CN109506605A - 分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置及方法，包括：基准液箱，其侧壁靠近顶部位置处设置有液面控制孔，基准液箱内灌装有液体，且与液面控制孔顶缘齐平，基准液箱顶部设有带有阀门的通气管；补液液箱，其内灌装有液体，补液液箱的底面高程不低于基准液箱顶面高程；液面控制管，其一端连接补液液箱的顶部，另一端连接液面控制孔；补液管，其两端分别连接基准液箱底部和补液箱底部；液体连通管，其一端与基准液箱的下部连通，液体连通管靠近基准液箱的一端设有工作阀门；位移传感器，其与基准液箱通过液体连通管相连接。本发明既适用于桥梁分节段施工期间的梁体竖向位移自动化监测，又适用于该类结构竣工后的竖向位移长期自动化监测。

Description

分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置及方法

技术领域

本发明涉及桥梁结构监测、检测与维护、管理养护领域。更具体地说，本发明涉及一种分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置及方法。

背景技术

随着近年来我国经济社会的进步，桥梁建设事业蓬勃发展，已建和在建的大跨度桥梁日益增多，节段施工以其良好的适应性在大跨度连续梁和连续刚构、斜拉桥、悬索桥中得到了大规模应用，为保证该类桥梁结构的运营期安全，均在桥梁完工后安装或计划安装位移监测设备。对于其施工期安全，目前仍单独采用基于水准仪(全站仪)的人工定期测量方法，存在耗费时间和人力、实时性不强、人为因素对结果影响明显等缺点，且在雨、雾、霾等能见度差的天气难以正常工作。液位连通管式结构竖向位移(挠度)测量设备具有无需通视、布设便捷、低成本和较好的环境适应性等优点，已在桥梁静载试验和长期健康监测中的结构竖向位移(挠度)监测/测量中得到了越来越多地应用。但如何兼顾梁体分节段施工期竖向位移监测和运营期竖向位移长期监测，尚未有有效方法和设备。对于长期监测过程中的基准液位恒定保持方法主要有：(1)在液面附一层硅油、液态石蜡等浮漂措施降低液体蒸发速度；(2)设置自动补水装置，但既有自动补水装置均包含有需外部电力的抽水设备长期工作，既不经济节能也增加了构造设计的复杂程度，尤其是当电力供应、抽水设备性能无法持续满足时，该方法将无法实现液位补偿，在抽水设备启动补水时也将造成基准液面较大的波动，进而导致位移监测传感器读数波动较大引起虚警。

为此，亟需研究改进既有连通管式结构竖向位移监测技术，使其能适应施工期和运营期不同阶段的结构竖向位移监测需求，且应具有在线、远程及自动化监测的功能以提高监测效率和数据准确性，消除自然环境(雨、雾、霾等)和人为因素对测量结果的影响，具有重要的理论和工程意义。

发明内容

本发明的目的是提供分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置及方法，既适用于桥梁分节段施工的梁体竖向位移自动化监测，又适用于该类结构竣工后的竖向位移长期自动化监测。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置，包括：

基准液箱，其侧壁靠近顶部位置处设置有液面控制孔，所述基准液箱内灌装有液体，且与液面控制孔顶缘齐平，所述基准液箱顶部设有带有阀门的通气管；

补液液箱，其内灌装有液体，所述补液液箱的底面高程不低于基准液箱顶面高程；

液面控制管，其一端连接补液液箱的顶部，另一端连接液面控制孔；

补液管，其两端分别连接基准液箱底部和补液箱底部；

液体连通管，其一端与基准液箱的下部连通，所述液体连通管靠近基准液箱的一端设有工作阀门；

位移传感器，其与基准液箱通过液体连通管相连接。

优选的是，液体连通管通过连通管接头接长或缩短，在连通管接头靠近基准液箱的一侧设有连通管接长用阀门；

各个位移传感器端的液体连通管均设有一带阀门的排气管。

优选的是，补液液箱顶部设有一带阀门的液体加注管。

优选的是，补液管靠近基准液箱的一端设有补液阀门。

优选的是，基准液箱内部靠近补液管处固定有挡板。

优选的是，位移传感器通过无线或有线方式传输至数据终端机服务器。

本发明还提供了一种维持基准液位恒定的自动补充方法，包括以下步骤：

步骤一、将补液液箱的底面高程设置为不低于基准液箱顶面高程，在补液液箱的顶部和基准液箱的液面控制孔之间连接液面控制管，基准液箱底部和补液箱底部之间连接补液管，所述补液管上设置有补液阀门，基准液箱的下部连接有液体连通管，液体连通管上设置有工作阀门；

步骤二、关闭液体加注管上的阀门、打开补液阀门和工作阀门；

步骤三、梁体竖向位移监测装置工作期间，在基准液位蒸发、管路渗漏、管路接长和缩短操作等造成基准液位变动时，实现基准液位的恒定。

本发明至少包括以下有益效果：

采用分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置及其方法可以解决桥梁分节段施工期挠度的连续、远程、实时监测，使现有连通管式竖向位移监测/测量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。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置的结构示意图；

图2是模拟蒸发启停对基准液箱液位影响的位移数据图；

图3是防冻装置的结构示意图；

图4是归位组件的结构示意图；

图5是推块的俯视图；

图6是防冻套筒的结构示意图。

1补液液箱，101液体加注管，102液体加注阀门，103液面控制管，104补液管，105补液阀门，2基准液箱，201挡板，202液面控制孔，3液体连通管，301工作阀门，302接长用阀门，303连通管接头，304排气阀门，305支管，4位移传感器，5数据终端机服务器；601防冻套筒，602支管套筒，603环形传动环，604齿轮，605连杆，606拉板，607弹簧，608固定套，609底块，610推块，611第二滑块，612刷毛，613第三斜面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明主要用于桥梁分节段施工的主梁竖向位移监测测量，诸如连续刚构、连续梁等悬浇施工和钢梁节段吊装过程中已有梁段的竖向位移(挠度)等。

该设备在施工期结束后可直接作为长期健康监测系统的竖向位移监测子系统继续发挥作用，为结构安全提供保证的同时节省工程总投资，也使得梁体竖向位移监测具有连续性，更便于桥梁的后期管养维护。

如图1所示，本发明提供了分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置，包括：

基准液箱2，其侧壁靠近顶部位置处设置有液面控制孔202，所述基准液箱2内灌装有液体，且与液面控制孔202顶缘齐平，所述基准液箱2顶部设有带有阀门的通气管，通气管用于连通基准液位处气体与大气场；

补液液箱1，其内灌装有液体，其灌装的液体与基准液箱2中的液体相同，所述补液液箱1的底面高程不低于基准液箱2顶面高程，以使基准液位稳定在固定高程；设置的补液箱主要作用为：(1)用于消除监测过程中基准液位降低(蒸发、渗漏等引起)对监测结果的影响；(2)用于消除液体连通管3接长或缩短时基准液位下降对已有测点位移传感器4监测结果的影响。

液面控制管103，其一端连接补液液箱1的顶部，另一端连接基准液箱2侧壁靠近顶部位置处的液面控制孔202；

补液管104，其两端分别连接基准液箱2底部和补液箱底部；

液体连通管3，其一端与基准液箱2的下部连通，所述液体连通管3靠近基准液箱2的一端设有工作阀门301；

位移传感器4，其与基准液箱2通过液体连通管3相连接。

其工作原理为：

(1)基准液位由于蒸发、渗漏或液体连通管3接长等造成的下降均将使得补偿液位通过液位控制管与基准液位连通，处于同一气压场，且与当地大气压相同。

(2)补偿液位高程大于基准液位高程，在重力作用下补液液箱1中的液体通过补液管104流入基准液箱2，基准液位高程随之升高。

(3)当基准液位与液位控制管连接基准液箱2的液面控制孔202齐平时，液位控制管与大气场隔绝，补偿过程结束。

在另一种技术方案中，液体连通管3通过连通管接头303接长或缩短，在连通管接头303靠近基准液箱2的一侧设有连通管接长用阀门302；液体连通管3随着施工过程的不同，可接长或缩短。为了适应主梁的分节段施工过程中竖向位移自动监测，液体连通管3分为多段，随着梁体的拼接或拆除，通过连通管接头303实现液体连通管3的拼接接长或拆除缩短。各位移传感器4安装时，相对应位置处的接长用阀门302和排气阀门304均为关闭状态。

各个位移传感器4端的液体连通管3均设有一带排气阀门304的排气管。

在另一种技术方案中，补液液箱1顶部设有一带液体加注阀门102的液体加注管101。

在另一种技术方案中，补液管104靠近基准液箱2的一端设有补液阀门105。

当补偿液位下降到无法实现基准液位补偿时，应为补液液箱1加注与原液体具有相同性能参数的液体。加注方法与过程为：(a)关闭补液阀门105；(b)打开位于补液液箱1顶部的加注液体阀门；(c)由液体加注口加入所需液体；(d)关闭加注液体阀门，再打开补液阀门105。通过补水阀门的打开和闭合，消除补液液箱1加注液体时对基准液位的影响。

在另一种技术方案中，基准液箱2内部靠近补液管104处固定有挡板201。

为消除基准液位补偿时补液管104中的液体流入基准液箱2时引起的压力波动对液体连通管3的压力影响，进而影响位移传感器4监测结果，基准液箱2靠近补液管104附近设置一挡板201，防止补液管104的液体直接流入液体连通管3，造成压力波动。

在另一种技术方案中，位移传感器4通过无线或有线方式传输至数据终端机服务器5，完成数据的存储与分析处理。获得的测量或监测数据既可以通过液晶显示装置直接读取并手工记录，也可以经无线或者数据总线的方式直接传输到PC进行数据存储与分析，还可以先行存储到数据存储卡，再经PC读出进行数据的处理运算。位移传感器4通过无线传输技术(WiFi、RF、Lora或GPRS等)或有线传输技术(RS485或CAN总线技术等)将数据传送至数据存储及处理分析设备(计算机或云平台)，避免了常规的水准仪、全站仪等设备由于观测者、观测方法和观测经验不同带来的人为观测误差，以及雨、雾、雪、霾和酷暑等自然和气候条件的影响。

该设备在施工期结束后可直接作为长期健康监测系统的竖向位移监测子系统继续发挥作用，为结构安全提供保证的同时节省工程总投资，也使得梁体竖向位移监测具有连续性，更便于桥梁的后期管养维护。

梁体分节段施工期间，数据存储及处理分析设备(计算机或手机APP)根据需要放置于操作方便的地点，可避免该类竖向位移监测时地理环境条件的限制。

该装置结构自重轻、便于模块化生产，设备安装及操作便捷，经济节约便于大范围推广。

本发明还提供了一种维持基准液位恒定的自动补充方法，包括以下步骤：

步骤一、将补液液箱的底面高程设置为不低于基准液箱顶面高程，在补液液箱的顶部和基准液箱的液面控制孔之间连接液面控制管，基准液箱底部和补液箱底部之间连接补液管，所述补液管上设置有补液阀门，基准液箱的下部连接有液体连通管，液体连通管上设置有工作阀门；

步骤二、关闭液体加注管上的阀门、打开补液阀门和工作阀门。

步骤三、梁体竖向位移监测装置工作期间，在基准液位蒸发、管路渗漏、管路接长和缩短操作等造成基准液位变动时，实现基准液位的恒定。

以新桥修建为例，期间的液体连通管为拼接接长。首先将基准液箱和补液箱一起布设于固定位置(如，墩顶箱梁内等)处，连接好测点1处位移传感器，关闭接长用阀门、排气管的阀门和补液阀门，完成液体灌注后打开补液阀门，即可实现梁体测点1处的竖向位移实时监测。第二节段主梁施工完成后，通过连通管接头接长液体连通管至测点2处，安装位移传感器后打开测点1处液体连通管上的接长用阀门，待测点2处的位移传感器可正常工作后关闭排气管的阀门，接长用阀门维持关闭状态。随着梁段施工的推进，依次类推接长液体连通管，实现桥梁分节段施工的梁体竖向位移监测。

数据采集频率10s/次，补液液箱内液位高程高于基准液箱内液位高程60mm，补液液箱、基准液箱内径均为190mm，液面控制管端部截面内径60mm、高120mm，试验过程中温度变化范围17.6～18.6℃，试验时采用内径4mm硅胶软管结合虹吸原理将基准液箱中液位降低模拟液体蒸发作用。试验过程中的液位降低速度大于实际工程中的液体蒸发引起的液位降低速度，造成基准水箱液面的小幅振荡，通过试验过程中的模拟蒸发启停控制液面降低以对比速度不同对基准水箱液面的影响。结果如图2显示：液体蒸发速度对基准水箱液面影响不超过±0.5mm，且该影响值随着蒸发速度的降低而减小。

模拟蒸发至模拟蒸发停止过程中，液面高程在有蒸发时高程值的基础上缓慢增加后很快保持恒定；当由模拟蒸发停止至模拟蒸发发生过程中，液面高程值在无蒸发时高程值的基础上减小并很快保持稳定，该高程变化值与补水管内径有关，内径越大补偿越及时，该高程值变化越迅速且幅值越小。

在另一种技术方案中，如图3～6所示，所述液体连通管下方还设置有防冻装置，其包括：

多个防冻套筒601，其分别套设于一对连通管接头之间的液体连通管上，所述防冻套筒601上设有开口，所述开口的宽度大于连接位移传感器和液体连通管的支管305直径，所述防冻套管内的底面为倾斜的第三斜面613；

所述防冻套筒601的开口边侧相对设置有一对支管套筒602，所述支管套筒602穿过防冻套筒601的壁厚并通过顶推组件控制，所述支管套筒602的侧壁设置有限位块，以对支管套筒602进行限位，防止支管套筒602由于重力的作用下落；所述防冻套筒601和支管套筒602的内壁面均设置有刷毛612，刷毛612由尼龙丝制成，其弹性好，耐摩擦，不吸水。

所述顶推组件包括底块609和推块610，所述底块609固定于支管套筒602下方，其底面为向开口方向倾斜的第一斜面，所述第一斜面上向上凹陷依次形成第一滑槽和第二滑槽，所述第二滑槽的宽度大于第一滑槽的宽度，所述推块610顶面具有与第一斜面相配合的第二斜面，所述第二斜面上具有第一滑块和第二滑块611，所述第一滑块和第二滑块611分别匹配第一滑槽和第二滑槽，所述滑块相对支管的侧壁为凸出的曲面；

一对归位组件，分别相对设置于支管套筒602两侧，归位组件包括拉板606、弹簧607和固定套608，固定套608固定于防冻套筒601，其内部中空且空腔内底面水平，所述拉板606水平固定于支管套筒602的侧壁，所述弹簧607的一端与拉板606固定，其另一端穿入所述固定套608并与其底面固定；

驱动机构，其包括环形传动环603、齿轮604、电机和连杆605，所述环形传动环603具有上齿条和下齿条，所述电机驱动所述齿轮604转动，所述齿轮604外周局部具有连续的齿，齿数设置为当齿轮604转动时，齿轮604与上齿条啮合时不与下齿条啮合，与下齿条啮合时不与上齿条啮合，从而实现环形传动环603的左右往复运动，所述环形传动环603的两端连接有连杆605；

其中，所述防冻套筒601的下端设置有支撑管，所述支撑管与所述连杆605固定。

在上述技术方案中，由于冬季夜里降温，液体连通管表面的冷凝水结冰，甚至会影响液体连通管内部的温度，并且液体连通管表面结冰也影响其接长或缩短，为了解决这一问题，通过设置防冻装置，将液体连通管表面的冷凝水清除，具体操作为：根据当前位移传感器的数量确定防冻套筒601的数量，将防冻套筒601套设于位移传感器对应的液体连通管上，多个防冻套筒601之间通过杆体连接成一个整体，再通过驱动机构对两侧的防冻套筒601进行传动，使两侧的防冻套筒601左右运动。针对其中一个防冻套筒601的运动来详细说明，当防冻套筒601左右移动时，其上的刷毛612对液体连通管表面的冷凝水进行清除，由于刷毛612疏水，最终汇集到防冻套筒601的底面，由于其底面是倾斜的，最终液体会流出防冻套筒601，在防冻套筒601左右移动时，支管套筒602靠近支管时，支管推动滑块的曲面，滑块向外移动，推动底块609向上运动，从而支管套筒602向上运动同时也使弹簧607处于一个张拉的状态，当防冻套筒601继续移动时，支管逐渐离开支管套筒602，在弹簧607的弹力作用下，支管套筒602向下运动，推块610归位，在支管套筒602上下运动的过程中，其上的刷毛612能更快速的刷掉支管表面的冷凝水，防止冷凝水在支管表面结冰。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置，其特征在于，包括：

基准液箱，其侧壁靠近顶部位置处设置有液面控制孔，所述基准液箱内灌装有液体，且与液面控制孔顶缘齐平，所述基准液箱顶部设有带有阀门的通气管；

补液液箱，其内灌装有液体，所述补液液箱的底面高程不低于基准液箱顶面高程；

液面控制管，其一端连接补液液箱的顶部，另一端连接液面控制孔；

补液管，其两端分别连接基准液箱底部和补液箱底部；

液体连通管，其一端与基准液箱的下部连通，所述液体连通管靠近基准液箱的一端设有工作阀门；

位移传感器，其与基准液箱通过液体连通管相连接。

2.如权利要求1所述的分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置，其特征在于，液体连通管通过连通管接头接长或缩短，在连通管接头靠近基准液箱的一侧设有连通管接长用阀门；

各个位移传感器端的液体连通管均设有一带阀门的排气管。

3.如权利要求1所述的分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置，其特征在于，补液液箱顶部设有一带阀门的液体加注管。

4.如权利要求1所述的分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置，其特征在于，补液管靠近基准液箱的一端设有补液阀门。

5.如权利要求1所述的分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置，其特征在于，基准液箱内部靠近补液管处固定有挡板。

6.如权利要求1所述的分节段施工桥梁的梁体竖向位移监测装置，其特征在于，位移传感器通过无线或有线方式传输至数据终端机服务器。

7.一种维持基准液位恒定的自动补充方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将补液液箱的底面高程设置为不低于基准液箱顶面高程，在补液液箱的顶部和基准液箱的液面控制孔之间连接液面控制管，基准液箱底部和补液箱底部之间连接补液管，所述补液管上设置有补液阀门，基准液箱的下部连接有液体连通管，液体连通管上设置有工作阀门；

步骤二、关闭液体加注管上的阀门、打开补液阀门和工作阀门；

步骤三、梁体竖向位移监测装置工作期间，在基准液位蒸发、管路渗漏、管路接长和缩短操作等造成基准液位变动时，实现基准液位的恒定。