CN109946155A - 一种钢桥焊缝应力实时监测装置及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢桥焊缝应力实时监测装置及应用方法，本发明装置包括：磁力座、连接构件和套筒式测应力装置；连接构件包括端部连接块、若干中间连接块和套筒连接块；套筒式测应力装置包括伸缩套筒，伸缩套筒由内套筒和外套筒组成，内套筒和外套筒之间为滑动连接。本发明方法：首先确定监测装置的安装位置；然后将监测装置中的压应力传感器通过数据线与计算机连接，并进行数据清零；再调试设备，试测多组数据，直至数据正常；最后整理测得数据，分析焊缝应力变化情况。本发明通过增减中间连接块的数量和移动磁力座的位置，可以测量不同位置、不同变形处焊缝的应力应变，灵活方便，应用前景广泛。

Description

一种钢桥焊缝应力实时监测装置及应用方法

技术领域

本发明涉及钢结构焊缝测量技术领域，具体涉及一种钢桥焊缝应力实时监测装置及应用方法。

背景技术

正交异性钢桥面板是一种由相互垂直的横、纵向加劲肋和面板焊接而成的钢桥面结构，此技术目前被广泛应用于国内外各中大型公路铁路桥梁建设项目中。正交异性钢桥面板具有质量轻、强度高、施工快捷等优点，但也同时存在结构柔、变形大、易疲劳等缺陷，其中容易产生疲劳开裂是正交异性钢桥面板设计中不可回避的重点问题之一。由于前期阶段裂缝很小难以发现，到发现时往往难以补救，故疲劳开裂带来的危害是极为巨大的。又由于钢桥面板长期直接承受车轮荷载的反复作用、顶板和U肋中焊接常常存在缺陷，容易发生应力集中，这使桥面板疲劳问题更为突出。

目前工程上常采用桥梁健康监测系统对钢桥疲劳开裂进行监测。这种系统通过在桥面板中间安装一个应变栅来监测钢桥桥面板应变，其缺点在于应变栅安装的位置决定了应变栅只能测得桥面板中间处的应力应变，难以真实反映顶板-U肋焊缝处的应力应变情况，并且应变栅体积大、重量大，安装和拆卸不便。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种钢桥焊缝应力实时监测装置及应用方法，本发明固定在顶板和U肋之间，可以真实的测得顶板-U肋之间焊缝的应力应变，通过相关分析可以得到顶板-U肋焊缝处的真实受力情况以及疲劳损伤情况，同时通过增减中间连接块数量和调整磁力座位置，测得不同距离处的应力应变情况，从而满足不同需求下对钢桥焊缝开裂问题的监测，解决了应变栅只能测得桥面板中间处的应力应变，难以真实反映顶板-U肋焊缝处的应力应变情况，并且应变栅体积大、重量大，安装和拆卸不便的问题。

技术方案：本发明一种钢桥焊缝应力实时监测装置，包括磁力座、连接构件和套筒式测应力装置；所述连接构件包括端部连接块、若干中间连接块和套筒连接块，所述端部连接块、若干中间连接块和套筒连接块依次相连接；单个所述中间连接块一端设有第一凸块，单个所述中间连接块另一端设有第二凹槽，若干所述中间连接块之间通过第一凸块与第二凹槽相配合串联连接；所述端部连接块一端设有带螺栓孔的半圆形栓头，所述半圆形栓头通过铰接螺栓与磁力座连接，所述端部连接块另一端设有第一凹槽，所述端部连接块和串联设置的若干中间连接块中位于首端的中间连接块通过第一凸块与第一凹槽相配合连接；所述套筒式测应力装置包括伸缩套筒，所述伸缩套筒由内套筒和外套筒组成，内套筒和外套筒之间为滑动连接，所述内套筒的封闭端内部通过沿内套筒长度方向设置的第一弹簧与第一磁铁连接，所述外套筒的封闭端内部通过沿外套筒长度方向设置的第二弹簧与第二磁铁连接，所述第一磁铁与第二磁铁通过磁性连接且第一磁铁与第二磁铁在内套筒内部滑动，所述第一磁铁与第二磁铁之间设有压应力传感器，所述压应力传感器通过数据线与计算机连接；所述内套筒和外套筒的封闭端外部均与套筒连接块一端固定连接，所述套筒连接块另一端设有第二凸块，所述套筒连接块和串联设置的若干中间连接块中位于末端的中间连接块通过第二凸块与第二凹槽相配合连接。

进一步的，所述第一凸块和第二凸块大小形状相同，所述第一凹槽和第二凹槽大小形状相同，且第一凸块、第二凸块、第一凹槽和第二凹槽的横截面均为大小形状相同的梯形。

进一步的，所述第一凸块自其所在中间连接块端部的一边沿中间连接块厚度方向延伸且延伸长度小于中间连接块厚度，所述第二凹槽自其所在中间连接块端部的一边沿中间连接块厚度方向延伸且延伸长度小于中间连接块厚度，所述中间连接块上的第一凸块和第二凹槽位置相对应；所述第一凹槽自其所在端部连接块端部的一边沿端部连接块厚度方向延伸且延伸长度小于端部连接块厚度，所述第二凸块自其所在套筒连接块端部的一边沿套筒连接块厚度方向延伸且延伸长度小于套筒连接块厚度，所述中间连接块、端部连接块和套筒连接块厚度均相同，这样能够使中间连接块、端部连接块和套筒连接块单方向滑动，因为力的传导是沿着轴向传递的，所以也不必担心中间连接块、端部连接块和套筒连接块的松动脱落。

进一步的，所述磁力座上设有两个带圆形螺栓孔的固定板，所述内套筒和外套筒均为正方形套筒，所述第一磁铁和第二磁铁大小形状均相同，固定板通过螺栓与相应的连接块铰接相连，从而保证力沿着装置方向传递；第一磁铁和第二磁铁磁吸夹着压应力传感器，对压应力传感器起到固定作用。

本发明还提供了一种钢桥焊缝应力实时监测装置的应用方法，包括如下步骤：

(1)确定监测装置的安装位置，打开磁力座开关，使磁力座与安装位置准确对接；

(2)将监测装置安装完成，并且将压应力传感器通过数据线与计算机连接，并进行数据清零；

(3)调试设备，试测多组数据，若数据正常，开始记录；若数据异常，分析原因并进一步调试，直至数据正常；

(4)依据转换函数获取应力变化曲线，通过建立相应的有限元模型，施加不同大小的车轮荷载，提取应力与焊缝应力，绘制应力与焊缝应力关系曲线，对曲线进行拟合，建立以下函数：

σ＝f(Δ)＝g(F)；

(5)进行分析，依据上述建立的函数将采集到的应力变化曲线转换为焊缝应力变化曲线，依据焊缝应力变化曲线计算得到应力幅，绘制应力谱，最终依据疲劳损伤线性累计准则计算疲劳损伤度。

有益效果：本发明固定在顶板和U肋之间，可以测得顶板-U肋之间焊缝的应力应变，通过相关分析可以得到顶板-U肋焊缝处的真实受力情况以及疲劳损伤情况；由于本发明通过磁力座和桥面板、U肋固定，所以安装拆卸方便；在此基础上，本发明还通过增减中间连接块数量和调整磁力座位置，测得不同距离处的应力应变情况，从而满足不同需求下对钢桥焊缝开裂问题的监测。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为磁力座结构示意图；

图3为端部连接块结构示意图；

图4为磁力座和端部连接块连接结构示意图；

图5为中间连接块结构示意图；

图6为套筒连接块结构示意图；

图7为相邻中间连接块连接结构示意图；

图8为本发明装置安装结构示意图；

图9为套筒式测应力装置结构示意图；

图10为本发明装置应用示意图；

图11为受力与应力关系示意图。

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明一种钢桥焊缝应力实时监测装置，包括磁力座1、连接构件2和套筒式测应力装置3；其中连接构件2包括两个端部连接块21、若干中间连接块22和两个套筒连接块23，端部连接块21、若干中间连接块22和套筒连接块23依次相连接；套筒式测应力装置3包括伸缩套筒31，伸缩套筒31由内套筒311和外套筒312组成，内套筒311和外套筒312均为正方形套筒，且内套筒311和外套筒312之间为滑动连接。

如图2至图4所示，磁力座1上设有两个带圆形螺栓孔的固定板11，同时端部连接块21一端设有带螺栓孔的半圆形栓头211，使用时将铰接螺栓穿过磁力座1上的固定板11和端部连接块21上的半圆形栓头211，拧紧螺帽，使磁力座1和端部连接块21铰接相连，从而保证力沿着装置方向传递。

如图5至图8所示，单个中间连接块22一端设有第一凸块221，单个中间连接块22另一端设有第二凹槽222，中间连接块22的第一凸块221和第二凹槽222位置相对应，同时若干中间连接块22之间通过第一凸块221与第二凹槽222相配合串联连接；端部连接块21另一端设有第一凹槽212，端部连接块21和串联设置的若干中间连接块22中位于首端的中间连接块22通过第一凸块221与第一凹槽212相配合连接；串联连接的若干中间连接块22之间可以满足测量距离的需求；两个套筒连接块23一端分别与内套筒311和外套筒312的封闭端外部固定连接，套筒连接块23另一端设有第二凸块231，套筒连接块23和串联设置的若干中间连接块22中位于末端的中间连接块22通过第二凸块231与第二凹槽222相配合连接。

本装置的中间连接块22、端部连接块21和套筒连接块23厚度均相同，而且第一凸块221和第二凸块231大小形状相同，第一凹槽212和第二凹槽222大小形状相同，且第一凸块221、第二凸块231、第一凹槽212和第二凹槽222的横截面均为大小形状相同的梯形；第一凸块221自其所在中间连接块22端部的一边沿中间连接块22厚度方向延伸且延伸长度小于中间连接块22厚度，第二凹槽222自其所在中间连接块22端部的一边沿中间连接块22厚度方向延伸且延伸长度小于中间连接块22厚度，即第一凸块221的厚度和第二凹槽222的深度均小于中间连接块22厚度，同时中间连接块22上的第一凸块221和第二凹槽222位置相对应；第一凹槽212自其所在端部连接块21端部的一边沿端部连接块21厚度方向延伸且延伸长度小于端部连接块21厚度，第二凸块231自其所在套筒连接块23端部的一边沿套筒连接块23厚度方向延伸且延伸长度小于套筒连接块23厚度，即第一凹槽212的深度小于端部连接块21厚度，第二凸块231的厚度小于套筒连接块23厚度，使得中间连接块22、端部连接块21和套筒连接块23的梯形凸块和梯形凹槽都是同在单方向滑动，而且受到的力的传导是沿着轴向传递的，也不必担心中间连接块22、端部连接块21和套筒连接块23的松动脱落。使用这种嵌入式的连接方式不仅起到连接固定的作用，又方便实际使用中增减中间连接块22时的安装和拆卸，可根据增减中间连接块22数量，测得不同距离处的应力应变情况，从而满足不同需求下对钢桥焊缝开裂问题的监测。

如图9至图10所示，套筒式测应力装置3中的内套筒311的封闭端内部通过沿内套筒311长度方向设置的第一弹簧313与第一磁铁314连接，外套筒312的封闭端内部通过沿外套筒312长度方向设置的第二弹簧315与第二磁铁316连接，第一磁铁314和第二磁铁316大小形状均相同，并且第一磁铁314与第二磁铁316通过磁性连接，第一磁铁314与第二磁铁316在内套筒311内部滑动。

第一磁铁314与第二磁铁316之间设有压应力传感器317，由于第一磁铁314和第二磁铁316磁吸作用，可对压应力传感器317起到固定作用；压应力传感器317通过数据线与计算机318连接。

套筒式测应力装置3中，伸缩套筒31主要起到固定内部结构的作用，保证内部结构不受一些外在因素，如人为因素、自然因素等的影响，此外因为套筒式结构仅发生轴向相对位移，也可以确保力沿轴向传递。第一弹簧313和第二弹簧315均为劲度系数确定的弹簧，保证在有相对位移的情况下，保证力沿轴向传递给中间的压应力传感器317，压应力传感器317测得相应的压应力和已知的弹簧劲度系数便可以计算出相对位移，但是由于永磁铁之间存在初始的磁力，第一弹簧313和第二弹簧315之间也存在初始的弹力，故本装置在安装好后，需要进行校零。

如图11所示，本发明一种钢桥焊缝应力实时监测装置的应用方法，包括如下步骤：

(1)确定监测装置的安装位置，打开磁力座1开关，使磁力座1与安装位置准确对接；

(2)将监测装置安装完成，并且将压应力传感器317通过数据线与计算机318连接，并进行数据清零；

(3)调试设备，试测多组数据，若数据正常，开始记录；若数据异常，分析原因并进一步调试，直至数据正常；

(4)依据转换函数获取应力变化曲线，通过建立相应的有限元模型，施加不同大小的车轮荷载，提取应力与焊缝应力，绘制应力与焊缝应力关系曲线，对曲线进行拟合，建立以下函数：

σ＝f(Δ)＝g(F)；

(5)进行分析，依据上述建立的函数将采集到的应力变化曲线转换为焊缝应力变化曲线，依据焊缝应力变化曲线计算得到应力幅，绘制应力谱，最终依据疲劳损伤线性累计准则计算疲劳损伤度，即可达到对钢桥焊缝应力实时监测，并且计算出疲劳损伤度进行维护。

本发明原理为：首先确定磁力座1的安装位置，然后磁力座1上的固定板11与端部连接块21上的半圆形栓头211通过铰接螺栓进行铰接相连；再通过端部连接块21上的第一凹槽212，中间连接块22上的第一凸块221和第二凹槽222，套筒连接块23上的第二凸块231，通过凸块和凹槽之间的匹配，以及套筒连接块23与伸缩套筒31两端固定连接即与内套筒311和外套筒312的封闭端外部固定连接，形成监测装置；对于测量不同距离处的应力应变情况，可根据增减中间连接块22数量，从而满足不同需求下对钢桥焊缝开裂问题的监测；接着将压应力传感器317通过数据线与计算机318连接，并进行数据清零；当施加不同大小的车轮荷载，可通过压应力传感器317测得相应的压应力和已知的弹簧劲度系数便可以计算出相对位移，并且依据转换函数获取应力变化曲线，通过建立相应的有限元模型，通过提取应力与焊缝应力，绘制应力与焊缝应力关系曲线，对曲线进行拟合，建立函数：

σ＝f(Δ)＝g(F)

进行分析，依据上述建立的函数将采集到的应力变化曲线转换为焊缝应力变化曲线，依据焊缝应力变化曲线计算得到应力幅，绘制应力谱，最终依据疲劳损伤线性累计准则计算疲劳损伤度，即可达到对钢桥焊缝应力实时监测，并且计算出疲劳损伤度进行维护。

Claims (5)

1.一种钢桥焊缝应力实时监测装置，其特征在于：包括磁力座、连接构件和套筒式测应力装置；所述连接构件包括端部连接块、若干中间连接块和套筒连接块，所述端部连接块、若干中间连接块和套筒连接块依次相连接；单个所述中间连接块一端设有第一凸块，单个所述中间连接块另一端设有第二凹槽，若干所述中间连接块之间通过第一凸块与第二凹槽相配合串联连接；所述端部连接块一端设有带螺栓孔的半圆形栓头，所述半圆形栓头通过铰接螺栓与磁力座连接，所述端部连接块另一端设有第一凹槽，所述端部连接块和串联设置的若干中间连接块中位于首端的中间连接块通过第一凸块与第一凹槽相配合连接；所述套筒式测应力装置包括伸缩套筒，所述伸缩套筒由内套筒和外套筒组成，内套筒和外套筒之间为滑动连接，所述内套筒的封闭端内部通过沿内套筒长度方向设置的第一弹簧与第一磁铁连接，所述外套筒的封闭端内部通过沿外套筒长度方向设置的第二弹簧与第二磁铁连接，所述第一磁铁与第二磁铁通过磁性连接且第一磁铁与第二磁铁在内套筒内部滑动，所述第一磁铁与第二磁铁之间设有压应力传感器，所述压应力传感器通过数据线与计算机连接；所述内套筒和外套筒的封闭端外部均与套筒连接块一端固定连接，所述套筒连接块另一端设有第二凸块，所述套筒连接块和串联设置的若干中间连接块中位于末端的中间连接块通过第二凸块与第二凹槽相配合连接。

2.根据权利要求1所述的一种钢桥焊缝应力实时监测装置，其特征在于：所述第一凸块和第二凸块大小形状相同，所述第一凹槽和第二凹槽大小形状相同，且第一凸块、第二凸块、第一凹槽和第二凹槽的横截面均为大小形状相同的梯形。

3.根据权利要求2所述的一种钢桥焊缝应力实时监测装置，其特征在于：所述第一凸块自其所在中间连接块端部的一边沿中间连接块厚度方向延伸且延伸长度小于中间连接块厚度，所述第二凹槽自其所在中间连接块端部的一边沿中间连接块厚度方向延伸且延伸长度小于中间连接块厚度，所述中间连接块上的第一凸块和第二凹槽位置相对应；所述第一凹槽自其所在端部连接块端部的一边沿端部连接块厚度方向延伸且延伸长度小于端部连接块厚度，所述第二凸块自其所在套筒连接块端部的一边沿套筒连接块厚度方向延伸且延伸长度小于套筒连接块厚度，所述中间连接块、端部连接块和套筒连接块厚度均相同。

4.根据权利要求1所述的一种钢桥焊缝应力实时监测装置，其特征在于：所述磁力座上设有两个带圆形螺栓孔的固定板，所述内套筒和外套筒均为正方形套筒，所述第一磁铁和第二磁铁大小形状均相同。

5.一种钢桥焊缝应力实时监测装置的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定监测装置的安装位置，打开磁力座开关，使磁力座与安装位置准确对接；

(2)将监测装置安装完成，并且将压应力传感器通过数据线与计算机连接，并进行数据清零；

(3)调试设备，试测多组数据，若数据正常，开始记录；若数据异常，分析原因并进一步调试，直至数据正常；

(4)依据转换函数获取应力变化曲线，通过建立相应的有限元模型，施加不同大小的车轮荷载，提取应力与焊缝应力，绘制应力与焊缝应力关系曲线，对曲线进行拟合，建立以下函数：

σ＝f(Δ)＝g(F)；

(5)进行分析，依据上述建立的函数将采集到的应力变化曲线转换为焊缝应力变化曲线，依据焊缝应力变化曲线计算得到应力幅，绘制应力谱，最终依据疲劳损伤线性累计准则计算疲劳损伤度。