CN108168758B - 一种用于测量钢平台牛腿压力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测量钢平台牛腿压力的装置及方法。其中，用于测量钢平台牛腿压力的装置包括一柔性底座、至少一个竖向支撑杆、至少一个顶部横杆、至少一个螺栓和至少一个MEMS压力传感器，柔性底座固定在牛腿的底面并与竖向支撑杆的一端连接，竖向支撑杆的另一端通过螺栓与顶部横杆的一端连接，MEMS压力传感器设置于顶部横杆的另一端，并且与牛腿的顶面接触。利用柔性底座和MEMS压力传感器，大大降低了压力测试装置的高度，即使在牛腿上安装了测量装置也不会影响牛腿的稳定性和爬升的便捷性。MEMS压力传感器本身的成本大幅降低，同时有可以将施工损耗降到最低，从而大大降低了检测施工成本。

Description

一种用于测量钢平台牛腿压力的装置及方法

技术领域

本发明涉及建筑施工检测技术领域，特别涉及一种用于测量钢平台牛腿压力的装置及方法。

背景技术

钢平台是用于施工领域的大型施工作业平台，主要用于超高层建筑施工，可以有效提高施工安全性、缩短施工工期以及降低施工成本。施工过程中，钢平台的自重主要靠牛腿(也称：底部悬挑梁)固定在超高层建筑核心筒侧墙上来提供竖向支撑力。牛腿一般采用矩形实心截面的高强度钢材制作，牛腿支撑反力大小是关乎钢平台安全性的重要因素，如牛腿脱空或支撑范围不足，支撑反力将为零或明显减小，可能会导致局部钢平台在自重作用下出现较大变形，甚至发生安全事故；如果多个牛腿支撑反力不足或过高，即钢平台支撑点受力不对称不平衡，长期使用过程中将使钢平台出现一定程度的整体倾斜变形，影响作业安全。因此，需要对钢平台牛腿位置的支撑反力进行有效监测，保障安全施工。

目前针对牛腿支撑反力监测主要采用压力计，由于钢平台单个牛腿支撑反力较大，一般在几十吨至上百吨范围内变动。因此测量牛腿的支撑反力需要选用量程较大的压力计，但是大量程压力计的高度往往也会比较大。通常，对应几十吨到上百吨范围的压力计的高度一般都在10cm以上。将高度超过10cm的压力计固定在牛腿下方，一方面，牛腿在承受高压力的情况下，超高高度的压力计可能导致牛腿出现竖向失稳现象；另一方面，牛腿会随钢平台整体沿竖直方向向上爬升移动，压力计也会随之上移，超高高度的压力计会使爬升操作不便，而且有可能导致牛腿伸缩受到限制。另外，因为牛腿所承受的压力非常大，牛腿的压力会全部转换至压力计上，在有些极端情况下，可能会损坏将压力计。

因此，有必要研究开发一种轻便型的用于测量钢平台牛腿压力的装置，能够附着在牛腿下，有效测量牛腿下较大的支撑反力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量钢平台牛腿压力的装置及方法，以解决使用传统压力计无法安全、便捷的测量钢平台牛腿受力状况的问题，通过设置柔性底座和MEMS压力传感器，大大降低了压力测试装置的高度，即使在牛腿上安装了测量装置也不会影响牛腿的稳定性和爬升的便捷性，从而实现了安全、便捷、高效检测牛腿受力情况的目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于测量钢平台牛腿压力的装置，包括一柔性底座、至少一个竖向支撑杆、至少一个顶部横杆、至少一个螺栓和至少一个MEMS压力传感器，所述柔性底座固定在所述牛腿的底面并与所述竖向支撑杆的一端连接，所述竖向支撑杆的另一端通过所述螺栓与所述顶部横杆的一端连接，所述MEMS压力传感器设置于所述顶部横杆的另一端，并且与所述牛腿的顶面接触。

可选的，在所述用于测量钢平台牛腿压力的装置中，所述柔性底座为高强橡胶块，在所述高强橡胶块内间隔设置多层钢板。

可选的，在所述用于测量钢平台牛腿压力的装置中，所述柔性底座的厚度为1cm-3cm，所述钢板厚度为2mm-5mm。

可选的，所述用于测量钢平台牛腿压力的装置包括至少两个所述MEMS压力传感器，所述MEMS压力传感器在所述牛腿顶面沿着所述牛腿的伸缩方向间隔放置。

可选的，在所述用于测量钢平台牛腿压力的装置中，所述MEMS压力传感器的量程范围在70MPa-100MPa。

此外，本发明还提供一种所述用于测量钢平台牛腿压力的装置的标定方法，包括：

步骤一：当所述牛腿处于未受力状态时，拧紧所述螺栓，使所述MEMS压力传感器的测量值到达其满量程的70％-80％；

步骤二：当所述牛腿处于初始受力状态时，记录所述牛腿的初始压力和所述MEMS压力传感器的测量值；

步骤三：使用千斤顶对所述牛腿向下加载压力，使所述千斤顶按照所述牛腿初始受力的3％-4％逐级加载，每加载一级，记录仪下当时所述牛腿的压力和所述MEMS压力传感器的测量值；

步骤四：逐步卸除所述千斤顶对所述牛腿的压力，使所述千斤顶按照所述牛腿初始受力的3％-4％逐级卸除，每卸除一级，记录仪下当时所述牛腿的压力和所述MEMS压力传感器的测量值；以及

步骤五：利用所述步骤二至所述步骤四中的所述牛腿的压力和对应的所述MEMS压力传感器的测量值，绘制所述牛腿的压力与所述MEMS压力传感器的测量值的拟合曲线。

可选的，在所述用于测量钢平台牛腿压力的装置的标定方法中，在所述步骤三中，所述千斤顶逐级加载的级数不超过十级。

另外，本发明还提供一种利用所述拟合曲线测量钢平台牛腿压力的方法，包括：

步骤一：对所述钢平台的所有所述牛腿逐个进行标定；

步骤二：当所述钢平台爬升到预定高度时，将所述牛腿伸入至预留孔洞内，当所述钢平台的承重转换至所述牛腿上时，逐个读取所述MEMS压力传感器的测量值，并依据对应的所述拟合曲线计算出对应的所述牛腿的压力。

可选的，在所述利用拟合曲线测量钢平台牛腿压力的方法中，在所述步骤二之后还包括，计算所有所述牛腿的压力值的方差，当所述方差小于等于预定允许值时，允许进行后续施工；当所述方差大于所述预定允许值时，逐个确认所述牛腿的伸入程度并确保所有所述牛腿充分伸入预留孔洞内，然后重复所述步骤二后重新计算方差，直到所述方差小于等于所述预定允许值后，再进行后续施工。

采用本发明所提供的用于测量钢平台牛腿压力的装置及方法，至少具有以下有益技术效果：

1、通过设置柔性底座和MEMS压力传感器，有效降低了压力测试装置的高度，即使在牛腿上安装了测量装置也不会影响牛腿的稳定性和爬升的便捷性，使得对牛腿压力的实时监测成为可能。

2、MEMS压力传感器是通过卸载方式来测量牛腿上的压力的，因此不存在因为牛腿压力过载而压坏传感器的可能性，使得MEMS压力传感器的损耗量可以降到最低，从而降低了施工成本。

附图说明

图1为本发明一实施例的用于测量钢平台牛腿压力的装置的侧视图；

图2为本发明一实施例中的柔性底座的结构示意图；

图3为本发明一实施例的用于测量钢平台牛腿压力的装置的俯视图；

图4为本发明另一实施例的牛腿的压力与MEMS压力传感器测量值的拟合曲线。

附图标记：1-柔性底座；2-竖向支撑杆；3-顶部横杆；4-螺栓；5-MEMS压力传感器；6-牛腿；7-预留孔洞。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于测量钢平台牛腿压力的装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

发明人发现，针对钢平台牛腿压力的测试，主要目的是确认牛腿是否受力，受力是否充分，而对测试牛腿压力的准确性的要求并不高。此外，因为在整个施工工程中，牛腿会随着钢平台不断爬升，并在不同的阶段反复伸缩，因此牛腿上不可能携带体积过大的测量装置。因此，发明人针对实际需求，提出了在对牛腿压力测试过程中，必须满足如下两个要求：测量装置可以随牛腿上下移动，尺寸在高度上较小，在宽度上与原截面宽度相差不大；可以满足大压力测试量程的要求。为此，本发明提供了一种基于依赖MEMS压力传感器通过卸载方式测量牛腿压力的装置及方法。

图1为本发明一实施例的用于测量钢平台牛腿压力的装置的侧视图，如图1所示，本发明一实施例用于测量钢平台牛腿压力的装置100，包括一柔性底座1、至少一个竖向支撑杆2、至少一个顶部横杆3、至少一个螺栓4和至少一个MEMS压力传感器(MicroelectroMechanical Systems)5，柔性底座1固定在牛腿6的底面并与竖向支撑杆2的一端连接，竖向支撑杆2的另一端通过螺栓4与顶部横杆3的一端连接，MEMS压力传感器5设置于顶部横杆3的另一端，并且与牛腿6的顶面接触。

通过拧紧螺栓4，可以将MEMS压力传感器5紧压在牛腿6的顶面上，MEMS压力传感器5感受的压力是螺栓4通过顶部横杆3施加给牛腿6的压力，螺栓4拧的越紧，MEMS压力传感器5测得的压力值越大。当牛腿6在承载受力时，牛腿6会向位于其底部的柔性底座1施加压力，对于MEMS压力传感器5来说是个压力卸载的过程，此时相对于牛腿6不受力的时候而言，MEMS压力传感器5感受到的压力变小了，也就是说通过MEMS压力传感器5所感受到压力的变化，可以间接反映牛腿6受力大小的变化，MEMS压力传感器5的测量值越小，说明牛腿6的受力越大。

在卸除牛腿6上的承载受力时，为了确保牛腿6能尽可能地能恢复到初始不受力的位置状态，如图2所示，柔性底座1可以选择高强橡胶块，例如氯丁橡胶、天然橡胶等。优选的，还可以在高强橡胶块做成的柔性底座1内间隔设置多层钢板11，通过高强橡胶和多层钢板的设置，既保证了柔性底座1的弹性，也保证了柔性底座1的承压能力。通常，柔性底座1的厚度为1cm-3cm，钢板11的厚度为2mm-5mm。

MEMS压力传感器是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。MEMS压力传感器可以用类似集成电路的设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，使压力控制变得简单、易用和智能化。传统的机械压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此它不可能如MEMS压力传感器那样，像集成电路那么微小，而且成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的厚度不超过一个厘米，相对于传统“机械”制造技术，其尺寸大幅缩小、性价比大幅度提高。

以MEMS压力传感器5和柔性底座1为主体的测量装置，薄膜式的MEMS压力传感器5和厚度为1cm-3cm的柔性底座1，使得整个测量装置的厚度得到有效控制，即使牛腿6上安装了测量装置也不会影响牛腿6的稳定性和爬升的便捷性，使得对牛腿6压力的实时监测成为可能。通常，MEMS压力传感器5的量程范围在70MPa-100MPa。

图3为本发明一实施例的用于测量钢平台牛腿压力装置的俯视图。通常在一个牛腿6上，设置一个MEMS压力传感器5就可以测量对应牛腿6上所承载的压力了。在现实的工程实践中，除了需要知道牛腿6上所承载的压力外，还需要知道牛腿6是否充分伸入到核心筒上的预留孔洞7内，如果牛腿6没有充分伸入到预留孔洞7内的话，牛腿6对预留孔洞7的压强会过大，极端情况下，会造成对预留孔洞7的破坏，从而造成整个钢平台失稳。为此，可以在沿着牛腿6的伸缩方向间隔放置多个MEMS压力传感器5，通过测量多个MEMS压力传感器5的受力，比较多个MEMS压力传感器5的测量值，如果多个测量值相差不大，说明牛腿6已经充分伸入到预留孔洞7内了，如果多个测量值相差悬殊，说明牛腿6没有充分伸入到预留孔洞7内。

在上述用于测量钢平台牛腿压力的装置100中，尽管其中的MEMS压力传感器5测量值与牛腿6的压力存在一定的关系，但是MEMS压力传感器5测量值反映的是顶部横杆3与牛腿6之间的压力，并非牛腿6与柔性底座1之间的压力，为了建立MEMS压力传感器5测量值与牛腿6的压力值之间对应关系，还需要对用于测量钢平台牛腿压力的装置100进行标定。为此，本发明还提供一种用于测量钢平台牛腿压力的装置的标定方法。下面接续结合图1至图3，详细说明用于测量钢平台牛腿压力的装置的标定方法，标定方法包括：

步骤一：当牛腿6处于未受力状态时，拧紧螺栓4，使MEMS压力传感器5的测量值到达其满量程的70％-80％；

当整体钢平台安装初始状态时，会将所有的牛腿6都伸入至核心筒上的预留孔洞7内，人工目视确认每根牛腿6都充分伸入至预留孔洞7内，这时所有的牛腿6都处于未受力状态，拧紧螺栓4，使MEMS压力传感器5的测量值到达其满量程的70％-80％。例如，MEMS压力传感器5的满量程是100MPa的话，要拧紧螺栓4，使MEMS压力传感器5的测量值打到70MPa-80MPa。

步骤二：当牛腿6处于初始受力状态时，记录牛腿6的初始压力和MEMS压力传感器5的测量值；

当整体钢平台安装完成准备进入施工状态时，整体钢平台的自重会转换至每根牛腿6上，这时每根牛腿6上实际的初始压力与初始设计值相当，牛腿6因为受到初始压力向柔性底座1施加向下的压力，对于MEMS压力传感器5而言相当于卸载了部分压力，从而会使MEMS压力传感器5的测量值减小，记录这一状态下牛腿6的初始压力和MEMS压力传感器5的测量值。

步骤三：使用千斤顶对牛腿6向下加载压力，使千斤顶按照牛腿6初始受力的3％-4％逐级加载，每加载一级，记录一下当时牛腿6的压力和MEMS压力传感器5的测量值；

通过千斤顶对牛腿6向下逐级加载压力，相当于对MEMS压力传感器5逐级卸载压力，为了避免牛腿6变形，逐级加载的级数不超过10级，每加载一级，记录仪下当时牛腿6的压力和对应的MEMS压力传感器5的测量值。例如，牛腿6的初始压力为60tonf，通过千斤顶对牛腿6向下加载压力每级加载的力为1.8tonf-2.4tonf，千斤顶累积对牛腿6向下加载压力不超过24tonf。

步骤四：逐步卸除千斤顶对牛腿6的压力，使千斤顶按照牛腿6初始受力的3％-4％逐级卸除，每卸除一级，记录一下当时牛腿6的压力和MEMS压力传感器5的测量值；

与步骤三中的过程相反，当千斤顶向下加载的力达到峰值后，通过千斤顶对牛腿6向下逐级卸载压力，直至卸除千斤顶的全部压力，这个过程相当于对MEMS压力传感器5逐级加载压力，优选的，在步骤四中，每一级卸载的压力与步骤三中加载压力相等，记录一下当时牛腿6的压力和对应的MEMS压力传感器5的测量值。

步骤五：利用步骤二至步骤四中的牛腿6的压力和对应的MEMS压力传感器5的测量值，绘制牛腿6的压力与MEMS压力传感器5的测量值的拟合曲线。

利用步骤二至步骤四中对牛腿6逐级加载和卸载压力的过程中，每级牛腿6压力和对应的MEMS压力传感器5的测量值，可以绘制出牛腿6的压力与MEMS压力传感器5的测量值的拟合曲线。如图4所示，是当牛腿6的初始压力为60tonf，每级加载或者卸载压力为2tonf时，MEMS压力传感器5的测量值与牛腿6承受压力的拟合曲线。

通过类似如图4所示的拟合曲线，就可以根据MEMS压力传感器5的测量值，直接算出牛腿6的承受压力了。如果牛腿6是处于受力增加的过程中时，利用图4中的卸载曲线寻找对应关系，如果牛腿6是处于受力减小的过程中时，利用图4中的加载曲线寻找对应关系。

在上述标定方法的基础上，本发明还提供一种利用上述拟合曲线测量钢平台牛腿压力的方法，包括：

步骤一：对钢平台的所有牛腿逐个进行标定；

通常，一个钢平台包括很多个牛腿，整体钢平台的自身重量和荷载重量都是通过牛腿转移核心筒上的，为了监控整体钢平台在整个施工过程中的稳定性，需要对每个牛腿的受力进行监控，为此需要采用上述标定方法对钢平台上的所有牛腿进行逐个标定，对每个牛腿形成相应的拟合曲线。

步骤二：当钢平台爬升到预定高度时，将牛腿伸入至预留孔洞内，当钢平台的承重转换至牛腿上时，逐个读取MEMS压力传感器的测量值，并依据对应的拟合曲线计算出对应的牛腿的压力。

随着施工进度的推进，钢平台要不断往上爬升，钢平台在不同的高度，都可以通过MEMS压力传感器将测量值传输至预定数据平台，根据对应的拟合曲线可以实时了解对应牛腿的实际压力。

对于整个平台而言，多个牛腿的受力是否均匀，是影响钢平台稳定性的一个重要因素，为了了解多个牛腿的受力情况，可以计算出所有牛腿的压力值的方差，当方差小于等于预定允许值时，说明所有牛腿的受力均匀，允许进行后续施工；当方差大于预定允许值时，说明所有牛腿的受力不均匀，需要逐个确认牛腿的伸入程度并确保所有牛腿充分伸入预留孔洞内，然后重新计算方差，直到所述方差小于等于预定允许值后，再进行后续施工。

综上所述，在本发明所提供的用于测量钢平台牛腿压力的装置中，利用柔性底座和MEMS压力传感器，大大降低了压力测试装置的高度，即使在牛腿上安装了测量装置也不会影响牛腿的稳定性和爬升的便捷性。同时MEMS压力传感器的智能性使得对牛腿压力的实时监测成为可能。MEMS压力传感器可以采用集成电路的工艺生产制造，使得MEMS压力传感器的成本大幅降低。此外，本发明所提供的测量方法是通过卸载方式来测量牛腿上的压力的，因此不存在因为牛腿压力过载而压坏传感器的可能性，使得MEMS压力传感器的损耗量可以降到最低，从而降低了施工成本。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于测量钢平台牛腿压力的装置，其特征在于，包括一柔性底座、至少一个竖向支撑杆、至少一个顶部横杆、至少一个螺栓和至少一个MEMS压力传感器，所述柔性底座固定在所述牛腿的底面并与所述竖向支撑杆的一端连接，所述竖向支撑杆的另一端通过所述螺栓与所述顶部横杆的一端连接，所述螺栓处于拧紧状态，使所述MEMS压力传感器的测量值到达其满量程的70％-80％，所述MEMS压力传感器设置于所述顶部横杆的另一端，并且与所述牛腿的顶面接触。

2.如权利要求1所述的用于测量钢平台牛腿压力的装置，其特征在于，所述柔性底座为高强橡胶块，在所述高强橡胶块内间隔设置多层钢板。

3.如权利要求2所述的用于测量钢平台牛腿压力的装置，其特征在于，所述柔性底座的厚度为1cm-3cm，所述钢板厚度为2 mm -5mm。

4.如权利要求1至3中任一项所述的用于测量钢平台牛腿压力的装置，其特征在于，包括至少两个所述MEMS压力传感器，所述MEMS压力传感器在所述牛腿顶面沿着所述牛腿的伸缩方向间隔放置。

5.如权利要求4所述的用于测量钢平台牛腿压力的装置，其特征在于，所述MEMS压力传感器的量程范围在70MPa-100MPa。

6.一种如权利要求1至5中任一项所述的用于测量钢平台牛腿压力的装置的标定方法，其特征在于，包括：

步骤一：当所述牛腿处于未受力状态时，拧紧所述螺栓，使所述MEMS压力传感器的测量值到达其满量程的70%-80%；

步骤二：当所述牛腿处于初始受力状态时，记录所述牛腿的初始压力和所述MEMS压力传感器的测量值；

步骤三：使用千斤顶对所述牛腿向下加载压力，使所述千斤顶按照所述牛腿初始受力的3%-4%逐级加载，每加载一级，记录仪下当时所述牛腿的压力和所述MEMS压力传感器的测量值；

步骤四：逐步卸除所述千斤顶对所述牛腿的压力，使所述千斤顶按照所述牛腿初始受力的3%-4%逐级卸除，每卸除一级，记录仪下当时所述牛腿的压力和所述MEMS压力传感器的测量值；以及

步骤五：利用所述步骤二至所述步骤四中的所述牛腿的压力和对应的所述MEMS压力传感器的测量值，绘制所述牛腿的压力与所述MEMS压力传感器的测量值的拟合曲线。

7.如权利要求6所述的用于测量钢平台牛腿压力的装置的标定方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述千斤顶逐级加载的级数不超过十级。

8.一种测量钢平台牛腿压力的方法，其特征在于，包括：

步骤一：采用如权利要求6或7中任意一种的用于测量钢平台牛腿压力的装置的标定方法，对所述钢平台的所有所述牛腿逐个进行标定；

步骤二：当所述钢平台爬升到预定高度时，将所述牛腿伸入至预留孔洞内，当所述钢平台的承重转换至所述牛腿上时，逐个读取所述MEMS压力传感器的测量值，并依据对应的所述拟合曲线计算出对应的所述牛腿的压力。

9.如权利要求8所述的测量钢平台牛腿压力的方法，其特征在于，在所述步骤二之后还包括，计算所有所述牛腿的压力值的方差，当所述方差小于等于预定允许值时，允许进行后续施工；当所述方差大于所述预定允许值时，逐个确认所述牛腿的伸入程度并确保所有所述牛腿充分伸入预留孔洞内，然后重复所述步骤二后重新计算方差，直到所述方差小于等于所述预定允许值后，再进行后续施工。