磁懸浮式橋梁撓度測量裝置的製作方法

2023-10-11 06:37:24 1

本實用新型屬於橋梁撓度測量技術領域，尤其涉及一種磁懸浮式橋梁撓度測量裝置。

背景技術：

在當今土木工程行業中，撓度測量廣泛地應用於建築、鐵路、橋梁、交通、大壩等結構上。結構的撓度測試是工程人員進行結構設計優化，了解結構受力狀態以及保證結構安全的一個重要環節。例如，在大跨度橋梁的施工過程以及營運過程的長期健康監測、橋梁荷載試驗當中，對關鍵截面的橋梁撓度進行監測和測量，是評價橋梁結構安全狀態的重要指標和依據。

常見的撓度測試方法有水準測量、位移計法、靜力水準法、雷達法等，這些方法均需要在橋外設置固定點，通過測量橋上測點相對於橋外固定點的高程或位移變化來得到橋梁的撓度。位移計法等接觸式測量方法精度高，測試便捷，但當橋梁跨越江、河、山澗等障礙物，或跨越城市道路時，由於不能布設固定支架，存在接觸式位移測量儀器(如位移計等)無法安裝的困難。非接觸式位移監測儀器(如靜力水準儀、雷達等)和水準測量方法，可實現絕大部分橋梁的撓度測試，但在長大橋梁的撓度測試當中，存在比較明顯的缺點：靜力水準儀方法存在現場安裝時間長、成本高、對大縱坡橋梁應用困難；而雷達方法在長大橋梁上的精度無法滿足、測試效率低；水準測量需要逐站傳遞高程，長大橋梁由於測點多，距離遠，一次水準測量時間相當長，人力成本高，同時人為因素影響大。為此，要精準、快速測試長大橋梁撓度變得十分困難，也是目前橋梁檢測工程領域的一大技術難題。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是提供一種磁懸浮式橋梁撓度測量裝置，以實現高精度、便捷地測量橋梁撓度，該裝置及方法廣泛適用於橋梁荷載試驗、健康監控等技術領域。

為解決上述技術問題，本實用新型採用以下技術方案：

磁懸浮式橋梁撓度測量裝置，主要由高精度微型直線電機、外套筒和可調節水平的安裝底座組成；高精度微型直線電機豎直向安裝於外套筒內，外套筒置於安裝底座上；高精度微型直線電機上安裝有懸浮質量塊，高精度微型直線電機頂部安裝有測距儀，高精度微型直線電機具有控制器並由控制器控制為懸浮質量塊提供等於其重力的恆定懸浮力。

高精度微型直線電機為電磁式圓筒直線電機，最大行程大於10cm，最大負載為懸浮質量塊重力的2倍以上。

安裝底座具有三個腳螺旋及一個圓水準泡。

控制器包含懸浮質量塊位置檢測反饋系統。

測距儀選用精度為0.01mm級的高精度測距儀，測量頻率大於10Hz。

高精度微型直線電機和測距儀由供電電池提供電源。

針對現有橋梁撓度測試方法存在的問題，發明人設計製作了一種磁懸浮式橋梁撓度測量裝置，主要由高精度微型直線電機、外套筒和可調節水平的安裝底座組成；高精度微型直線電機豎直向安裝於外套筒內，外套筒置於安裝底座上；高精度微型直線電機上安裝有懸浮質量塊，高精度微型直線電機頂部安裝有測距儀，高精度微型直線電機具有控制器並由控制器控制為懸浮質量塊提供等於其重力的恆定懸浮力。該測量裝置基於磁懸浮原理，利用高精度微型直線電機為懸浮質量塊提供恆定豎向力，使質量塊懸浮的絕對高度保持不變，形成撓度測試當中的固定點(即自身內部實現固定點設置)，直線電機、外套筒和底座則隨著橋梁變形豎向移動，測量懸浮質量塊與外套筒相對豎向距離的變化，即可得到橋梁的撓度。將本實用新型用於橋梁撓度測試，無需設置外部固定點，即可精確測量出橋梁的絕對撓度；且可實現動態撓度測量，並廣泛適用於橋梁荷載試驗、健康監控等技術領域。據此，發明人還建立了相應測量方法。

與現有技術相比，本實用新型的突出優勢具體在於：

(1)通過磁懸浮原理，在裝置內部形成撓度測試固定點，無需如傳統測量方法在橋梁以外設置固定點，因而不存在高程傳遞問題，簡化了撓度測試過程，在長大橋梁當中應用優勢明顯；

(2)本實用新型測量裝置直接安裝於測試點處的橋面之上，無需任何固定支架，無需任何安裝工具，可通過自帶的調節底座調節水平，現場安裝及操作十分便捷，提高了橋梁撓度測試效率；

(3)本實用新型選用高精度直線電機及測距儀，可實現0.1mm精度的撓度測量，滿足了工程的需要，並且儀器密封於外套筒內，不受外界環境因素的幹擾；

(4)可實現橋梁動態撓度測試。

附圖說明

圖1是本實用新型磁懸浮式橋梁撓度測量裝置的結構示意圖。

圖2是本實用新型磁懸浮式橋梁撓度測量裝置中懸浮質量塊的受力示意圖。

圖3是本實用新型磁懸浮式橋梁撓度測量裝置使用狀態參考圖。

圖中：1高精度微型直線電機，2懸浮質量塊，3控制器，4測距儀，5外套筒，6腳螺旋，7圓水準泡，8安裝底座，9供電電池。

具體實施方式

1.基本結構

如圖1所示，磁懸浮式橋梁撓度測量裝置，主要由高精度微型直線電機1、外套筒5和可調節水平的安裝底座組成；高精度微型直線電機豎直向安裝於外套筒內，外套筒置於安裝底座8上；高精度微型直線電機上安裝有懸浮質量塊2，高精度微型直線電機頂部安裝有測距儀4，高精度微型直線電機具有控制器3並由控制器控制為懸浮質量塊提供等於其重力的恆定懸浮力。

其中，高精度微型直線電機為電磁式圓筒直線電機，最大行程大於10cm，最大負載為懸浮質量塊重力的2倍以上。安裝底座具有三個腳螺旋6及一個圓水準泡7，三個腳螺旋可獨立調節，使圓水準泡居中，高精度微型直線電機處於垂直狀態。控制器包含懸浮質量塊位置檢測反饋系統，對懸浮質量塊恆定懸浮力控制精度小於0.1N，對懸浮質量塊位置控制精度小於0.01mm。測距儀選用精度為0.01mm級可動態測量的高精度測距儀，測量頻率大於10Hz，用於測量懸浮質量塊的相對距離變化。高精度微型直線電機和測距儀由供電電池9提供電源。

2.工作原理

如圖2和圖3所示，磁懸浮式橋梁撓度測量裝置直接安裝於橋面上，控制器控制直線電機在直線電機的有效行程內為懸浮質量塊提供等於質量塊重力的恆定懸浮力F。此時，懸浮質量塊只受到豎直向下的自身重力G和直線電機提供的豎直向上的恆定懸浮力F兩個力的作用，當懸浮力始終與質量塊自身重力相等時(F＝G)，質量塊處於一個豎向平衡狀態，質量塊懸浮的絕對高程H始終保持不變，形成撓度測試用固定點。當固定於橋面上的直線電機、外套筒隨著橋梁的變形產生豎向的位移f，由於質量塊處於受力平衡狀態，其懸浮的絕對高程並不隨直線電機改變，只是質量塊與外套筒的豎向相對位置發生改變，相對位置的改變量與外套筒豎向的位移量是相等的，即與橋梁的撓度相等。通過安裝於直線電機頂部的測距儀測量出變形前後質量塊與外套筒相對位置的變化量ΔL，即可得到橋梁的撓度。如變形前質量塊與外套筒頂部的距離為L1，橋梁變形後質量塊與外套筒頂部的距離為L2，則橋梁的撓度即為f＝ΔL＝L1-L2。同時，利用動態測距儀連續測量，即可實現橋梁動態位移的測試。

3.操作步驟

(1)進行撓度測量前，在撓度測點對應的橋面位置，固定安裝磁懸浮式橋梁撓度測量裝置；

(2)通過調節安裝底座三個腳螺旋的旋出量，使圓水準泡中的氣泡居中，此時底座上表面處於水平狀態，而高精度微型直線電機處於垂直狀態；

(3)打開控制器電源，通過控制器將懸浮質量塊位置調節至高精度微型直線電機行程中部位置，保持懸浮力使懸浮質量塊處於靜止懸浮狀態，並設置高精度微型直線電機中推力保持該狀態不變，測得懸浮質量塊絕對高程為H；

(4)測量此時懸浮質量塊相對於外套筒頂部的垂直距離L1；

(5)進行橋梁加載試驗，橋梁在測點位置產生向下的撓度f；此時固定於橋面的安裝底座帶動外套筒和高精度微型直線電機豎直向下移動f，而懸浮質量塊始終處於受力平衡狀態，絕對位置並未隨高精度微型直線電機向下移動而改變，即懸浮絕對高程仍為H；

(6)測量此時懸浮質量塊相對於外套筒頂部的垂直距離L2；

(7)計算橋梁的撓度為f＝ΔL＝L1-L2。

4.應用實例

對某連續剛構橋進行橋梁荷載試驗，需測試加載過程中的主梁撓度，該橋的跨徑組合為85m+160m+85m。該橋總長330m，並且跨越大河，無法布置位移計等傳統撓度測試儀器。而採用水準儀測量方法，需從橋外固定水準點進行一個測回觀測，測試一次的時間長達2個小時，嚴重影響荷載試驗工作效率。此外，此類橋梁對溫度變化較為敏感，2個小時後撓度已隨溫度的改變而發生變化，水準儀的測試值無法真實反映橋梁因加載引起的橋梁變形。

為此，使用前述磁懸浮式橋梁撓度測量裝置，參照上述操作步驟進行。

在進行撓度測試前，在該橋160m跨的跨中對應的橋面位置，固定安裝磁懸浮式橋梁撓度測量裝置。通過調節底座三個腳螺旋的旋出量，使圓水準泡中的氣泡居中，此時底座上表面處於水平狀態，而直線電機處於垂直狀態。打開控制器電源，通過控制器將懸浮質量塊位置調節至直線電機行程中部位置，保持懸浮力，使懸浮質量塊處於靜止懸浮狀態，並設置直線電機中推力保持此狀態不變，懸浮絕對高程H保持不變。測量此時懸浮質量塊相對於外套筒頂部的垂直距離L1＝51.6mm，進行橋梁加載試驗，橋梁在測點位置產生向下的撓度，測量此時懸浮質量塊相對於外套筒頂部的垂直距離L2＝38.1mm，計算出測點處橋梁的撓度為f＝ΔL＝L1-L2＝13.5mm。