存在如下缺陷1、測試精度低，誤差較大；2、測試裝置安裝復雜，數(shù) 據(jù)采集困難，工作效率低下；3、實用性不強，操作困難，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高精度、高效率且可操作性強的橋梁撓度測試裝 置及方法，克服現(xiàn)有撓度測試裝置及方法的不足，在每兩個測點之間僅需連接 單支連通管，連通管兩端分別連接液柱調(diào)節(jié)器、氣柱調(diào)節(jié)器，通過在測點端部 密閉小段氣體，將液、氣耦合壓差的改變轉(zhuǎn)變?yōu)闃蛄簱隙鹊淖兓?，即當某測點 位置產(chǎn)生撓度變形時，可將該測點相應(yīng)的連通管兩端液面的液壓差轉(zhuǎn)化為該測 點端部密閉氣柱的氣壓差，據(jù)此推算出兩測點間相對撓度值的大小。本撓度測 試裝置既可實現(xiàn)橋梁靜態(tài)撓度測試，也可實現(xiàn)橋梁的瞬態(tài)撓度測試，具有較高 的實用價值。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的
橋梁撓度測試裝置由測點儀表安裝支架a、液柱調(diào)節(jié)器b、單支連通管c、 氣柱調(diào)節(jié)器d、氣壓差傳感器e及信號傳送裝置f組成，測點儀表安裝支架a設(shè) 置于各擬定的撓度測點處，液柱調(diào)節(jié)器b、氣柱調(diào)節(jié)器d和氣壓差傳感器e均固 定于測點儀表安裝支架a上，氣柱調(diào)節(jié)器d的上端與氣壓差傳感器e連接，氣 壓差傳感器e再與信號傳送裝置f連接，由信號傳送裝置f連接至數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)，兩兩相鄰測點之間通過單支連通管c連接，單支連通管c的一端連接于一 個測點的液柱調(diào)節(jié)器b,另一端連"J妄于另一測點的氣^f主調(diào)節(jié)器d。測量方法為
1、 為了消除溫度變化等因素導致的液面較大變化，同時使得氣壓差傳感器 e讀數(shù)穩(wěn)定性好，各氣柱調(diào)節(jié)器d的截面積遠大于氣柱調(diào)節(jié)器d和氣壓差傳感器 e間的連接管截面積，各液柱調(diào)節(jié)器b的截面積遠大于單支連通管c截面積；
2、 各測點0、 1、 2、 ......n處的測點儀表安裝支架a上均固定有相同的
氣柱調(diào)節(jié)器d,初始測點O處不設(shè)置液柱調(diào)節(jié)器b,各主梁測點l、 2.......n
處的測點儀表安裝支架a上均固定有相同的液柱調(diào)節(jié)器b，后續(xù)過程中欲連接于 同一單支連通管c兩端的氣柱調(diào)節(jié)器d和液柱調(diào)節(jié)器b的安裝標高盡量接近， 當橋面有縱坡時，同一測點儀表安裝支架a上的氣柱調(diào)節(jié)器d與液柱調(diào)節(jié)器b 的安裝于不同高差位置；
3、 采用虹吸原理在單支連通管c中灌注液體，為便于操作，單支連通管c 可采用塑料透明連接管，注有液體的各單支連通管c的前端連接于前一測點的 氣柱調(diào)節(jié)器d，后端連接于后一測點的液柱調(diào)節(jié)器b，灌注液體時，控制液柱調(diào) 節(jié)器b中存在一定高度的液體，高度范圍不限，同時控制氣柱調(diào)節(jié)器d中的液 面位置至其頂端在一個盡量小的范圍內(nèi)，以便給氣柱始端產(chǎn)生一個放大效應(yīng)；
4、 各氣柱調(diào)節(jié)器d上端通過連接管(可采用塑料透明連接管)連接到各自 測點的氣壓差傳感器e的一極，在實際操作時，為方便相對撓度值的壓強讀數(shù) 和累加計算，通常連接于負極；
5、 各氣壓差傳感器e通過信號傳送裝置f將測試數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再根據(jù)壓強與撓度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將其轉(zhuǎn)換為橋梁各測點的撓度值；
6、轉(zhuǎn)換計算撓度值時，測點l位置的撓度根據(jù)位于橋臺的測點0處的氣壓 差傳感器e的壓強讀數(shù)得出，測點2位置的撓度由測點0處的氣壓差傳感器e 的壓強讀數(shù)與測點1處氣壓差傳感器e的壓強讀數(shù)之和得出，據(jù)此類推，測點3 位置的撓度由測點0至測點2處氣壓差傳感器e的壓強讀數(shù)累加之和得出，測 點n位置的撓度由測點0至測點n-1處所有氣壓差傳感器e的壓強讀數(shù)累加之 和得出。
本發(fā)明的優(yōu)點
1、 當橋梁發(fā)生撓度變形時，氣柱調(diào)節(jié)器d與連接氣壓差傳感器e的連接管 內(nèi)的氣柱由于壓強變化發(fā)生微小的壓縮和伸長，由于氣柱體積小，同時由于氣 柱調(diào)節(jié)器d及液柱調(diào)節(jié)器b的輔助作用，因此，在整個測試全過程中，單支連 通管c內(nèi)液體處于準靜止狀態(tài)，有效克服了因管壁與液體之間的相對流動而產(chǎn) 生的粘滯阻尼力及毛細效應(yīng)，避免了測試誤差的產(chǎn)生；
2、 工作原理簡單，理論基礎(chǔ)可靠，適用于任意跨度、任意縱坡的橋梁的多 個控制測點的靜、動態(tài)撓度測試及線形監(jiān)測；
3、 成本較低，操作簡便，測試儀器各部分組成現(xiàn)場組裝方便，測試工作效 率高，測試精度高，數(shù)據(jù)采集方便。


圖1為本發(fā)明無縱坡橋梁撓度測試裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖。 圖2為本發(fā)明有縱坡橋梁撓度測試裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明進一步說明，本實施例中氣壓差傳感器e 的壓強測試精度選取1. OPa即可滿足實際測試要求，其對應(yīng)的位移測試精度為 0. lmm。由于單支連通管c端部密閉了小段氣體，以及有氣柱調(diào)節(jié)器d、液柱調(diào) 節(jié)器b的調(diào)節(jié)作用，在整個測試全過程中，單支連通管c內(nèi)液體將處于準靜止 狀態(tài)。本實施例中單支連通管c內(nèi)液體采用水，若在溫度較低時，可在水中摻 加適量的防凍液，若在橋梁健康監(jiān)測過程中，為了防止單支連通管c內(nèi)液體揮 發(fā)及腐蝕，可采用硅油替代水。
圖1為本發(fā)明無縱坡橋梁撓度測試裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖?，F(xiàn)結(jié)合橋臺處 測點0和主梁上測點1、 2來說明本實施例的連接關(guān)系。橋梁撓度測試裝置由測 點儀表安裝支架a、液柱調(diào)節(jié)器b、單支連通管c、氣柱調(diào)節(jié)器d、氣壓差傳感 器e及信號傳送裝置f組成，測點0、 1、 2處的測點儀表安裝支架a上均固定 有相同的氣柱調(diào)節(jié)器d和氣壓差傳感器e，除橋臺處測點0外，主梁上各測點1、2 的測點儀表安裝支架a上均固定有相同的液柱調(diào)節(jié)器b,各氣柱調(diào)節(jié)器d的上端 與各自氣壓差傳感器e連接，氣壓差傳感器e再與信號傳送裝置f連接，由信 號傳送裝置f連接至數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)，兩兩相鄰測點之間通過單支連通管c連接， 單支連通管c的一端連接于一個測點液柱調(diào)節(jié)器b，另一端連接于另一側(cè)點的氣
5柱調(diào)節(jié)器d。
圖2為本發(fā)明有縱坡橋梁撓度測試裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖。當橋面有縱坡 時，本實例的連接關(guān)系并無差異，但為方便儀器的連接和操作，在各測點位置， 可將同一測點儀表安裝支架a上的氣柱調(diào)節(jié)器d與液柱調(diào)節(jié)器b的安裝于不同 高度位置。當坡度較大時，為測試裝置安裝及讀數(shù)方便，可在測試點確定過程 中采取增加主梁上的測點數(shù)量，以縮短測點的間距，控制高差，有效傳遞各氣 壓差傳感器e的讀數(shù)至實際方案測點位置。
測量方法為1)為了消除溫度變化等因素導致的液面較大變化，便于的直 接讀數(shù)，各氣柱調(diào)節(jié)器d的直徑為8cm、高度為5cm，其上面均通過直徑為5隱， 長度為10cm塑料透明連接管連接到各自測點的氣壓差傳感器e的負極，氣柱調(diào) 節(jié)器d的截面積與氣柱調(diào)節(jié)器d和氣壓差傳感器e間的塑料透明連接管截面積 之比大于50,各液柱調(diào)節(jié)器b采用直徑為8cm、高度為8cm的塑料開口圓柱體 容器，兩兩測點間的單支連通管c均采用直徑為6隱 8mm、長度隨測點間距而 定的塑料透明連接管，液柱調(diào)節(jié)器b的截面積與單支連通管c的截面積之比大 于50; 2)各測點0、 1、 2處的測點儀表安裝支架a上均固定有相同的氣柱調(diào)節(jié) 器d,初始測點O處不設(shè)置液柱調(diào)節(jié)器b,各主梁測點l、 2處的測點儀表安裝 支架a上均固定有相同的液柱調(diào)節(jié)器b,后續(xù)過程中欲連接于同一單支連通管c 兩端的氣柱調(diào)節(jié)器d和液柱調(diào)節(jié)器b的安裝標高盡量接近，當橋面有縱坡時， 同一測點儀表安裝支架a上的氣柱調(diào)節(jié)器d與液柱調(diào)節(jié)器b的安裝于不同高差 位置；3)釆用虹吸原理在單支連通管c中灌注液體，注有液體的各單支連通管 c的前端連接于前一測點的氣柱調(diào)節(jié)器d,后端連接于后一測點的液柱調(diào)節(jié)器b， 灌注液體時，控制液柱調(diào)節(jié)器b中存在一定高度的液體，高度范圍不限，其液 面至其底部高度為4cm,同時控制氣柱調(diào)節(jié)器d中的液面位置至其頂端在在lcm 范圍內(nèi)，以便給氣柱始端產(chǎn)生一個放大效應(yīng)；4)各氣壓差傳感器e通過信號傳 送裝置f將測試數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再根據(jù)壓強與撓度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系， 將其轉(zhuǎn)換為橋梁各測點的撓度值，轉(zhuǎn)換計算撓度值時，測點l位置的撓度根據(jù) 位于橋臺的測點0處的氣壓差傳感器e的壓強讀數(shù)得出，測點2位置的撓度由 測點0處的氣壓差傳感器e的壓強讀數(shù)與測點1處氣壓差傳感器e的壓強讀數(shù) 之和得出，據(jù)此類推，測點3位置的撓度由測點0至測點2處氣壓差傳感器e 的壓強讀數(shù)累加之和得出，測點n位置的撓度由測點0至測點n-l處所有氣壓 差傳感器e的壓強讀數(shù)累加之和得出。具體說明如下
設(shè)尸。為橋臺測點0處氣壓差傳感器e的壓強讀數(shù)；i^為測點1處氣壓差傳 感器e的壓強讀數(shù)；g為測點2處氣壓差傳感器e的壓強讀數(shù)；尸3為測點3處 氣壓差傳感器e的壓強讀數(shù)；依次類推，《為測點n處氣壓差傳感器e的壓強 讀數(shù)；w。為橋臺測點O處的撓度值，數(shù)值為0; ^為測點1處的實際撓度值； "2為測點2處的實際撓度值；^測點3處的實際撓度值；^為測點n處的實際 撓度值。/ 為單支連通管c內(nèi)液體的密度，g為重力加速度；則各測點撓度與氣壓差傳感器e壓強讀數(shù)的關(guān)系為
wn = 0 (1)
l0
A (2)
"2 =
仏=
(3)
(Po + A+P2) (4)
—i
W =^ (5)
本撓度測試裝置可用于橋梁檢測中的靜、動態(tài)撓度測試及橋梁健康監(jiān)測過 程中橋梁長期的撓度及線形監(jiān)測測試，并經(jīng)某實橋檢測得以驗證。
權(quán)利要求
1、一種半封閉單支連通管式橋梁撓度測試裝置，主要由測點儀表安裝支架(a)、液柱調(diào)節(jié)器(b)、單支連通管(c)、氣柱調(diào)節(jié)器(d)、氣壓差傳感器(e)及信號傳送裝置(f)組成，其特征是測點儀表安裝支架(a)設(shè)置于各擬定的撓度測點處，液柱調(diào)節(jié)器(b)、氣柱調(diào)節(jié)器(d)和氣壓差傳感器(e)均固定于測點儀表安裝支架(a)上，但橋臺無變形處的測點儀表安裝支架(a)上無液柱調(diào)節(jié)器(b)，氣柱調(diào)節(jié)器(d)的上端與氣壓差傳感器(e)連接，氣壓差傳感器(e)再與信號傳送裝置(f)連接，由信號傳送裝置(f)連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，兩兩相鄰測點之間通過單支連通管(c)連接，單支連通管(c)的一端連接于一個測點液柱調(diào)節(jié)器(b)，另一端連接于另一側(cè)點的氣柱調(diào)節(jié)器(d)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半封閉單支連通管式橋梁撓度測試裝置的測量方 法，其特征是1) 為了消除溫度變化等因素導致的液面較大變化，同時使得氣壓差傳感器 (e)讀數(shù)穩(wěn)定性好，各氣柱調(diào)節(jié)器(d)的截面積遠大于氣柱調(diào)節(jié)器(d)和氣壓差傳感器(e)間的連接管截面積，各液柱調(diào)節(jié)器(b)的截面積遠大于單支 連通管(c)截面積；2) 各測點(0、 1、 2.......n)處的測點儀表安裝支架(a)上均固定有相同的氣柱調(diào)節(jié)器(d),橋臺初始測點(0)處不設(shè)置液柱調(diào)節(jié)器(b)，各主梁測點(1、 2.......n)處的測點儀表安裝支架(a)上均固定有相同的液柱調(diào)節(jié)器(b)，后續(xù)過程中欲連接于同一單支連通管(c)兩端的氣柱調(diào)節(jié)器(d) 和液柱調(diào)節(jié)器(b)的安裝標高盡量接近，當橋面有縱坡時，同一測點儀表安裝 支架(a)上的氣柱調(diào)節(jié)器(d)與液柱調(diào)節(jié)器(b)的安裝于不同高差位置；3) 采用虹吸原理在單支連通管(c)中灌注液體，注有液體的各單支連通 管(c)的前端連接于前一測點的氣柱調(diào)節(jié)器U)，后端連接于后一測點的液柱 調(diào)節(jié)器(b)，灌注液體時，控制液柱調(diào)節(jié)器(b)中存在一定高度的液體，高度 范圍不限，同時控制氣柱調(diào)節(jié)器(d)中的液面位置至其頂端在一個盡量小的范 圍內(nèi)，以便給氣柱始端產(chǎn)生一個放大效應(yīng)；4) 各氣柱調(diào)節(jié)器(d)上端通過連接管連接到各自測點的氣壓差傳感器(e ) 的一極；5) 各氣壓差傳感器(e)通過信號傳送裝置(f )將測試數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)，再根據(jù)壓強與撓度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將其轉(zhuǎn)換為橋梁各測點的撓度值；6) 轉(zhuǎn)換計算撓度值時，測點(1)位置的撓度根據(jù)位于橋臺的測點(0)處 的氣壓差傳感器(e)的壓強讀數(shù)得出，測點(2)位置的撓度由測點(0)處的 氣壓差傳感器(e)的壓強讀數(shù)與測點(1)處氣壓差傳感器(e)的壓強讀數(shù)之 和得出，據(jù)此類推，測點(3)位置的撓度由測點(0)至測點(2)處氣壓差傳 感器(e)的壓強讀數(shù)累加之和得出，測點(n)位置的撓度由測點(0)至測點(n-1)處所有氣壓差傳感器(e)的壓強讀數(shù)累加之和得出。
全文摘要
本發(fā)明提供一種橋梁撓度監(jiān)測裝置及方法，在橋臺無變形處設(shè)定為初始測點，而后沿有變形主梁依次設(shè)定各主梁測點，各測點處的測點儀表安裝支架上均固定有相同的氣柱調(diào)節(jié)器，初始測點處不設(shè)置液柱調(diào)節(jié)器，各主梁測點處的測點儀表安裝支架上均固定有相同的液柱調(diào)節(jié)器，注有液體的各單支連通管的前端連接于前一測點的氣柱調(diào)節(jié)器，后端連接于后一測點的液柱調(diào)節(jié)器，各氣柱調(diào)節(jié)器經(jīng)連接管連接到各自測點的氣壓差傳感器的一極，各氣壓差傳感器也固定于各自測點的測點儀表安裝支架上，各氣壓差傳感器通過信號傳送裝置將測試數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再根據(jù)壓強與撓度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將其轉(zhuǎn)換為橋梁各測點的撓度值。
文檔編號G01M5/00GK101451903SQ20081023745
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者安群慧, 徐海鷹, 朱世峰, 李榮慶, 汪正興, 波 王, 程寶輝, 童智洋, 陳開利, 馬遠剛 申請人:中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司;中鐵大橋局股份有限公司