CN107907261A - 一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置及检测方法 - Google Patents

一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置及检测方法，设置在桥梁支座下方，包括顶板、外波纹管、内波纹管、底板、引压管A、引压管B、压力传感器A和压力传感器B，内波纹管、顶板和底板之间围成用于填充惰性液体的密闭腔B，外波纹管、内波纹管、顶板和底板之间围成用于填充惰性液体的密闭腔A，压力传感器A测量密闭腔A内的压力，压力传感器B测量密闭腔B内的压力，根据测得压力通过检测方法计算，得到桥梁支座竖向力大小，用该装置测量无需重新设计支座结构，安装方式简单，解决支座竖向测力难题，为桥梁监测提供技术支持。

Description

一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及桥梁工程领域，具体说的是一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置及检测方法。
背景技术
随着我国高速公路、铁路桥梁建设逐年增加，桥梁各种荷载包括静、动和冲击荷载等竖向荷载的测试和监测对桥梁的运行具有重要现实意义。实现桥梁支座即桥梁竖向反力监测数据的采集，可为桥梁的健康监测提供技术依据。
目前桥梁支座竖向反力测量装置较少，常规的做法是在支座内部安装检测元件或装置，如《一种球型多向测力支座》（专利号CN102912772 A）通过在支座的承压楔形部件侧向设置标准传感器实现测力；《一种竖向智能测力支座》（专利号CN102032959 A）主要选用特殊形状部件设置电阻应变片实现测力；《一种竖向测力型桥梁支座及其测力方法》（专利号：CN106192739A）通过在中座板和下座板之间安装测力传感器实现测力。上述测定支座反力的方法需要重新设计支座的结构，通过检测所选点的载荷间接地获得支座的载荷，测量点的选择是否合理直接影响测量精度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置，采用该装置及方法测量无需重新设计支座结构，安装方式简单，解决支座竖向测力难题，为桥梁监测提供技术支持。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置，设置在桥梁支座下方，包括顶板、外波纹管、内波纹管、底板、引压管A、引压管B、压力传感器A和压力传感器B，内波纹管的两端分别密封连接顶板和底板，内波纹管、顶板和底板之间围成用于填充惰性液体的密闭腔B，外波纹管套设在内波纹管外侧，外波纹管的两端分别密封连接顶板和底板，外波纹管、内波纹管、顶板和底板之间围成用于填充惰性液体的密闭腔A，在密闭腔A内设置有引压管A的一端，引压管A的另一端与压力传感器A连接，在密闭腔B内设置有引压管B的一端，引压管B的另一端与压力传感器B连接。
本发明所述的顶板和底板之间设有用于测量顶板与底板之间间距的位移传感器。
本发明所述的顶板和底板之间设用轴向导向结构。
本发明所述的轴向导向结构由设置在顶板中心的凹槽和与凹槽相匹配并设置在底板中心的凸块组成。
本发明所述的轴向导向装置由设置在底板中心的凹槽和与凹槽相匹配并设置在顶板中心的凸块组成。
本发明所述的密闭腔A通过连接管与密闭腔B相连通，在连接管上设有减压阀。
利用双波纹管竖向力检测装置进行桥梁支座竖向载荷检测的方法，包括以下步骤：
步骤一、安装前在压力为0的密闭腔A和密闭腔B内第一次充入惰性液体至腔体充满，此时顶板和底板的轴向间隙为0；
步骤二、将顶板固定连接在桥梁支座的下方，底板与基础固定连接，完成固定；
步骤三、当桥梁支座压设在顶板时，第二次向密封墙内注入惰性液体，顶板沿装置轴向方向移动一段距离后停止注入惰性液体，压力传感器A得到此时密闭腔A内惰性气体的压力P1，压力传感器B得到此时密闭腔B内惰性气体的压力P2，由
，得到桥梁支座竖向载荷F，其中， D1为外波纹管内径，H1为外波纹管波高，K1为外波纹管轴向刚度，x为外波纹管轴向位移； D2为内波纹管内径，K2为内波纹管轴向刚度。
进一步，由位移传感器测出惰性液体体第二次充入前及未安装前顶板与底板之间的间距H0，由位移传感器实时测出惰性液体第二次充入后顶板与底板之间的间距H1，得到顶板与底板分离的间隙为ΔH= H1-H0；设定Δhmin为顶板与底板接触前的间隙最小值，当ΔH<Δhmin时，需向密闭腔内补充惰性气体；设定Δhmax为顶板与底板接触前的间隙最大值，应确保ΔH≤Δhmax，防止顶板与底板分离过大导致导向结构失效而无法承受侧向载荷。
进一步，调整密闭腔A内的惰性液体压力P1低于密闭腔B内的惰性液体压力P2。
本发明有益效果是：
（1）本方案通过检测密封腔体内的惰性液体压力与波纹管的轴向位移计算获得支座竖向载荷，测量方法简单直观，能够直接更准确地获得支座的竖向载荷，避免了因测量点选择不合理而引入的测量误差；
（2）本方案无需更改现有支座的结构，安装、更换操作便捷；
（3）本方案采用内外波纹管结构，内波纹管实际承载压力为P2-P1，外波纹管的承载压力位P1，在轴向载荷相同的条件下与单波纹管结构相比，可以降低波纹管的实际承受压力，改善波纹管的实际工况提升工作寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为外波纹管的结构示意图；
图中：1、顶板，2、底板，3、内波纹管，4、外波纹管，5、阀门，6、减压阀，7、压力传感器A，8、惰性液体，9、拉杆，10、螺母，11、位移传感器，12、压力传感器B，13、引压管A，14、引压管B，15、连接管，16、进出口管。
具体实施方式
一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置，在运输及安装前由顶板1、底板2、外波纹管4、内波纹管3以及螺栓螺母10、拉杆9等组成。拉杆9与螺母10将顶板1、底板2、外波纹管4和内波纹管3拉紧安装为一体，在安装使用时，将螺栓及拉杆取下，再将由顶板、底板、外波纹管和内波纹管组成的密闭腔A，顶板、底板和内波纹管组成的密闭腔B，内充满液压油或者硅油等不易压缩且具有一定流动性的惰性液体，顶板与桥梁支座连接，底板与基础固定连接，当载荷通过支座作用于顶板时，由于波纹管刚度已知且其轴向变形可测，通过引压管外接对应的压力传感器测得密闭腔体内部静压力，由于静压力作用面积已知，即可通过计算获得支座所承受的竖向载荷。
如图1所示，一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置，在使用时设置在桥梁支座下方，包括顶板1、外波纹管4、内波纹管3、底板2、引压管A13、引压管B14、压力传感器A7和压力传感器B12，内波纹管3的两端分别密封连接顶板1和底板2，外波纹管4套设在内波纹管3外侧，外波纹管4的两端分别密封连接顶板1和底板2，顶板1与底板2的形状不限，优选圆形及方形，保证波纹管两端的密封即可，也可如图1所示，在侧边沿开出两个环形腔体，再利用波纹管进行密封连接，顶板1受到垂直的力时沿波纹管3轴线方向移动向下移动，内波纹管3、顶板1和底板2之间围成用于填充惰性液体7的密闭腔B，在密闭腔B内设置有引压管B4的一端，引压管B14的另一端与压力传感器B12连接，压力传感器B用来测量密闭腔B内惰性液体的压力，外波纹管4、内波纹管3、顶板1和底板2之间围成用于填充惰性液体8的密闭腔A，在密闭腔A内设置有引压管A13的一端，引压管A13的另一端与压力传感器A7连接，压力传感器A用于测量密闭腔A内惰性液体的压力，采用测量的两个不同压力计算桥梁竖向载荷。
可将引压管A13和引压管B14作为进出水管使用，可将引压管A13与引压管B14相连通，实现共同充液，在连通的管路上应加入阀门，防止密闭腔A与密闭腔B连通串压。也可单独另外设置进出口管实现导入惰性液体和导出惰性液体。
密闭腔A通过连接管15与密闭腔B相连通，在连接管15上设有减压阀6，通过减压阀6可以调整密闭腔A和密闭腔B之间的压力，通过从一个腔向另一个腔注入液体，密闭腔A的压力小于密闭腔B的压力，通过调节两个密闭腔内的压同压力，提升装置的最大承载能力。
顶板1和底板2之间设有用于测量顶板1与底板2之间间距的位移传感器10，位移传感器可实时测量顶板1与底板2之间的间距，间距的改变即为顶板1的底面与底板的顶面之间间隙的改变。
顶板1和底板2之间设用轴向导向结构，该结构不影响密闭腔内压力，只需要导向作用，防止顶板受到压力不是垂直向后倾斜影响测量数据，使装置受力严格的按波纹管轴线方向移动，进一步使测量更为准确。
如图1所示，轴向导向结构如下所述，不限制于该下所述的两种形式。
A、轴向导向结构由设置在顶板1中心的凹槽和与凹槽相匹配并设置在底板2中心的凸块组成。
B、轴向导向装置由设置在底板2中心的凹槽和与凹槽相匹配并设置在顶板1中心的凸块组成。
利用单波竖向力检测装置进行桥梁支座竖向载荷检测的方法，包括以下步骤：
步骤一、安装前在压力为0的密闭腔A和密闭腔B内第一次充入惰性液体至腔体充满，此时凹槽与凸块的轴向间隙为0；
步骤二、将顶板固定连接在桥梁支座的下方，底板与基础固定连接，完成固定；
步骤三、当桥梁支座压设在顶板时，第二次向密封墙内注入惰性液体，顶板沿装置轴向方向移动一段距离后停止注入惰性液体，压力传感器A得到此时密闭腔A内惰性气体的压力P1，压力传感器B得到此时密闭腔B内惰性气体的压力P2，由
，得到桥梁支座竖向载荷F，其中， D1为外波纹管内径，H1为外波纹管波高，K1为外波纹管轴向刚度，x为外波纹管轴向位移； D2为内波纹管内径，K2为内波纹管轴向刚度。
进一步，由位移传感器测出惰性液体体第二次充入前及未安装前顶板与底板之间的间距H0，由位移传感器实时测出惰性液体第二次充入后顶板与底板之间的间距H1，得到顶板与底板分离的间隙为ΔH= H1-H0；设定Δhmin为顶板与底板接触前的间隙最小值，当ΔH<Δhmin时，需向密闭腔内补充惰性气体；设定Δhmax为顶板与底板接触前的间隙最大值，应确保ΔH≤Δhmax，防止顶板与底板分离过大导致导向结构失效而无法承受侧向载荷。
调整密闭腔A内的惰性液体压力P1低于密闭腔B内的惰性液体压力P2，使内波纹管的实际承压改变，提升装置的最大承载能力。
实施例1
本发明包括顶板1、底板2、内波纹管3、外波纹管4、引压管A13、引压管B14、压力传感器A6、压力传感器B12、位移传感器10、拉杆8、螺母9等组成。如图1所示，顶板1、底板2以及内波纹管3组成了一个密闭腔B，密闭腔B内充满液压油等惰性液体，顶板1、底板2、内波纹管3以及外波纹管4组成了一个密闭腔A，密闭腔A位于密闭腔B外侧，两个密闭腔为双层套设的腔体结构，密闭腔A内充满液压油等惰性液体。压力传感器A通过引压管A与密闭腔A内相连通，可以检测密闭腔A内惰性液体静压力，压力传感器B通过引压管B与密闭腔B内相连通，可以检测密闭腔B内惰性液体静压力。位移传感器安装于波纹管外侧的顶板与底板之间检测顶板与底板之间的间距，并用于计算波纹管内的顶板与底板之间的间隙。在引压管A13和引压管B14之间连接有连接管，在连接管上设置减压阀，可以改变两个腔内的静压力。如图1所示，顶板下部与底板上部，具有轴向导向功能，同时能够承受侧向载荷。
本装置出厂时内部充满惰性液体，顶板与底板在拉杆螺母的作用下相互接触，此时内部液体压力为零，装置高度为与原始高度为H0；安装就位后，解除拉杆螺母的锁定，通过进出口管向密闭腔体内补充注入惰性液体，腔体内压力逐渐升高，顶板与底板逐渐分离，此时顶板与底板之间的间距为H1。顶板与底板分离的距离（即间隙）为ΔH= H1-H0，ΔH应满足下述条件：
Δhmin<ΔH<Δhmax
Δhmin为顶板与底板间隙最小值，当ΔH小于该值时，顶板与底板可能存在直接接触，竖向载荷并非完全由密闭腔内液体承担，影响测量精度，ΔH需大于该值。实际应用中，一旦发现ΔH<Δhmin，需向密闭腔内补充惰性液体。
Δhmax为顶板与底板间隙最大值，为确保密闭腔在发生泄漏时装置高度不会发生较大变化，ΔH需小于该值，并且可以防止顶板与底板分离过大导致导向结构失效而无法承受侧向载荷。
此时腔体内静压力与装置竖向载荷相平衡，装置的竖向载荷计算如下式所示。
式中：P1为密闭腔A内液体压力，D1为外波纹管内径，H1为外波纹管波高，K1为外波纹管轴向刚度，x为外波纹管轴向位移；P2为密闭腔B内液体压力，D2为内波纹管内径，K2为内波纹管轴向刚度。
采用内外波纹管的结构可以降低波纹管的实际承受压力，改善波纹管的实际工况提升其工作寿命。实施例一中腔体二液体经减压阀进入腔体一，经减压作用腔体一内压力P1低于腔体二压力P2，内波纹管的实际承压P=P2-P1，外波纹管的实际承压为P1，通过调节减压阀工作压力可合理分配P、P1、P2的关系以降低内外波纹管的实际承载压力，提升装置的最大承载能力。

Claims (8)

1.一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置，设置在桥梁支座下方，其特征在于：包括顶板（1）、外波纹管（4）、内波纹管（3）、底板（2）、引压管A（13）、引压管B（14）、压力传感器A（7）和压力传感器B（12），内波纹管（3）的两端分别密封连接顶板（1）和底板（2），内波纹管（3）、顶板（1）和底板（2）之间围成用于填充惰性液体（8）的密闭腔B，外波纹管（4）套设在内波纹管（3）外侧，外波纹管（4）的两端分别密封连接顶板（1）和底板（2），外波纹管（4）、内波纹管（3）、顶板（1）和底板（2）之间围成用于填充惰性液体（8）的密闭腔A，在密闭腔A内设置有引压管A（13）的一端，引压管A（13）的另一端与压力传感器A（7）连接，在密闭腔B内设置有引压管B（14）的一端，引压管B（14）的另一端与压力传感器B（12）连接。
2.如权利要求1所述的一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置，其特征在于：所述的顶板（1）和底板（2）之间设有用于测量顶板（1）与底板（2）之间间距的位移传感器（11）。
3.如权利要求1所述的一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置，其特征在于：所述的顶板（1）和底板（2）之间设用轴向导向结构。
4.如权利要求3所述的一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置，其特征在于：所述的轴向导向结构由设置在顶板（1）中心的凹槽和与凹槽相匹配并设置在底板（2）中心的凸块组成。
5.如权利要求3所述的一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置，其特征在于：所述的轴向导向装置由设置在底板（2）中心的凹槽和与凹槽相匹配并设置在顶板（1）中心的凸块组成。
6.如权利要求1所述的一种桥梁支座用的双波纹管竖向力检测装置，其特征在于：所述的密闭腔A通过连接管（15）与密闭腔B相连通，在连接管（15）上设有减压阀（6）。
7.如权利要求1所述的利用双波纹管竖向力检测装置进行桥梁支座竖向载荷检测的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、安装前在压力为0的密闭腔A和密闭腔B内第一次充入惰性液体至腔体充满，此时顶板和底板的轴向间隙为0；
步骤二、将顶板固定连接在桥梁支座的下方，底板与基础固定连接，完成固定；
步骤三、当桥梁支座压设在顶板时，第二次向密封墙内注入惰性液体，顶板沿装置轴向方向移动一段距离后停止注入惰性液体，压力传感器A得到此时密闭腔A内惰性气体的压力P1，压力传感器B得到此时密闭腔B内惰性气体的压力P2，由
，得到桥梁支座竖向载荷F，其中， D1为外波纹管内径，H1为外波纹管波高，K1为外波纹管轴向刚度，x为外波纹管轴向位移； D2为内波纹管内径，K2为内波纹管轴向刚度。
8.如权利要求2或7所述的利用双波纹管竖向力检测装置进行桥梁支座竖向载荷检测的方法，其特征在于：由位移传感器测出惰性液体体第二次充入前及未安装前顶板与底板之间的间距H0，由位移传感器实时测出惰性液体第二次充入后顶板与底板之间的间距H1，得到顶板与底板分离的间隙为ΔH= H1-H0；设定Δhmin为顶板与底板接触前的间隙最小值，当ΔH<Δhmin时，需向密闭腔内补充惰性气体；设定Δhmax为顶板与底板接触前的间隙最大值，应确保ΔH≤Δhmax，防止顶板与底板分离过大导致导向结构失效而无法承受侧向载荷。
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