CN111751215A - 一种转体桥梁称重试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种试验系统，具体涉及一种转体桥梁称重试验系统，包括千斤顶、位移传感装置和荷载传感装置，千斤顶用于对转体进行施力加载，荷载传感装置用于测量千斤顶顶升力的大小，位移传感装置用于测量转体上转盘的位移量，还包括数据采集仪、千斤顶控制器和中控组件，数据采集仪与位移传感装置和荷载传感装置信号连接，用于采集位移信号和荷载信号，并将信号传递至中控组件，千斤顶控制器与千斤顶信号连接，用于控制千斤顶的启停，中控组件与千斤顶控制器和数据采集仪信号连接，用于接收并存储数据采集仪发出的信号，并在位移信号出现突变后控制千斤顶停止加载。

Description

一种转体桥梁称重试验系统
技术领域
本发明涉及一种试验系统，具体涉及一种转体桥梁称重试验系统。
背景技术
转体施工在跨越既有铁路的桥梁工程中应用广泛，具有施工速度快、对既有线运营干扰小、安全可靠等诸多优势。在桥梁转体施工前都需要进行称重试验，称重试验是转体实施前的一项重要工作，目的是通过试验实测转体结构的不平衡力矩Mg、摩阻力矩Mz，并推算摩阻系数，为转体结构配重和转动索力的计算提供数据支撑。
当前转体称重试验，主要通过布置人工操作的液压顶升千斤顶，配合机械百分表人工观察位移，这种方式下存在如下不足之处：其一，通过油压表间接计算顶升力存在较大的误差；其二，通过人工观察百分表，位移突变时喊停顶升加载，反馈慢且存在人工操作误差；其三，传统称重试验功效低下，需要安排多人操作千斤顶和观察百分表位移，且在狭小的转体操作平台上存在一定的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转体桥梁称重试验系统，解决人工操作千斤顶并配合机械百分表人工观察位移的方式进行转体称重试验会造成顶升力计算误差较大的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种转体桥梁称重试验系统，包括千斤顶、位移传感装置和荷载传感装置，所述千斤顶用于对转体进行施力加载，所述荷载传感装置用于测量千斤顶顶升力的大小，所述位移传感装置用于测量转体上转盘的位移量，还包括数据采集仪、千斤顶控制器和中控组件；
所述数据采集仪与位移传感装置和荷载传感装置信号连接，用于采集位移信号和荷载信号，并将信号传递至中控组件；
所述千斤顶控制器与千斤顶信号连接，用于控制千斤顶的启停；
所述中控组件与千斤顶控制器和数据采集仪信号连接，用于接收并存储数据采集仪发出的信号，并在位移信号出现突变后控制千斤顶停止加载。
进一步的技术方案是，还包括承台，所述承台的上侧设有球铰，所述转体上转盘的下侧与球铰相连，所述千斤顶设置于承台上，荷载传感装置设置于千斤顶的上端，转体上转盘位于荷载传感装置的上侧，所述转体上转盘下侧与承台上侧之间设有支撑脚。
更进一步的技术方案是，所述承台的上侧环绕球铰设有呈圆环形的滑道，所述支撑脚设置为多个，并且在滑道内均匀设置。
更进一步的技术方案是，所述千斤顶设置为四个，包括第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶和第四千斤顶，所述第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶和第四千斤顶在滑道内以90度的间隔均匀设置，且第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶和第四千斤顶与转体桥梁的桥轴线呈45度角布置，所述荷载传感装置与千斤顶的数量和位置相适配。
更进一步的技术方案是，所述位移传感装置设置为4个，包括第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器和第四位移传感器，所述第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器和第四位移传感器在滑道内以90度的间隔均匀设置，且第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器和第四位移传感器沿转体桥梁的横桥向和纵桥向布置。
更进一步的技术方案是，所述中控组件包括称重控制模块、数据采集存储模块、数据分析模块和称重结果报告模块；
所述称重控制模块与千斤顶信号连接，用于切换不同的称重控制模式和感应位移突变点；
所述数据采集存储模块与数据采集仪和称重控制模块信号连接，用于接收位移信号和荷载信号，并对位移信号数据、荷载信号数据和称重模式数据进行实时存储；
所述数据分析模块与数据采集存储模块信号连接，用于根据加载模式导出不平衡力矩和摩阻力矩；
所述称重结果报告模块与数据分析模块信号连接，用于生成称重试验报告。
更进一步的技术方案是，所述称重控制模块控制千斤顶进行四种不同的称重控制模式。
更进一步的技术方案是，所述称重控制模块可以判断同一动作不同千斤顶之间升力的差值。
更进一步的技术方案是，所述荷载传感装置的上侧通过垫块与转体上转盘相连，所述垫块为高度可调节的垫块。
更进一步的技术方案是，所述千斤顶为可调速的电动螺旋千斤顶，所述荷载传感装置为桥式荷载传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过千斤顶进行顶升加载，荷载传感装置便可对千斤顶的顶升力进行测量，同时位移传感装置便可对位移量进行测量，位移传感装置将测量到的位移信号通过数据采集仪传递至中控组件中，在中控组件检测到位移信号出现突变时将传递信号给千斤顶控制器，并利用千斤顶控制器使千斤顶停止加载，便可得到突变点处的载荷值，通过不同控制模式下的千斤顶控制，便可得到计算摩阻力矩和不平衡力矩所需的数据，从而计算出摩阻力矩和不平衡力矩，通过此方式可以对转体称重试验进行自动化控制，具有自动化程度高，测量及控制精确，操作方便、功效高、试验过程无安全隐患的优点。
附图说明
图1为本发明转体桥梁称重试验系统的结构框图。
图2为本发明转体桥梁称重试验系统的结构示意图。
图3为本发明中千斤顶、位移传感装置和支撑脚的分布示意图。
图4为本发明中摩阻力矩大于不平衡力矩称重原理示意图。
图5为本发明中小里程侧在摩阻力矩小于不平衡力矩时的称重原理示意图。
图标：1-球铰，2-垫块，3-荷载传感装置，4-千斤顶，401-第一千斤顶，402-第二千斤顶，403-第三千斤顶，404-第四千斤顶，5-位移传感装置，501-第一位移传感器，502-第二位移传感器，503-第三位移传感器，504-第四位移传感器，6-支撑脚，601-第一支撑脚，602-第二支撑脚，603-第三支撑脚，604-第四支撑脚，605-第五支撑脚，606-第六支撑脚，607-第七支撑脚，608-第八支撑脚，7-转体上转盘，8-承台，9-滑道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
图1-5示出了本发明转体桥梁称重试验系统的一个较佳实施方式，本实施例中的转体桥梁称重试验系统具体包括千斤顶4、位移传感装置5和荷载传感装置3，千斤顶4用于对转体进行施力加载，荷载传感装置3用于测量千斤顶4顶升力的大小，位移传感装置5用于测量转体上转盘7的位移量，还包括数据采集仪、千斤顶控制器和中控组件，数据采集仪与位移传感装置5和荷载传感装置3信号连接，用于采集位移信号和荷载信号，并将信号传递至中控组件，千斤顶控制器与千斤顶4信号连接，用于控制千斤顶4的启停，中控组件与千斤顶控制器和数据采集仪信号连接，用于接收并存储数据采集仪发出的信号，并在位移信号出现突变后控制千斤顶4停止加载。
通过千斤顶4进行顶升加载，荷载传感装置3便可对千斤顶4的顶升力进行测量，同时位移传感装置5便可对位移量进行测量，位移传感装置5将测量到的位移信号通过数据采集仪传递至中控组件中，在中控组件检测到位移信号出现突变时将传递信号给千斤顶控制器，并利用千斤顶控制器使千斤顶4停止加载，便可得到突变点处的载荷值，通过不同控制模式下的千斤顶4控制，便可得到计算摩阻力矩和不平衡力矩所需的数据，从而计算出摩阻力矩和不平衡力矩，通过此方式可以对转体称重试验进行自动化控制，具有自动化程度高，测量及控制精确，操作方便、功效高、试验过程无安全隐患的优点。
还包括承台8，承台8的上侧设有球铰1，转体上转盘7的下侧与球铰1相连，千斤顶4设置于承台8上，荷载传感装置3设置于千斤顶4的上端，转体上转盘7位于荷载传感装置3的上侧，转体上转盘7下侧与承台8上侧之间设有支撑脚6。承台8的上侧环绕球铰1设有呈圆环形的滑道9，支撑脚6设置为多个，并且在滑道9内均匀设置。荷载传感装置3的上侧通过垫块2与转体上转盘7相连，垫块2为高度可调节的垫块2。荷载传感装置3为桥式荷载传感器。
承台8用于试验时的底部支撑，球铰1以便于转体上转盘7进行转动，千斤顶4设置于承台8上侧的环形滑道9内，荷载传感装置3设置在千斤顶4的上端(顶升端)，在垫块2设置在荷载装置的上端，其中垫块2采用高度可调节的垫块2，包括自身高度便可调节的垫块2和多层可拆卸结构的垫块2，起作用在于调节千斤顶4、荷载传感装置3与转体上转盘7之间的距离，确保千斤顶4行程能够适应转体上转盘7与滑道9的距离。其中垫块2为钢结构的垫块2。而选择桥式荷载传感器可以精确测量千斤顶4顶升力的大小，同时能更好地使荷载传感装置3的量程与加载千斤顶4的最大力匹配。
千斤顶4设置为四个，包括第一千斤顶401、第二千斤顶402、第三千斤顶403和第四千斤顶404，第一千斤顶401、第二千斤顶402、第三千斤顶403和第四千斤顶404在滑道9内以90度的间隔均匀设置，且第一千斤顶401、第二千斤顶402、第三千斤顶403和第四千斤顶404与转体桥梁的桥轴线呈45度角布置，荷载传感装置3与千斤顶4的数量和位置相适配。千斤顶4均采用可调速的电动螺旋千斤顶。
位移传感装置5设置为4个，包括第一位移传感器501、第二位移传感器502、第三位移传感器503和第四位移传感器504，第一位移传感器501、第二位移传感器502、第三位移传感器503和第四位移传感器504在滑道9内以90度的间隔均匀设置，且第一位移传感器501、第二位移传感器502、第三位移传感器503和第四位移传感器504沿转体桥梁的横桥向和纵桥向布置。
中控组件包括称重控制模块、数据采集存储模块、数据分析模块和称重结果报告模块，称重控制模块与千斤顶4信号连接，用于切换不同的称重控制模式和感应位移突变点，数据采集存储模块与数据采集仪和称重控制模块信号连接，用于接收位移信号和荷载信号，并对位移信号数据、荷载信号数据和称重模式数据进行实时存储，数据分析模块与数据采集存储模块信号连接，用于根据加载模式导出不平衡力矩和摩阻力矩，称重结果报告模块与数据分析模块信号连接，用于生成称重试验报告。
第一千斤顶4、第二千斤顶402、第三千斤顶403和第四千斤顶404的上端分别对应的设有荷载传感装置3，从而使四个荷载传感装置3和第一位移传感器501、第二位移传感器502、第三位移传感器503和第四位移传感器504设置于滑道9上，荷载传感装置3和千斤顶4如附图3所示的方式进行布置，其中附图3中沿中心处的水平方向为纵桥向方向，沿中心处的竖直方向为横桥向方向，纵桥向方向的左侧为小里程侧，纵桥向方向的右侧为大里程侧。其中，第一位移传感器501和第三位移传感器503沿纵桥向方向进行布置(即是沿主梁中心线布置)，第二位移传感器502和第四位移传感器504沿横桥向方向布置，其中第一位移传感器501、第二位移传感器502、第三位移传感器503和第四位移传感器504均采用桥式传感器，里程为0-10mm，根据称重的工况，第一位移传感器501、第二位移传感器502、第三位移传感器503和第四位移传感器504组成不同的测量分组，在纵桥向称重时，测量时采用第一位移传感器501和第三位移传感器503，在横桥向称重时，采用第二位移传感器502和第四位移传感器504，位移信号通过数据采集仪传输至计算机的中空系统中，并在计算机的软件中绘制出位移时程曲线，通过称重控制模块判断位移时程曲线的突变点，当检测到突变点后，称重控制模块将发出信号给千斤顶控制器，利用千斤顶控制器控制千斤顶4停止加载，并使数据采集存储模块记录突变点处千斤顶4的荷载值。
第一千斤顶401、第二千斤顶402、第三千斤顶403和第四千斤顶404均采用可调速的电动螺旋千斤顶，在千斤顶控制器的控制下，第一千斤顶401、第二千斤顶402、第三千斤顶403和第四千斤顶404加载便可组成不同的分组，并分组动作，使转体上转盘7产生绕球铰1的刚体转体，不同的加载分组可以适应不同的称重工况，在纵桥向称重时，应使转体上转盘7绕球铰1的横轴转动，此时，小里程侧加载第一千斤顶401和第四千斤顶404，大里程侧加载第二千斤顶402和第四千斤顶404；在横桥向称重时，应使转体上转盘7绕球铰1的纵轴转动，此时，左侧加载分组为第一千斤顶401和第二千斤顶402，右侧加载分组为第三千斤顶403和第四千斤顶404。
称重控制模块可以判断同一动作不同千斤顶4之间升力的差值，并反馈控制信号，通过调速控制顶升力差值在允许范围内，确保同组千斤顶4同步提升。
数据采集存储模块通过数据采集仪实时接收位移信号和力信号，并可实时存储位移时程数据、荷载时程数据、加载模式数据。
数据分析模块根据分析加载模式自动计算出不平衡力矩和摩阻力矩，并可根据球铰1的几何参数计算出摩阻系数。
试验结果报告模块会根据称重试验的结果，将数据、图标等导入称重试验报告模板中，自动生成称重试验报告，大大提升称重试验报告编制效率。
称重控制模块控制千斤顶4进行四种不同的称重控制模式，其中三种为自动控制模式，另一种为手工控制模式。通过选择不同的控制模式输入对应的结构参数，包括千斤顶4与转动中心之间的距离、球铰1的直径、球面半径，从而实现称重过程的自动控制和数据分析报告的生成。每一种控制模式对应不同的平衡状态和称重工况，详细如下：
转体桥的不平衡力矩主要由于纵桥向悬臂结构的质量分布不均产生，横桥向较小，在转体前纵桥向有两种平衡状态，其一，不平衡力矩小于极限摩阻力矩，拆除临时支撑后，转体支撑脚6不与滑道9接触，依靠摩阻力矩即可与不平衡力矩形成平衡状态；其二，不平衡力矩大于极限摩阻力矩，根据不平衡力矩的方向，当小里程侧较重时，第一支撑脚601、第八支撑脚608与滑道9接触提供支反力，与不平衡力矩、摩阻力矩形成平衡状态，当大里程侧较重时，第四支撑脚604、第五支撑脚605与下滑道9接触提供支反力，与不平衡力矩、摩阻力矩形成平衡状态。横桥向由于不平衡力矩较小，很难克服摩阻力形成刚体转动，因此在横桥向不平衡力矩和摩阻力矩形成平衡状态。
前两种称重控制模式为纵向称重工况，对应转体前纵向的两种平衡状态，其一为不平衡力矩、摩阻力矩、支撑脚6支反力三者平衡状态，其二为不平衡力矩和摩阻力矩的平衡状态；第三种称重控制模式为横向称重，第四种为人工控制模式。其中在模式一下还对应小里程侧支撑脚6落地和大里程侧支撑脚6落地两种工作场景。各称重控制模式下对应不同的千斤顶4和测量分组，如下表所列。
Figure BDA0002608190430000061
Figure BDA0002608190430000071
数据分析模块根据不同的称重控制模式和记录的位移突变时的荷载值，分析不平衡力矩和摩阻力矩，具体原理如下：
在控制模式1时：
如图4所示，测量并输入第一千斤顶401、第四千斤顶404距转动中心的距离L1，第二千斤顶402、第三千斤顶403距转动中心的距离L2，假设小里程侧较重，不平衡力矩为Mg，在小里程侧和大里程侧分别进行加载测试，小里程侧加载时，摩阻力矩与假设不平衡力矩方向相同，记录并识别位移突变时的千斤顶顶力为P1，此时可认为是不平衡力矩、摩阻力距和顶升力形成平衡状态，有如下关系：
P1×L1＝Mz+Mg (1)
在大里程侧加载时，摩阻力矩与假设不平衡力矩方向相反，记录并识别位移突变时的千斤顶顶力为P2，此时不平衡力矩、摩阻力矩和顶升力平衡关系如下：
P2×L2+Mg＝Mz (2)
联立(1)、(2)两式可得：
Mg＝(P1×L1－P2×L2)÷2
Mz＝(P1×L1+P2×L2)÷2
若Mg计算结果为负值，说明不平衡力矩的方向与假设相反，亦即大里程侧较重。
在控制模式2时：
如图5所示，假设小里程侧较重，不平衡力矩克服极限摩阻力使得撑脚支撑于下滑道上，并提供支反力。此时仅在小里程侧加载，第一千斤顶401、第四千斤顶404距转动中心的距离L1，不平衡力矩为Mg，小里程侧加载时，摩阻力矩与假设不平衡力矩方向相同，记录并识别位移突变时的千斤顶顶力为P升，此时可认为是不平衡力矩、摩阻力距和顶升力形成平衡状态，有如下关系：
P升×L1＝Mz+Mg (3)
随后，千斤顶顶力逐渐减小，摩阻力矩开始转向，当不平衡力矩大于摩阻力矩和顶升力矩时产生刚体位移，亦即位移产生突变。此时，不平衡力矩、摩阻力矩和顶升力矩的平衡状态如下：
P落×L1+Mg＝Mz (4)
联立(3)、(4)两式可得：
Mg＝(P升－P落)×L1÷2
Mz＝(P升+P落)×L1÷2
大里程侧较重时的力矩平衡方程与(3)、(4)式相同，区别仅在于L1为第二千斤顶402、第三千斤顶403距转动中心的距离。
在控制模式3时：
横桥向由于不平衡力矩较小，很难克服摩阻力矩形成撑脚接触下滑道的平衡状态，其称重原理与控制模式1相同。先加载左侧第一千斤顶401、第二千斤顶402，记录第一千斤顶401、第二千斤顶402距转动中心的距离L1和位移突变时的顶升力P1，然后卸载；再加载右侧的第三千斤顶403、第四千斤顶404，记录第三千斤顶403、第四千斤顶404距转动中心的距离L2和位移突变时的顶升力P2，然后卸载，其中，力矩平衡方程和摩阻力、不平衡力矩计算见控制模式1。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种转体桥梁称重试验系统，包括千斤顶（4）、位移传感装置（5）和荷载传感装置（3），所述千斤顶（4）用于对转体进行施力加载，所述荷载传感装置（3）用于测量千斤顶（4）顶升力的大小，所述位移传感装置（5）用于测量转体上转盘（7）的位移量，其特征在于：还包括数据采集仪、千斤顶控制器和中控组件；
所述数据采集仪与位移传感装置（5）和荷载传感装置（3）信号连接，用于采集位移信号和荷载信号，并将信号传递至中控组件；
所述千斤顶控制器与千斤顶（4）信号连接，用于控制千斤顶（4）的启停；
所述中控组件与千斤顶控制器和数据采集仪信号连接，用于接收并存储数据采集仪发出的信号，并在位移信号出现突变后控制千斤顶（4）停止加载。
2.根据权利要求1所述的转体桥梁称重试验系统，其特征在于：还包括承台（8），所述承台（8）的上侧设有球铰（1），所述转体上转盘（7）的下侧与球铰（1）相连，所述千斤顶（4）设置于承台（8）上，荷载传感装置（3）设置于千斤顶（4）的上端，转体上转盘（7）位于荷载传感装置（3）的上侧，所述转体上转盘（7）下侧与承台（8）上侧之间设有支撑脚（6）。
3.根据权利要求2所述的转体桥梁称重试验系统，其特征在于：所述承台（8）的上侧环绕球铰（1）设有呈圆环形的滑道（9），所述支撑脚（6）设置为多个，并且在滑道（9）内均匀设置。
4.根据权利要求3所述的转体桥梁称重试验系统，其特征在于：所述千斤顶（4）设置为四个，包括第一千斤顶（401）、第二千斤顶（402）、第三千斤顶（403）和第四千斤顶（404），所述第一千斤顶（401）、第二千斤顶（402）、第三千斤顶（403）和第四千斤顶（404）在滑道（9）内以90度的间隔均匀设置，且第一千斤顶（401）、第二千斤顶（402）、第三千斤顶（403）和第四千斤顶（404）与转体桥梁的桥轴线呈45度角布置，所述荷载传感装置（3）与千斤顶（4）的数量和位置相适配。
5.根据权利要求4所述的转体桥梁称重试验系统，其特征在于：所述位移传感装置（5）设置为4个，包括第一位移传感器（501）、第二位移传感器（502）、第三位移传感器（503）和第四位移传感器（504），所述第一位移传感器（501）、第二位移传感器（502）、第三位移传感器（503）和第四位移传感器（504）在滑道（9）内以90度的间隔均匀设置，且第一位移传感器（501）、第二位移传感器（502）、第三位移传感器（503）和第四位移传感器（504）沿转体桥梁的横桥向和纵桥向布置。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的转体桥梁称重试验系统，其特征在于：所述中控组件包括称重控制模块、数据采集存储模块、数据分析模块和称重结果报告模块；
所述称重控制模块与千斤顶（4）信号连接，用于切换不同的称重控制模式和感应位移突变点；
所述数据采集存储模块与数据采集仪和称重控制模块信号连接，用于接收位移信号和荷载信号，并对位移信号数据、荷载信号数据和称重模式数据进行实时存储；
所述数据分析模块与数据采集存储模块信号连接，用于根据加载模式导出不平衡力矩和摩阻力矩；
所述称重结果报告模块与数据分析模块信号连接，用于生成称重试验报告。
7.根据权利要求6所述的转体桥梁称重试验系统，其特征在于：所述称重控制模块控制千斤顶（4）进行四种不同的称重控制模式。
8.根据权利要求6所述的转体桥梁称重试验系统，其特征在于：所述称重控制模块可以判断同一动作不同千斤顶（4）之间升力的差值。
9.根据权利要求1-5任意一项所述的转体桥梁称重试验系统，其特征在于：所述荷载传感装置（3）的上侧通过垫块（2）与转体上转盘（7）相连，所述垫块（2）为高度可调节的垫块（2）。
10.根据权利要求1-5任意一项所述的转体桥梁称重试验系统，其特征在于：所述千斤顶（4）为可调速的电动螺旋千斤顶，所述荷载传感装置（3）为桥式荷载传感器。
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