本發(fā)明涉及橋梁結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，披露了一種橋梁連續(xù)變形檢測裝置及橋梁撓度測量方法。

背景技術(shù)：

為了獲知橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)承載力變化和病害，需要對橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)定期或長期檢測，其中，橋梁變形情況是非常重要的檢測內(nèi)容，與橋梁強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性有內(nèi)在聯(lián)系，對評價橋梁結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)和長期結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)和檢驗(yàn)橋梁的真實(shí)受力特性具有重要的理論價值。

傳統(tǒng)對于橋梁變形測量主要采用百分表法、連通管法、水準(zhǔn)儀法、GPS撓度測量法等，這些方法主要是通過測量離散點(diǎn)的撓度值估算出橋梁理論變形值，但這些方法都不同程度地存在著一些問題和不足：如布設(shè)點(diǎn)少、成本高、精度低、維護(hù)困難、條件苛刻、安裝不便等。因此，提出一種簡單實(shí)用且能夠滿足長期實(shí)時監(jiān)測要求的橋梁連續(xù)變形檢測裝置是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)橋梁變形檢測技術(shù)的種種不足，提出了一種適用于橋梁長期在線監(jiān)測的橋梁變形檢測裝置及橋梁撓度測量方法。本發(fā)明基于激光測距原理，具有精度高、速度快、非接觸、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種公路、鐵路橋梁變形檢測及實(shí)時連續(xù)監(jiān)測。

一種橋梁連續(xù)變形檢測裝置，其特征在于，包括：水準(zhǔn)儀模塊1、測距模塊2、傾角測量模塊3、主控板4、安裝支架5、步進(jìn)電機(jī)6、聯(lián)軸器7、旋轉(zhuǎn)底座8；其中，測距模塊2與旋轉(zhuǎn)底座8通過旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并與步進(jìn)電機(jī)6通過聯(lián)軸器7連接，且底座8固定于安裝支架5的上表面上；傾角測量模塊3固定安裝于測距模塊2外殼上，可與之同步轉(zhuǎn)動；步進(jìn)電機(jī)6的底座、主控板4、水準(zhǔn)儀模塊1根據(jù)安裝要求固定于安裝支架5的上表面上；主控板4為步進(jìn)電機(jī)6、傾角測量模塊3、測距模塊2提供電源與通訊接口。

優(yōu)選的，水準(zhǔn)儀模塊1為安裝支架5提供水平基準(zhǔn)，使得安裝支架5上表面保持水平。

優(yōu)選的，測距模塊2采用具備較高的測距精度和測量響應(yīng)速度的激光式測距模塊，并具備數(shù)據(jù)通訊接口，方便數(shù)據(jù)實(shí)時讀取；測距模塊2具有一個用于安裝旋轉(zhuǎn)軸的孔，并配備軸套、鍵槽、固定銷作為連接件。

優(yōu)選的，主控板4可對控制步進(jìn)電機(jī)6進(jìn)行脈沖控制，使固定于旋轉(zhuǎn)底座8上的測距模塊2和傾角測量模塊3隨著步進(jìn)電機(jī)6步進(jìn)角變化進(jìn)行跟隨；步進(jìn)電機(jī)6、測距模塊2和旋轉(zhuǎn)底座8之間通過聯(lián)軸器7連接；主控板4負(fù)責(zé)整個橋梁連續(xù)變形檢測裝置的供電和通訊，并且通過實(shí)時采集距離和激光測距模塊的信息并根據(jù)算法計(jì)算出橋梁變形情況和撓度。

優(yōu)選的，步進(jìn)電機(jī)6為高精度步進(jìn)電機(jī)，可通過脈沖信號對電機(jī)轉(zhuǎn)子步進(jìn)角進(jìn)行控制。

優(yōu)選的，聯(lián)軸器7為連接步進(jìn)電機(jī)和激光測距模塊連接軸連接器，內(nèi)部具有彈性元件用于減小開關(guān)過程中的沖擊。

優(yōu)選的，旋轉(zhuǎn)底座8為鋼制構(gòu)件，內(nèi)置軸承座，通過旋轉(zhuǎn)軸與激光測距模塊2固定連接。

一種橋梁撓度測量方法，其特征在于，使用上述橋梁連續(xù)變形檢測裝置，通過安裝支架5將橋梁連續(xù)變形檢測裝置安裝在橋墩表面，其中安裝支架5的側(cè)表面通過螺栓將垂直面固定于橋墩面，使得橋梁連續(xù)變形檢測裝置處于水平狀態(tài)，記錄標(biāo)高值h；并且通過主控板4控制步進(jìn)電機(jī)6標(biāo)定傾角測量模塊3；標(biāo)定完成后，主控板4控制步進(jìn)電機(jī)6使測距模塊2對準(zhǔn)橋梁單跨橋墩與橋跨交點(diǎn)處，記錄此時傾角測量θ₁，并開啟測距模塊2，讀取測距值L₁；主控板4控制步進(jìn)電機(jī)6已設(shè)定的步進(jìn)角值進(jìn)行轉(zhuǎn)動，并進(jìn)行下一組傾角測量和測距值測量，直到側(cè)角測量值接近90度，得到多組數(shù)據(jù)，即(L₁，θ₁)至(L_n，θ_n)多組數(shù)據(jù)，并將記錄的多組數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

優(yōu)選的，通過上述方法，根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算出橋梁單跨各個點(diǎn)距地基準(zhǔn)點(diǎn)高度y_n和個點(diǎn)距安裝點(diǎn)位置x_n，得到數(shù)組(x_n，y_n)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)采用多項(xiàng)式擬合或高斯擬合方法得到擬合曲線，其中以橋梁為未加載負(fù)載時的數(shù)組為基準(zhǔn)數(shù)組，擬合曲線為基準(zhǔn)曲線，通過與加載數(shù)據(jù)數(shù)組所擬合的加載測量擬合曲線對應(yīng)值做差得到撓度曲線，其中，撓度曲線的最大峰值為橋梁最大撓度變化值。

y_n＝L_n*sin(θ_n)+h (1)

x_n＝L_n*cos(θ_n) (2)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：

(1)能夠適用于長期連續(xù)測量橋梁變形檢測，進(jìn)一步可進(jìn)行撓度在線監(jiān)測。

(2)能夠?qū)蛄簩?shí)際變形線形曲線，便于后期分析。

(2)裝置操作簡單，精確度高、結(jié)果可靠。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中的橋梁連續(xù)變形檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中使用橋梁連續(xù)變形檢測裝置進(jìn)行橋梁撓度測量的方法示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中通過橋梁連續(xù)變形數(shù)據(jù)處理方法得到的基準(zhǔn)曲線和加載形變曲線。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中處理后得到的橋梁撓度曲線。

附圖標(biāo)記說明：

1-水準(zhǔn)儀模塊、2-測距模塊、3-傾角測量模塊、4-主控板、5-安裝支架、6-步進(jìn)電機(jī)、7-聯(lián)軸器、8-旋轉(zhuǎn)底座。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

橋梁連續(xù)變形檢測裝置

圖1是本實(shí)施例中的橋梁連續(xù)變形檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1中所示，所述橋梁連續(xù)變形檢測裝置包括水準(zhǔn)儀模塊1、測距模塊2、傾角測量模塊3、主控板4、安裝支架5、步進(jìn)電機(jī)6、聯(lián)軸器7、旋轉(zhuǎn)底座8。

測距模塊2與旋轉(zhuǎn)底座8通過旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并與步進(jìn)電機(jī)6通過聯(lián)軸器7連接，且底座8固定于安裝支架5的上表面上；傾角測量模塊3固定安裝于測距模塊2外殼上，可與之同步轉(zhuǎn)動；步進(jìn)電機(jī)6的底座、主控板4、水準(zhǔn)儀1模塊根據(jù)安裝要求固定于安裝支架5的上表面上；主控板4為步進(jìn)電機(jī)6、傾角測量模塊3、測距模塊2提供電源與通訊接口。

水準(zhǔn)儀模塊1為安裝支架5提供水平基準(zhǔn)，使得安裝支架5上表面保持水平。

測距模塊2采用具備較高的測距精度和測量響應(yīng)速度的激光式測距模塊，并具備數(shù)據(jù)通訊接口，方便數(shù)據(jù)實(shí)時讀取；測距模塊2具有一個用于安裝旋轉(zhuǎn)軸的孔，并配備軸套、鍵槽、固定銷等連接件。

傾角測量模塊3具備較高測量精度和響應(yīng)速度，并具備數(shù)據(jù)通訊接口，方便數(shù)據(jù)實(shí)時讀取。

主控板4為整個檢測裝置的控制核心，具備多種常用的接口電路，并為激光測距模塊2、傾角測量模塊3、步進(jìn)電機(jī)6提供電源和通訊電路，通過實(shí)時采集距離和激光測距模塊的信息并根據(jù)算法計(jì)算出橋梁變形情況和撓度。此外，可對步進(jìn)電機(jī)6轉(zhuǎn)動進(jìn)行控制。

主控板4可對控制步進(jìn)電機(jī)6進(jìn)行脈沖控制，使固定于旋轉(zhuǎn)底座8上的測距模塊2和傾角測量模塊3隨著步進(jìn)電機(jī)6步進(jìn)角變化進(jìn)行跟隨；步進(jìn)電機(jī)6、測距模塊2和旋轉(zhuǎn)底座8之間通過聯(lián)軸器7連接；主控板4負(fù)責(zé)整個橋梁連續(xù)變形檢測裝置的供電和通訊。

安裝支架5為L型鋼架，上表面具有較高的加工精度，用于裝置所有模塊的固定。安裝支架5側(cè)表面通過螺栓將垂直面固定于橋墩面，可通過水準(zhǔn)儀模塊1調(diào)整固定螺栓使安裝支架5保持水平，水準(zhǔn)儀模塊1、測距模塊2、傾角測量模塊3、主控板4、步進(jìn)電機(jī)6、聯(lián)軸器7、旋轉(zhuǎn)底座8均水平固定于安裝支架5上表面，進(jìn)而全部保持水平。

步進(jìn)電機(jī)6為高精度步進(jìn)電機(jī)，可通過脈沖信號對電機(jī)轉(zhuǎn)子步進(jìn)角進(jìn)行控制。

聯(lián)軸器7為連接步進(jìn)電機(jī)和激光測距模塊連接軸連接器，內(nèi)部具有彈性元件用于減小開關(guān)過程中的沖擊。

旋轉(zhuǎn)底座8為鋼制構(gòu)件，內(nèi)置軸承座，通過旋轉(zhuǎn)軸與激光測距模塊2固定連接。

橋梁連續(xù)變形檢測裝置使用方法

本實(shí)施例使用實(shí)施例一中所披露的橋梁連續(xù)變形檢測裝置對橋梁撓度變化進(jìn)行檢測。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中使用橋梁連續(xù)變形檢測裝置進(jìn)行橋梁撓度測量的方法示意圖。如圖2中所示，首先，通過安裝支架5將橋梁連續(xù)變形檢測裝置安裝在橋墩表面，其中安裝支架5的側(cè)表面通過螺栓將垂直面固定于橋墩面，使得橋梁連續(xù)變形檢測裝置處于水平狀態(tài)，記錄標(biāo)高值h；并且通過主控板4控制步進(jìn)電機(jī)6標(biāo)定傾角測量模塊3；標(biāo)定完成后，主控板4控制步進(jìn)電機(jī)6使測距模塊2對準(zhǔn)橋梁單跨橋墩與橋跨交點(diǎn)處，記錄此時傾角測量θ₁，并開啟測距模塊2，讀取測距值L₁；主控板4控制步進(jìn)電機(jī)6已設(shè)定的步進(jìn)角值進(jìn)行轉(zhuǎn)動，并進(jìn)行下一組傾角測量和測距值測量，直到側(cè)角測量值接近90度，得到多組數(shù)據(jù)，即(L₁，θ₁)至(L_n，θ_n)多組數(shù)據(jù)，并將記錄的多組數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

橋梁連續(xù)變形數(shù)據(jù)處理方法

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中通過橋梁連續(xù)變形數(shù)據(jù)處理方法得到的基準(zhǔn)曲線和加載形變曲線。圖4是本發(fā)明實(shí)施例中處理后得到的橋梁撓度曲線。

如圖3中所示，根據(jù)測量的測距數(shù)組L_n和θ_n，根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算出橋梁單跨各個點(diǎn)距地基準(zhǔn)點(diǎn)高度y_n和個點(diǎn)距安裝點(diǎn)位置x_n，得到數(shù)組(x_n，y_n)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)擬合曲線，可通過處理軟件進(jìn)行多項(xiàng)式擬合或高斯擬合獲得高的擬合精度曲線。例如，以橋梁為未加載負(fù)載時的數(shù)組為基準(zhǔn)數(shù)組，擬合得到基準(zhǔn)曲線(如圖3中曲線(b))，通過與后續(xù)加載數(shù)據(jù)數(shù)組所擬合的加載測量擬合曲線(如圖3中曲線(a))對應(yīng)值做差，即可求得撓度曲線(如圖4中的曲線(c))，撓度曲線的最大峰值即為橋梁最大撓度變化值。

y_n＝L_n*sin(θ_n)+h (1)

x_n＝L_n*cos(θ_n) (2)

可以理解的是，以上實(shí)施方式僅僅是為了說明本發(fā)明的原理而采用的示例性實(shí)施方式，然而本發(fā)明并不局限于此。對于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)的情況下，可以做出各種變型和改進(jìn)，這些變型和改進(jìn)也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。