CN106840115A - 磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置及其测量方法 - Google Patents

磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置及其测量方法 Download PDF

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黎力韬
徐赵东
刘世建
王海华
林子安
唐洪泉
莫昭莉
黄娉婷
陈筱圆
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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置，主要由磁悬浮轨道、屏蔽套筒和可调节水平的安装底座组成。该装置基于磁悬浮原理，利用磁悬浮轨道为悬浮质量块提供恒定竖向力，使悬浮质量块悬浮于轨道之上，形成主塔塔顶偏位测试当中的固定点，磁悬浮轨道、屏蔽套筒和底座则随着桥梁塔顶偏位发生水平移动，测量悬浮质量块与屏蔽套筒相对水平距离的变化，即可得到桥梁塔顶的偏位。将本发明应用于桥梁主塔塔顶偏位测试，无需设置外部固定点，即可精确测量出桥梁塔顶的绝对偏位；且可实现塔顶偏位的动态测量，并广泛适用于桥梁荷载试验、健康监控等技术领域。据此，发明人还建立了相应测量方法。

Description

磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置及其测量方法
技术领域
本发明属于桥梁水平偏位测量技术领域，尤其涉及一种磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置及其测量方法。
背景技术
在斜拉桥、悬索桥这类大跨度桥梁当桥，桥塔是重要的承重构件，桥塔塔顶的水平偏位大小是反映全桥受力状态的一个重要指标。在斜拉桥、悬索桥的荷载试验检测、施工控制以及桥梁健康监测当中，主塔塔顶偏位都是重要的测量指标，测量偏位值是了解结构受力状态以及保证结构安全的一个很重要的环节。
常见的主塔塔顶偏位测试方法有全站仪法、GPS法等。全站仪法需要在桥外设置水平坐标不变的固定参考点，再利用全站仪测量塔顶相对于固定参考点的水平坐标变化，利用几何坐标关系计算出塔顶的水平偏位值，但是全站仪法测量需人工对点和人工观测，精度受大气、环境及人为因素影响。GPS法测是利用GPS网络，在塔顶设置GPS接收机，对点位进行坐标解算得到塔顶的水平偏位，虽然GPS法可实现自动测量，并且不需要在桥外设置固定参考点，但是水平精度仅能达到5mm级别，偏位较小的情况下无法满足工程需要，并且GPS测量仪器设备价格很高，1个测点的单价就达几万元，整套系统需要数十万元。为此，要低成本、精准、快速测量斜拉桥、悬索桥主塔塔顶偏位变得十分困难，也是目前桥梁检测工程领域的一大技术难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置及其测量方法，以实现低成本、精准、快速测量斜拉桥、悬索桥主塔塔顶偏位，广泛适用于桥梁荷载试验、施工监控、健康监控等技术领域。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置，主要由磁悬浮轨道、屏蔽套筒和可调节水平的安装底座组成；磁悬浮轨道水平安装于屏蔽套筒内，屏蔽套筒置于安装底座之上；磁悬浮轨道上安装有悬浮质量块，磁悬浮轨道端部安装有测距仪，磁悬浮轨道具有控制器并由控制器控制为悬浮质量块提供等于其重力的恒定悬浮力；控制器包含悬浮质量块位置检测反馈系统。
磁悬浮轨道为电磁式直线磁悬浮轨道，最大行程大于10cm，最大负载为悬浮质量块重力的2倍以上。
安装底座具有三个脚螺旋及一个圆水准泡。
测距仪选用精度为0.01mm级的高精度测距仪，测量频率大于10Hz。
使用上述磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)在桥梁主塔塔顶位置，固定安装磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置，磁悬浮轨道方向与待测试的主塔偏位方向平行；
(2)通过调节安装底座，使底座上表面处于水平状态，磁悬浮轨道也处于水平状态；
(3)打开控制器电源，通过控制器将悬浮质量块位置调节至磁悬浮轨道行程中部位置，保持悬浮力使悬浮质量块处于静止悬浮状态，并设置磁悬浮轨道中悬浮力保持此状态不变，悬浮质量块绝对水平坐标保持不变；
(4)测量此时悬浮质量块相对于屏蔽套筒端部的水平距离L1；
(5)进行桥梁加载试验，主塔塔顶产生水平向的偏位d；
(6)测量此时悬浮质量块相对于屏蔽套筒端部的水平距离L2；
(7)计算主塔塔顶偏位为d＝ΔL＝L1-L2。
桥梁为带有桥塔的大跨度斜拉桥、悬索桥。
针对现有桥梁主塔塔顶偏位测量方法存在的的问题，发明人设计制作了一种磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置，主要由磁悬浮轨道、屏蔽套筒和可调节水平的安装底座组成；磁悬浮轨道水平安装于屏蔽套筒内，屏蔽套筒置于安装底座之上；磁悬浮轨道上安装有悬浮质量块，磁悬浮轨道端部安装有测距仪，磁悬浮轨道具有控制器并由控制器控制为悬浮质量块提供等于其重力的恒定悬浮力；控制器包含悬浮质量块位置检测反馈系统。该装置基于磁悬浮原理，利用磁悬浮轨道为悬浮质量块提供恒定竖向力，使悬浮质量块悬浮于轨道之上，形成主塔塔顶偏位测试当中的固定点(即自身内部实现水平坐标不变的固定参考点设置)，磁悬浮轨道、屏蔽套筒和底座则随着桥梁塔顶偏位发生水平移动，测量悬浮质量块与屏蔽套筒相对水平距离的变化，即可得到桥梁塔顶的偏位。将本发明应用于桥梁主塔塔顶偏位测试，无需设置外部固定点，即可精确测量出桥梁塔顶的绝对偏位；且可实现塔顶偏位的动态测量，并广泛适用于桥梁荷载试验、健康监控等技术领域。据此，发明人还建立了相应测量方法。
与现有技术相比，本发明的突出优势具体在于：
(1)通过磁悬浮原理，在装置内部形成水平坐标不变的固定参考点，无需如传统测量方法在桥梁以外设置固定点，不存在人为及环境干扰问题，简化塔顶偏位测试过程，在长斜拉桥、悬索桥当中应用优势明显；
(2)磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置直接安装于桥塔塔顶，可通过自带的调节底座调节水平，现场安装及操作十分便捷，提高了塔顶偏位测试效率；
(3)选用高精度磁悬浮轨道及测距仪，可实现0.1mm精度的位移测量，满足工程的需要，并且仪器密封于屏蔽套筒内，不受外界环境因素的干扰。
附图说明
图1是本发明磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置的结构示意图。
图2是本发明磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置中悬浮质量块的受力示意图。
图3是本发明磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置使用状态参考图一。
图4是本发明磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置使用状态参考图(偏位前)二。
图5是本发明磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置使用状态参考图(偏位后)三。
图中：1磁悬浮轨道，2悬浮质量块，3控制器，4测距仪，5屏蔽套筒，6脚螺旋，7圆水准泡，8安装底座。
具体实施方式
1.基本结构
如图1所示，磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置，主要由磁悬浮轨道1、屏蔽套筒5和可调节水平的安装底座8组成；磁悬浮轨道水平安装于屏蔽套筒内，屏蔽套筒置于安装底座之上；磁悬浮轨道上安装有悬浮质量块2，磁悬浮轨道端部安装有测距仪4，磁悬浮轨道具有控制器3并由控制器控制为悬浮质量块提供等于其重力的恒定悬浮力。
其中，磁悬浮轨道为电磁式直线磁悬浮轨道，最大行程大于10cm，最大负载为悬浮质量块重力的2倍以上。安装底座具有三个脚螺旋6及一个圆水准泡7，三个脚螺旋可独立调节，使圆水准泡居中，磁悬浮轨道处于水平状态。控制器包含悬浮质量块位置检测反馈系统，对悬浮质量块恒定悬浮力控制精度小于0.1N，对悬浮质量块位置控制精度小于0.01mm。测距仪选用精度为0.01mm级的高精度测距仪，测量频率大于10Hz，用于测量悬浮质量块的相对距离变化。
2.工作原理
如图2至图5所示，磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置直接安装于塔顶，控制器控制磁悬浮轨道，在磁悬浮轨道的有效行程内，为悬浮质量块提供等于质量块重力的恒定悬浮力F。此时悬浮质量块只受到自身重力G和磁悬浮轨道提供的竖直向上的恒定悬浮力F两个力的作用，当悬浮力始终与质量块自身重力相等时(F＝G)，质量块处于一个竖向平衡状态，质量块与磁悬浮轨道不发生接触，其绝对水平位置不会因磁悬浮轨道的移动而改变，进而形成塔顶偏位测试用固定参考点。固定于主塔塔顶的磁悬浮轨道、屏蔽套筒随着主塔偏位产生水平位移d，此时由于质量块与轨道脱离接触，不承受任何水平力，质量块处于受力平衡状态，悬浮质量块的绝对水平位置并不随磁悬浮轨道改变，只是质量块与屏蔽套筒的水平相对位置发生改变，相对位置的改变量与屏蔽套筒水平向的位移量是相等的，即与主塔偏位相等。通过安装于磁悬浮轨道端部的测距仪测量出偏位前后质量块与屏蔽套筒有相对位置的变化量ΔL，即得得到主塔水平偏位值。如偏位前质量块与屏蔽套筒端部的距离为L1，偏位后质量块与屏蔽套筒端部的距离为L2，则主塔塔顶偏位值即为d＝ΔL＝L1-L2。通过测距仪连续动态测量，即可实现主塔塔顶动态偏位的测试。
3.操作步骤
(1)进行主塔塔顶偏位测试前，在桥梁主塔塔顶位置，固定安装磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置，磁悬浮轨道方向与待测试的主塔偏位方向平行；
(2)通过调节安装底座三个脚螺旋的旋出量，使圆水准泡中的气泡居中，此时底座上表面处于水平状态，磁悬浮轨道也处于水平状态；
(3)打开控制器电源，通过控制器将悬浮质量块位置调节至磁悬浮轨道行程中部位置，保持悬浮力使悬浮质量块处于静止悬浮状态，并设置磁悬浮轨道中悬浮力保持此状态不变，悬浮质量块绝对水平坐标保持不变；
(4)测量此时悬浮质量块相对于屏蔽套筒端部的水平距离L1；
(5)进行桥梁加载试验，主塔塔顶产生水平向的偏位d，此时塔顶的装置底座带动屏蔽套筒和磁悬浮轨道水平向移动d，而悬浮质量块始终处于受力平衡状态，绝对位置并未随磁悬浮轨道水平移动而改变，即悬浮绝对水平坐标为x，y；
(6)测量此时悬浮质量块相对于屏蔽套筒端部的水平距离L2；
(7)计算主塔塔顶偏位为d＝ΔL＝L1-L2。
4.应用实例
某双塔三跨斜拉桥，跨径组合为193m+330m+113m，主塔高110m，在对该桥的荷载试验过程中，测试主塔塔顶的纵桥向水平偏位值。使用前述磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置，参照上述操作步骤进行。
在进行塔顶偏位测试前，在主塔塔顶位置，固定安装磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置，磁悬浮轨道方向与待测试的主塔偏位方向平行。通过调节底座三个脚螺旋的旋出量，使圆水准泡中的气泡居中，此时底座上表面处于水平状态，磁悬浮轨道也处于水平状态。打开控制器电源，通过控制器将悬浮质量块位置调节至磁悬浮轨道行程中部位置，保持悬浮力，使悬浮质量块处于静止悬浮状态，并设置磁悬浮轨道中悬浮力保持此状态不变，悬浮质量块绝对水平坐标保持不变。测量此时悬浮质量块相对于屏蔽套筒端部的水平距离L1＝50.3mm，进行桥梁加载试验，主塔塔顶产生水平向的偏位，测量此时悬浮质量块相对于屏蔽套筒端部的水平距离L2＝31.2mm，计算出测点处主塔塔顶的偏位为d＝ΔL＝L1-L2＝19.1mm。

Claims (6)

1.一种磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置，其特征在于主要由磁悬浮轨道、屏蔽套筒和可调节水平的安装底座组成；所述磁悬浮轨道水平安装于屏蔽套筒内，屏蔽套筒置于安装底座之上；所述磁悬浮轨道上安装有悬浮质量块，磁悬浮轨道端部安装有测距仪，磁悬浮轨道具有控制器并由控制器控制为悬浮质量块提供等于其重力的恒定悬浮力；所述控制器包含悬浮质量块位置检测反馈系统。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置，其特征在于：所述磁悬浮轨道为电磁式直线磁悬浮轨道，最大行程大于10cm，最大负载为悬浮质量块重力的2倍以上。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置，其特征在于：所述安装底座具有三个脚螺旋及一个圆水准泡。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置，其特征在于：所述测距仪选用精度为0.01mm级的高精度测距仪，测量频率大于10Hz。
5.使用权利要求1所述磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在桥梁主塔塔顶位置，固定安装磁悬浮式桥梁主塔塔顶偏位测量装置，磁悬浮轨道方向与待测试的主塔偏位方向平行；
(2)通过调节安装底座，使底座上表面处于水平状态，磁悬浮轨道也处于水平状态；
(3)打开控制器电源，通过控制器将悬浮质量块位置调节至磁悬浮轨道行程中部位置，保持悬浮力使悬浮质量块处于静止悬浮状态，并设置磁悬浮轨道中悬浮力保持此状态不变，悬浮质量块绝对水平坐标保持不变；
(4)测量此时悬浮质量块相对于屏蔽套筒端部的水平距离L1；
(5)进行桥梁加载试验，主塔塔顶产生水平向的偏位d；
(6)测量此时悬浮质量块相对于屏蔽套筒端部的水平距离L2；
(7)计算主塔塔顶偏位为d＝ΔL＝L1-L2。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述桥梁为带有桥塔的大跨度斜拉桥、悬索桥。
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