CN101451903B - 一种半封闭单支连通管式桥梁挠度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种桥梁挠度监测装置及方法，在桥台无变形处设定为初始测点，而后沿有变形主梁依次设定各主梁测点，各测点处的测点仪表安装支架上均固定有相同的气柱调节器，初始测点处不设置液柱调节器，各主梁测点处的测点仪表安装支架上均固定有相同的液柱调节器，注有液体的各单支连通管的前端连接于前一测点的气柱调节器，后端连接于后一测点的液柱调节器，各气柱调节器经连接管连接到各自测点的气压差传感器的一极，各气压差传感器也固定于各自测点的测点仪表安装支架上，各气压差传感器通过信号传送装置将测试数据传送至数据采集系统，再根据压强与挠度之间的转换关系，将其转换为桥梁各测点的挠度值。

Description

一种半封闭单支连通管式桥梁挠度测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测试桥梁挠度的装置及方法，适用于任意桥跨长度的任意坡度的多个控制测点的静、动态挠度测试，属于桥梁检测及监测技术领域，具体地说是涉及桥梁检测及健康监测过程中的一种高精度及高效率的桥梁静、动态挠度测试装置及方法。

技术背景

在桥梁检测及健康监测过程中，桥梁的挠度值及线形状况作为一种重要的评判参数，对评价桥梁结构的长期和瞬态运营状态，检验该桥的真实受力特性具有重要的理论价值，因此，挠度测量的精度及准确性显得至关重要；同时，运营期中的桥梁在检测过程中一般需短时段封闭交通，且荷载试验工况较多，整个工作过程时效性要求高，由此，在桥梁检测过程中，高效率的桥梁挠度测试同样显得至关重要。在当前桥梁检测及健康监测过程中，桥梁挠度测试一般采取如下方法：1、采用采用水准仪等光学测量仪器测量桥梁挠度，虽然操作简便，但测量精度较低，尤其桥梁检测常在夜间进行，其测量结果受人为影响干扰较大，误差较大，而且当桥梁纵坡较大时，需转点操作，工作效率非常低。2、采用百分表、千分表等位移计测试桥梁挠度，虽精度较高，但固定底座安装不便，且数据采集较为困难，工作效率略低。3、运用光电图像原理，通过采集的图像信号，采用数据处理方法，得出桥梁的挠度值，如专利号为ZL200610095083.2、授权公告号为CN100395515C、名称为“张力线视频挠度测量装置及方法”的发明专利，以及申请号为200710103777.0、公开号为CN101055218、名称为“桥梁挠度和位移的监测装置及监测方法”的发明专利申请，其工作原理复杂，图像数据采集受视距、光线等特定条件的限制，数据处理困难，而且成本较高，尤其在夜间测试时，实际可操作性差。4、基于连通器原理，根据开放式连通管内的液面的变化直接测量桥梁挠度，当桥梁纵坡较大时，通常在每两个测点之间分别连一根连通管，此方法原理简单，但实际测试效果表明：由于液体与管壁之间的粘滞阻力及水与管壁之间的毛细作用，导致测试精度不高，卸载后，回零读数也存在较大误差，同时，由于液体表面张力作用，液面呈非水平面状，其读数也存在较大误差。5、基于连通器原理，直接将挠度转化为管内液体的压力，采用压力变送器将压力变化换成挠度的改变，如专利号为200310108447.2、授权公告号为CN100385201C、名称为“大跨径桥梁挠度监测方法”的发明专利，其方法理论上具有可行性，但实际操作过程中尤其在桥梁跨度较大或测点较多时，由于管内液体与管壁之间的相对流动而产生粘滞阻力，液体的压力会有一定程度的损失，导致测量精度具有一定的误差，并且其仅在长期的桥梁监控中具有一定的实用价值，而在桥梁检测过程中其成本较高，在不封闭交通的情况下，装置现场安装困难。因此，现有桥梁挠度测试装置存在如下缺陷：1、测试精度低，误差较大；2、测试装置安装复杂，数据采集困难，工作效率低下；3、实用性不强，操作困难，成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度、高效率且可操作性强的桥梁挠度测试装置及方法，克服现有挠度测试装置及方法的不足，在每两个测点之间仅需连接单支连通管，连通管两端分别连接液柱调节器、气柱调节器，通过在测点端部密闭小段气体，将液、气耦合压差的改变转变为桥梁挠度的变化，即当某测点位置产生挠度变形时，可将该测点相应的连通管两端液面的液压差转化为该测点端部密闭气柱的气压差，据此推算出两测点间相对挠度值的大小。本挠度测试装置既可实现桥梁静态挠度测试，也可实现桥梁的瞬态挠度测试，具有较高的实用价值。

本发明的技术方案是这样实现的：

桥梁挠度测试装置由测点仪表安装支架a、液柱调节器b、单支连通管c、气柱调节器d、气压差传感器e及信号传送装置f组成，测点仪表安装支架a设置于各拟定的挠度测点处，液柱调节器b、气柱调节器d和气压差传感器e均固定于测点仪表安装支架a上，气柱调节器d的上端与气压差传感器e连接，气压差传感器e再与信号传送装置f连接，由信号传送装置f连接至数据采集系统，两两相邻测点之间通过单支连通管c连接，单支连通管c的一端连接于一个测点的液柱调节器b，另一端连接于另一测点的气柱调节器d。测量方法为：

1、为了消除温度变化等因素导致的液面较大变化，同时使得气压差传感器e读数稳定性好，各气柱调节器d的截面积远大于气柱调节器d和气压差传感器e间的连接管截面积，各液柱调节器b的截面积远大于单支连通管c截面积；

2、各测点0、1、2、......n处的测点仪表安装支架a上均固定有相同的气柱调节器d，初始测点0处不设置液柱调节器b，各主梁测点1、2、......n处的测点仪表安装支架a上均固定有相同的液柱调节器b，后续过程中欲连接于同一单支连通管c两端的气柱调节器d和液柱调节器b的安装标高尽量接近，当桥面有纵坡时，同一测点仪表安装支架a上的气柱调节器d与液柱调节器b的安装于不同高差位置；

3、采用虹吸原理在单支连通管c中灌注液体，为便于操作，单支连通管c可采用塑料透明连接管，注有液体的各单支连通管c的前端连接于前一测点的气柱调节器d，后端连接于后一测点的液柱调节器b，灌注液体时，控制液柱调节器b中存在一定高度的液体，高度范围不限，同时控制气柱调节器d中的液面位置至其顶端在一个尽量小的范围内，以便给气柱始端产生一个放大效应；

4、各气柱调节器d上端通过连接管(可采用塑料透明连接管)连接到各自测点的气压差传感器e的一极，在实际操作时，为方便相对挠度值的压强读数和累加计算，通常连接于负极；

5、各气压差传感器e通过信号传送装置f将测试数据传送至数据采集系统，再根据压强与挠度之间的转换关系，将其转换为桥梁各测点的挠度值；

6、转换计算挠度值时，测点1位置的挠度根据位于桥台的测点0处的气压差传感器e的压强读数得出，测点2位置的挠度由测点0处的气压差传感器e的压强读数与测点1处气压差传感器e的压强读数之和得出，据此类推，测点3位置的挠度由测点0至测点2处气压差传感器e的压强读数累加之和得出，测点n位置的挠度由测点0至测点n-1处所有气压差传感器e的压强读数累加之和得出。

本发明的优点：

1、当桥梁发生挠度变形时，气柱调节器d与连接气压差传感器e的连接管内的气柱由于压强变化发生微小的压缩和伸长，由于气柱体积小，同时由于气柱调节器d及液柱调节器b的辅助作用，因此，在整个测试全过程中，单支连通管c内液体处于准静止状态，有效克服了因管壁与液体之间的相对流动而产生的粘滞阻尼力及毛细效应，避免了测试误差的产生；

2、工作原理简单，理论基础可靠，适用于任意跨度、任意纵坡的桥梁的多个控制测点的静、动态挠度测试及线形监测；

3、成本较低，操作简便，测试仪器各部分组成现场组装方便，测试工作效率高，测试精度高，数据采集方便。

附图说明

图1为本发明无纵坡桥梁挠度测试装置的结构构造示意图。

图2为本发明有纵坡桥梁挠度测试装置的结构构造示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进一步说明，本实施例中气压差传感器e的压强测试精度选取1.0Pa即可满足实际测试要求，其对应的位移测试精度为0.1mm。由于单支连通管c端部密闭了小段气体，以及有气柱调节器d、液柱调节器b的调节作用，在整个测试全过程中，单支连通管c内液体将处于准静止状态。本实施例中单支连通管c内液体采用水，若在温度较低时，可在水中掺加适量的防冻液，若在桥梁健康监测过程中，为了防止单支连通管c内液体挥发及腐蚀，可采用硅油替代水。

图1为本发明无纵坡桥梁挠度测试装置的结构构造示意图。现结合桥台处测点0和主梁上测点1、2来说明本实施例的连接关系。桥梁挠度测试装置由测点仪表安装支架a、液柱调节器b、单支连通管c、气柱调节器d、气压差传感器e及信号传送装置f组成，测点0、1、2处的测点仪表安装支架a上均固定有相同的气柱调节器d和气压差传感器e，除桥台处测点0外，主梁上各测点1、2的测点仪表安装支架a上均固定有相同的液柱调节器b，各气柱调节器d的上端与各自气压差传感器e连接，气压差传感器e再与信号传送装置f连接，由信号传送装置f连接至数据采集系统，两两相邻测点之间通过单支连通管c连接，单支连通管c的一端连接于一个测点液柱调节器b，另一端连接于另一侧点的气柱调节器d。

图2为本发明有纵坡桥梁挠度测试装置的结构构造示意图。当桥面有纵坡时，本实例的连接关系并无差异，但为方便仪器的连接和操作，在各测点位置，可将同一测点仪表安装支架a上的气柱调节器d与液柱调节器b的安装于不同高度位置。当坡度较大时，为测试装置安装及读数方便，可在测试点确定过程中采取增加主梁上的测点数量，以缩短测点的间距，控制高差，有效传递各气压差传感器e的读数至实际方案测点位置。

测量方法为：1)为了消除温度变化等因素导致的液面较大变化，便于的直接读数，各气柱调节器d的直径为8cm、高度为5cm，其上面均通过直径为5mm，长度为10cm塑料透明连接管连接到各自测点的气压差传感器e的负极，气柱调节器d的截面积与气柱调节器d和气压差传感器e间的塑料透明连接管截面积之比大于50，各液柱调节器b采用直径为8cm、高度为8cm的塑料开口圆柱体容器，两两测点间的单支连通管c均采用直径为6mm～8mm、长度随测点间距而定的塑料透明连接管，液柱调节器b的截面积与单支连通管c的截面积之比大于50；2)各测点0、1、2处的测点仪表安装支架a上均固定有相同的气柱调节器d，初始测点0处不设置液柱调节器b，各主梁测点1、2处的测点仪表安装支架a上均固定有相同的液柱调节器b，后续过程中欲连接于同一单支连通管c两端的气柱调节器d和液柱调节器b的安装标高尽量接近，当桥面有纵坡时，同一测点仪表安装支架a上的气柱调节器d与液柱调节器b的安装于不同高差位置；3)采用虹吸原理在单支连通管c中灌注液体，注有液体的各单支连通管c的前端连接于前一测点的气柱调节器d，后端连接于后一测点的液柱调节器b，灌注液体时，控制液柱调节器b中存在一定高度的液体，高度范围不限，其液面至其底部高度为4cm，同时控制气柱调节器d中的液面位置至其顶端在在1cm范围内，以便给气柱始端产生一个放大效应；4)各气压差传感器e通过信号传送装置f将测试数据传送至数据采集系统，再根据压强与挠度之间的转换关系，将其转换为桥梁各测点的挠度值，转换计算挠度值时，测点1位置的挠度根据位于桥台的测点0处的气压差传感器e的压强读数得出，测点2位置的挠度由测点0处的气压差传感器e的压强读数与测点1处气压差传感器e的压强读数之和得出，据此类推，测点3位置的挠度由测点0至测点2处气压差传感器e的压强读数累加之和得出，测点n位置的挠度由测点0至测点n-1处所有气压差传感器e的压强读数累加之和得出。具体说明如下：

设P₀为桥台测点0处气压差传感器e的压强读数；P₁为测点1处气压差传感器e的压强读数；P₂为测点2处气压差传感器e的压强读数；P₃为测点3处气压差传感器e的压强读数；依次类推，P_n为测点n处气压差传感器e的压强读数；u₀为桥台测点0处的挠度值，数值为0；u₁为测点1处的实际挠度值；u₂为测点2处的实际挠度值；u₃测点3处的实际挠度值；u_n为测点n处的实际挠度值。ρ为单支连通管c内液体的密度，g为重力加速度；则各测点挠度与气压差传感器e压强读数的关系为：

u₀＝0    (1)

$u_1=\frac{p_0}{\mathrm{\ρg}}---\left(2\right)$

$u_2=\frac{(p_0+p_1)}{\mathrm{\ρg}}---\left(3\right)$

$u_3=\frac{(p_0+p_1+p_2)}{\mathrm{\ρg}}---\left(4\right)$

$u_n=\frac{\underset{n=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n}{\mathrm{\ρg}}---\left(5\right)$

本挠度测试装置可用于桥梁检测中的静、动态挠度测试及桥梁健康监测过程中桥梁长期的挠度及线形监测测试，并经某实桥检测得以验证。

Claims (2)

1.一种半封闭单支连通管式桥梁挠度测试装置，主要由测点仪表安装支架(a)、液柱调节器(b)、单支连通管(c)、气柱调节器(d)、气压差传感器(e)及信号传送装置(f)组成，其特征是：测点仪表安装支架(a)设置于各拟定的挠度测点处，液柱调节器(b)、气柱调节器(d)和气压差传感器(e)均固定于测点仪表安装支架(a)上，但桥台无变形处的测点仪表安装支架(a)上无液柱调节器(b)，气柱调节器(d)的上端与气压差传感器(e)连接，气压差传感器(e)再与信号传送装置(f)连接，由信号传送装置(f)连接至数据采集系统，两两相邻测点之间通过单支连通管(c)连接，单支连通管(c)的一端连接于一个测点液柱调节器(b)，另一端连接于另一侧点的气柱调节器(d)。

2.根据权利要求1所述的半封闭单支连通管式桥梁挠度测试装置的测量方法，其特征是：

1)为了消除温度变化等因素导致的液面较大变化，同时使得气压差传感器(e)读数稳定性好，各气柱调节器(d)的截面积远大于气柱调节器(d)和气压差传感器(e)间的连接管截面积，各液柱调节器(b)的截面积远大于单支连通管(c)截面积；

2)各测点处的测点仪表安装支架(a)上均固定有相同的气柱调节器(d)，桥台初始测点处不设置液柱调节器(b)，各主梁测点处的测点仪表安装支架(a)上均固定有相同的液柱调节器(b)，后续过程中欲连接于同一单支连通管(c)两端的气柱调节器(d)和液柱调节器(b)的安装标高尽量接近，当桥面有纵坡时，同一测点仪表安装支架(a)上的气柱调节器(d)与液柱调节器(b)的安装于不同高差位置；

3)采用虹吸原理在单支连通管(c)中灌注液体，注有液体的各单支连通管(c)的前端连接于前一测点的气柱调节器(d)，后端连接于后一测点的液柱调节器(b)，灌注液体时，控制液柱调节器(b)中存在一定高度的液体，高度范围不限，同时控制气柱调节器(d)中的液面位置至其顶端在一个尽量小的范围内，以便给气柱始端产生一个放大效应；

4)各气柱调节器(d)上端通过连接管连接到各自测点的气压差传感器(e)的一极；

5)各气压差传感器(e)通过信号传送装置(f)将测试数据传送至数据采集系统，再根据压强与挠度之间的转换关系，将其转换为桥梁各测点的挠度值；

6)转换计算挠度值时，第1测点位置的挠度根据位于桥台的初始测点处的气压差传感器(e)的压强读数得出，第2测点位置的挠度由初始测点处的气压差传感器(e)的压强读数与第1测点处气压差传感器(e)的压强读数之和得出，据此类推，第3测点位置的挠度由初始测点至第2测点处气压差传感器(e)的压强读数累加之和得出，第n测点位置的挠度由初始测点至第n-1测点处所有气压差传感器(e)的压强读数累加之和得出。

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