CN108801567A - 一种液位连通管受结构横向振动影响测试装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液位连通管受结构横向振动影响测试装置及测试方法，涉及桥梁结构检测与维护领域，该装置包括试验平台，试验平台上设置有水平的滑轨；滑轨板，滑轨板一侧固定有嵌合于所述滑轨的滑块，另一侧设有一支架；液体容器，液体容器固定设置在支架上方，液体容器底部固定设置有压力传感器；激振器，激振器一端固定设置在试验平台上，另一端固定设置于连接板，激振器用于在水平方向按固定频率和固定振幅作用于所述连接板。本发明液位连通管受结构横向振动影响测试装置及测试方法通过对横向振动影响因素的计算调整，解决桥梁横向振动带来的影响，使现有连通管系统可以为桥梁挠度提供更全面的测量、更高的精度、更大范围的有效数据。

Description

一种液位连通管受结构横向振动影响测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及桥梁结构检测与维护领域，具体涉及一种液位连通管受结构横向振动影响测试装置及测试方法。
背景技术
在近年来，我国桥梁建设事业蓬勃发展，已建和在建的悬索桥、斜拉桥等大跨度桥梁日益增多，为保证该类桥梁结构的安全运营，一般会在桥梁上安装长期监测系统，对桥梁挠度、基桩位移等进行监测。液位连通管式结构竖向位移(挠度)测量方法和设备具有无需通视、布设便捷、低成本和较好的环境适应性等优点，使得该方法和设备在挠度监测/测量中得到了越来越多地应用，并在基桩试验位移测量及结构基础沉降监测等交通土建工程竖向位移测量/监测中得到了推广。
在实际应用中，当部分结构受到外界激励作用时可能发生振动现象，进而影响其上布设的液位连通管竖向位移测量系统的位移测量效果。为此，振动环境下的位移测量值不能用静压强值直接转换得到，需要采用理论与试验相结合的方法研究连通管桥梁挠度测量系统的动力特性。研究环境激励下主梁横向振动引起的液位连通管竖管横向振动时测压端动压力特性及其对挠度测量的影响研究具有重要的理论和工程意义，亦可削弱甚至于消除该类振动对挠度测量的不利影响。目前尚无关于环境/结构激励下的主梁结构横向振动对竖向位移(挠度)测量影响的理论和试验研究的公开装置及方法。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种液位连通管受结构横向振动影响测试装置及测试方法，可用于研究桥梁横向振动对液位连通管带来的影响，使现有连通管系统可以为桥梁挠度提供更全面的测量、更高的精度、更大范围的有效数据。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种液位连通管受结构横向振动影响测试装置，包括：
试验平台，所述试验平台上设置有水平的滑轨；滑轨板，所述滑轨板一侧固定有嵌合于所述滑轨的滑块，另一侧设有一支架；液体容器，所述液体容器固定设置在所述支架上方，所述液体容器底部固定设置有压力传感器；激振器，所述激振器一端固定设置在所述试验平台上，另一端固定设置于所述连接板，所述激振器用于在水平方向按固定频率和固定振幅作用于所述连接板。
在上述技术方案的基础上，所述激振器通过一支撑托架固定于所述试验平台上。
在上述技术方案的基础上，所述液体容器为规则的圆柱体。
在上述技术方案的基础上，所述压力传感器设置于所述液体容器底面中心位置。
本发明还提供一种液位连通管受结构横向振动影响测试方法，该方法包括以下步骤：
S1、安装权利要求1所述液位连通管受结构横向振动影响测试装置，向液体容器内加入液体，测量液体容器底面直径D和容器内液体深度H，计算液面一阶晃动频率参考值f0；
S2、以Δf＝0.1Hz为增量步，在[f0-1,f0+1]范围内选取参数来设置激振器的振动频率进行液体容器的振动试验；
S3、当液体容器内液体发生共振现象时，读取激振器的设置频率和压力传感器的压力变化频率，计算液面一阶晃动频率。
在上述技术方案的基础上，所述步骤S1中，按以下公式计算液面一阶晃动频率参考值f0：
在上述技术方案的基础上，所述步骤S3中，按以下公式计算液面一阶晃动频率f：
其中，f1为采用压力传感器的压力变化频率或激振器的设置频率。
在上述技术方案的基础上，在步骤S3后，还包括以下步骤：
S4、根据获得的液面一阶晃动频率，改变液体容器的直径和液深，使液体容器的液面一阶晃动频率大于桥梁横向振动的固有频率。
在上述技术方案的基础上，在安装权利要求1所述液位连通管受结构横向振动影响测试装置后，改变液体容器中液位深度，读取液位深度的变化值，并将该变化值与差压传感器测得的液位差值进行比对校准。
在上述技术方案的基础上，加入液体深度小于等于所述液体容器底面直径的四分之一。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的液位连通管受结构横向振动影响测试装置包括，能满足竖管横向激励幅值和频率要求，为削弱相关振动对挠度测量的不利影响提供了理论基础。
(2)本发明的液位连通管受结构横向振动影响测试装置解决了现有液位连通管静态挠度测量时对结构实时动态响应下的挠度不能测量或测量效果较差的问题，通过对横向振动影响因素的计算调整，解决桥梁横向振动带来的影响，使现有连通管系统可以为桥梁挠度提供更全面的测量、更高的精度、更大范围的有效数据。
附图说明
图1为本发明实施例中液位连通管受结构横向振动影响测试装置的结构主视图；
图2为本发明实施例中进行研究的典型管底压力差动态特性压力差时程曲线及其频谱分析图；
图3为本发明实施例中使用本发明液位连通管受结构横向振动影响测试方法获得的压差时程曲线图；
图4为本发明实施例中使用本发明液位连通管受结构横向振动影响测试方法获得的压差时程频谱图。
图中：1-试验平台，2-激振器，3-托架，4-连接板，5-液体容器，6-压力传感器，7-支架，8-滑轨，9-滑块，10-滑轨板。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种液位连通管受结构横向振动影响测试装置，包括：
试验平台1，试验平台上1设置有水平的滑轨8；滑轨板10，所述滑轨板10一侧固定有嵌合于滑轨8的滑块9，另一侧设有一支架7；液体容器5，液体容器5固定设置在支架7上方，所述液体容器5底部固定设置有压力传感器6；激振器2，激振器2一端固定设置在所述试验平台1上，另一端固定设置于连接板4，激振器2用于在水平方向按固定频率和固定振幅作用于连接板4。
在一个实施例中，可将激振器2通过一支撑托架3固定于所述试验平台1上，例如可将托架3焊接在试验平台1上，以保证试验过程中激振器2的轴向和横向稳定、轴向水平。
在一个实施例中，可将液体容器5设置为规则的圆柱体，并将压力传感器6设置于液体容器5底面中心位置并螺纹固定，提高静水压时的位移测量准确度，防止其在振动过程中产生水平位移影响测试结果。
本发明还提供一种使用上述液位连通管受结构横向振动影响测试装置进行测试的方法，该方法包括以下步骤：
S1、安装液位连通管受结构横向振动影响测试装置，向液体容器内加入液体，测量液体容器底面直径D和容器内液体深度H，计算液面一阶晃动频率参考值f0，计算液面一阶晃动频率参考值f0的公式如下所示：
S2、以Δf＝0.1Hz为增量步，在[f0-1,f0+1]范围内选取参数来设置激振器的振动频率进行液体容器的振动试验；
S3、当液体容器内液体发生共振现象时，读取激振器的设置频率和压力传感器的压力变化频率，计算液面一阶晃动频率f，计算公式如下：
其中，f1为采用压力传感器的压力变化频率或激振器的设置频率。
在步骤S3后，还可包括以下步骤：
S4、根据获得的液面一阶晃动频率，改变液体容器的直径和液深，使液体容器的液面一阶晃动频率大于桥梁横向振动的固有频率。
在一个实施例中，在安装如上所述液位连通管受结构横向振动影响测试装置后，可改变液体容器中液位深度，读取液位深度的变化值，并将该变化值与差压传感器测得的液位差值进行比对校准。
优选的，可控制加入液体深度小于等于液体容器底面直径的四分之一，以获得更高的测试精度和拟合效果。
下面由一个使用本发明液位连通管受结构横向振动影响测试装置进行相关测试研究的具体实施例(管底压力差动态特性研究)来说明本发明液位连通管受结构横向振动影响装置进行测试的具体过程：
试验前，将试验平台1底座通过锚栓等方式固定于地面或其它固定不动的位置，其余构件均应通过不同的连接方式固定在试验平台1底座上。为保证试验过程中激振器2的轴向和横向稳定、轴向水平，设置焊接在试验平台1上的托架3。压力传感器6通过G-3/8螺纹固定在具体使用连通管竖管的液体容器5的底板中心位置，液体容器5通过4枚顶丝固定于支架7顶面，支架7通过两M4螺栓固定于滑轨板10的远离激振器2的一端，滑轨板10通过近激振器2端的连接板4与激振器2用M4螺栓固结。激振器2采用TUTS电动作动器，推力±2kN，位移±50mm，位移控制精度0.01mm，频率范围0-100Hz，试验时可选择位移控制、力控制和双控模式，工作电压220V-AC。压力传感器6采用电压型陶瓷式差压传感器，响应时间1ms，工作电压24V-DC，位移测量的量程为0～1000mm，测量精度±0.1％FS。
在振动试验开始前，测定压力传感器6准确度，通过液体容器5自带的刻度读取液位深度变化值，并与压力传感器6测得的液位差值进行对比。在准确度和精度均满足条件的情况下，方可进行后续的横向振动下管底中心位置处液压分布特性试验。
振动试验时，液位深度依次设置为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm，竖管(液体容器)管径包含80mm、100mm、120mm，振幅为1mm、2mm、3mm，频率由低到高逐渐增加，试验工况为上述各参数的组合，合计45个试验工况。为提高试验过程的效率，在正式试验前，依据估算值对相应工况进行试加载以获取共振频率的大致范围。采用人工干预频率扫描法获取竖管内液体晃动时的共振频率值：加载初始频率低于共振频率约0.5Hz～1Hz。频率增加级差0.1Hz，在接近共振频率时级差调整为0.05Hz，在振幅明显增大时，级差再次调整为0.01Hz，以便对频率变化过程中液体晃动及其对管底中部(测压端)动压力特征进行观察、测试与分析。
对各工况液体晃动共振时的液位晃动频率值采用人工干预频率扫描法得到并进行对比，见表1。
表1各工况共振时液位晃动频率及幅值试验结果(单位：Hz/Pa)
由表1可知：(1)仅当液深较小时(H＝10mm)产生压力双(波)谷现象，动压力频率成分主要表现为偶数倍频，其中激励频率的两倍频为主峰频率，奇数倍频可忽略。该现象对位移测量有益，减小了波谷极值，随着频率的增加该现象逐渐减弱至消失。(2)液深10mm和20mm时的共振幅值均与管径尺寸无关，随激励振幅增加而增大；液深30mm、振幅1mm时的共振幅值与管径尺寸无关；振幅2mm和3mm时96mm管内径的共振振幅最小；液深40mm和50mm时96mm管内径的共振振幅最小，小管径共振振幅高于大管径共振振幅。
图2为本发明实施例中进行研究的典型管底压力差动态特性压力差时程曲线及其频谱分析图。由图可知，在发生共振之前时程曲线平稳，共振时的时程曲线出现拍现象。共振发生时，液体加速沿壁面爬升行成水跃，以至出现波碎飞溅出容器，然后在重力作用下向下回落，导致容器底压力差变化较为剧烈。在激励消失后，液体在粘性力作用下，恢复至静平衡，但由于液体总量的减少使得再平衡后的压力差小于初始值，测试值与容器壁上的刻度读数结果一致，再行加注液体至初始位置处，压力差读数恢复至初始值。由频谱分析可知，液体共振前在外激励(＝2.7Hz)下的晃动引起的压力差变化频率为外激励频率的倍频，以两倍频成分为主(＝5.4Hz)，四倍频成分较小。
由图3、4所示，在本实验装置进行振动试验中，在液位较低、振幅较小且在低于共振频率的一定频段范围内时，液体晃动伴有驻波产生，再加上流体沿壁面回落时的重力作用，使得压力差时程曲线出现了压力双(波)谷现象，验证了理论分析和测试的结果。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种液位连通管受结构横向振动影响测试装置，其特征在于，包括：
试验平台，所述试验平台上设置有水平的滑轨；
滑轨板，所述滑轨板一侧固定有嵌合于所述滑轨的滑块，另一侧设有一支架；
液体容器，所述液体容器固定设置在所述支架上方，所述液体容器底部固定设置有压力传感器；
激振器，所述激振器一端固定设置在所述试验平台上，另一端固定设置于所述连接板，所述激振器用于在水平方向按固定频率和固定振幅作用于所述连接板。
2.如权利要求1所述的液位连通管受结构横向振动影响测试装置，其特征在于：所述激振器通过一支撑托架固定于所述试验平台上。
3.如权利要求1所述的液位连通管受结构横向振动影响测试装置，其特征在于：所述液体容器为规则的圆柱体。
4.如权利要求1所述的液位连通管受结构横向振动影响测试装置，其特征在于：所述压力传感器设置于所述液体容器底面中心位置。
5.一种液位连通管受结构横向振动影响测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、安装权利要求1所述液位连通管受结构横向振动影响测试装置，向液体容器内加入液体，测量液体容器底面直径D和容器内液体深度H，计算液面一阶晃动频率参考值f0；
S2、以Δf＝0.1Hz为增量步，在[f0-1,f0+1]范围内选取参数来设置激振器的振动频率进行液体容器的振动试验；
S3、当液体容器内液体发生共振现象时，读取激振器的设置频率和压力传感器的压力变化频率，计算液面一阶晃动频率。
6.如权利要求5所述的液位连通管受结构横向振动影响测试方法，其特征在于：所述步骤S1中，按以下公式计算液面一阶晃动频率参考值f0：
7.如权利要求5所述的液位连通管受结构横向振动影响测试方法，其特征在于：所述步骤S3中，按以下公式计算液面一阶晃动频率f：
其中，f1为采用压力传感器的压力变化频率或激振器的设置频率。
8.如权利要求5所述的液位连通管受结构横向振动影响测试方法，其特征在于：在步骤S3后，还包括以下步骤：
S4、根据获得的液面一阶晃动频率，改变液体容器的直径和液深，使液体容器的液面一阶晃动频率大于桥梁横向振动的固有频率。
9.如权利要求5所述的液位连通管受结构横向振动影响测试方法，其特征在于：在安装权利要求1所述液位连通管受结构横向振动影响测试装置后，改变液体容器中液位深度，读取液位深度的变化值，并将该变化值与差压传感器测得的液位差值进行比对校准。
10.如权利要求5所述的液位连通管受结构横向振动影响测试方法，其特征在于：加入液体深度小于等于所述液体容器底面直径的四分之一。
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