CN112748067A - 一种准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，包括以下步骤：对测力装置上的两楔形的荷载转换器施加水平或者侧向力，促使测力装置的高度改变，记录高度改变时或者暂停改变时传感装置的水平或者侧向力值；精准调节两荷载转换器之间的间隙，促使传感装置与荷载转换器密贴；释放动力装置，记录此时两荷载转换器之间传感装置测出的水平或者侧向力值；根据荷载转换器所受力的力学平衡关系，得出摩擦系数与荷载转换器倾角、水平或者侧向力的关系式，并求出摩擦系数；本发明能在测力装置服役状态下准确计算出摩擦系数，并且还能对竖向力进行准确标定。

Description

一种准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法

技术领域

本发明涉及轨道交通结构工程技术领域，还可以应用于公路、市政、建筑等结构工程领域，具体涉及一种准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法。

背景技术

测力装置与支座用于测定结构间传力构件的受力，被广泛应用于各个领域，特别是在桥梁工程领域，测力装置作为桥梁结构上部结构和下部结构主要传力构件，测力装置受力的变化可很大程度上反应桥梁的整体运行情况，实现桥梁支座即桥梁竖向反力监测数据的采集，可为桥梁的健康监测提供技术依据。随着我国高速公路、铁路桥梁建设逐年增加，对桥梁支座竖向静载和动载的监测对桥梁的运行具有重要现实意义。

对于楔形调高测力装置，因为在运营过程中楔形块不可避免存在磨损，且考虑材料自身的老化性能，其摩擦系数可能会产生变化，在通过测定测力装置的楔形机构水平力反推竖向力时，由于竖向力的求解与摩擦系数有关，因此摩擦系数的改变影响竖向力的精准性，因而需要对摩擦系数进行现场测定，但是目前对于楔形测力装置的摩擦系数测定过程中，都需要两荷载转换器的相对距离发生改变，这样两荷载转换器之间就会存在一定的间隙，使得在释放两荷载转换器的动力后，测力装置的高度会有轻微变化，从而导致装置高度调节前后的竖向受力存在差别，使得摩擦系数测定结果准确度不高；同时测力装置因传感装置的使用寿命远不如桥梁支座本体，因为在运营过程中不可避免会出现误差，漂移或需更换，包括实际力-传感器的对应关系会发生变化，因此需要重新对其竖向力进行标定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，用以解决装置服役状态下楔形测力装置与支座的摩擦系数测定的准确性较低，导致竖向力不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下方案：

一种基于准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，包括以下步骤：

S1：对测力装置上的两楔形的荷载转换器施加水平或者侧向力，促使测力装置的高度改变，记录高度改变时或者暂停改变时传感装置的水平或者侧向力值；

S2：精准调节两荷载转换器之间的间隙，促使传感装置与荷载转换器密贴；

S3：释放动力装置，记录此时两荷载转换器之间传感装置测出的水平或者侧向力值；

S4：根据荷载转换器在S1和S3中所受力的力学平衡关系，得出摩擦系数与荷载转换器倾角、水平或者侧向力的关系式，并求出摩擦系数；

优选的，还包括步骤S5：根据荷载转换器在步骤S1和步骤S3中所受力的力学平衡关系，得出竖向力与荷载转换器倾角、水平或者侧向力、摩擦系数的关系式，在结合步骤S4中求出的摩擦系数，准确求出竖向力。

优选的，在步骤S1中，该方法采用的测力装置包括上调节板和下调节板，在上调节板上方或者下调节板下方设置支座芯体，上调节板底面设有调节腔，调节腔内设置两个荷载转换器，在测力装置上设置动力装置，动力装置的输出端串联传感装置后与其中一荷载转换器侧部和/端部接触，动力装置的固定端与另一荷载转换器侧部和/或端部连接，动力装置输出水平或者侧向力推动两荷载转换器相互远离设定距离，使得上调节板高度上升到设定高程时暂停动力输出，此时动力装置施加的水平或者侧向力值可以通过输出端串联的传感装置直接测出。

优选的，在步骤S2中，该方法使用的测力装置在其两荷载转换器之间设有一个或多个传感装置，在传感装置的一侧或者两侧设置有限位装置，该限位装置为调节螺杆，调节螺杆与对应的荷载转换器螺纹连接，步骤S1后，两荷载转换器之间相对远离后使得测力装置高度上升到设定高程，两荷载转换器之间形成间隙，通过调节螺杆将传感装置调节到与荷载转换器密贴。

优选的，所述传感装置与调节螺杆之间设有锁定装置。

优选的，所述锁定装置为钢板或者型钢或者混凝土块。钢板或者型钢或者混凝土块的数量可根据现场实际情况选择适宜的数量，使得锁定装置可调节，易于操作。

优选的，所述传感装置两端设有匹配的固定座，固定座位于传感装置与限位装置之间，固定座为一组或多组。

优选的，所述限位装置为两楔形块，两楔形块的倾斜面相互匹配贴合，通过两楔形块的相互滑动调节到传感装置与荷载转换器密贴。两楔形块可以通过上、下相互滑动或者前、后相互滑动精准调节传感装置与荷载转换器之间的间隙，使得传感装置与荷载转换器密贴，利用楔形块的杠杆原理，使得用较小的力(该力与两楔形块相互滑动方向同向)就可以得到较大的横向力(该力为水平方向)，从而达到传感装置与荷载转换器密贴的目的，使得调节速度更快，省时省力。

优选的，在步骤S3中，在释放动力装置施加的水平或者侧向力后，上部构件的竖向载荷完全作用于测力装置上，由于步骤S2中传感装置与荷载转换器密贴，使得两荷载转换器之间无间隙，两荷载转换器之间不会再次发生相对位移，此时调高装置的高度保持不变，两荷载转换器之间传感装置测出水平或者侧向力值。

优选的，所述荷载转换器的顶面与调节腔的顶面斜直面或者柱面或者曲面接触，荷载转换器底面与下调节板上支承面平面或者曲面或者斜直面接触，所述调节腔顶面与荷载转换器顶面之间、荷载转换器底面与下调节板顶面之间分别设有匹配的上摩擦副和下摩擦副。

优选的，所述动力装置为液压缸或者气压缸或者机械传动机构。

本发明具有的有益效果：

1、本发明通过将荷载转换器所受力的力学平衡关系，得出摩擦系数与水平或侧向力、荷载转换器倾斜角之间的关系式，并准确求出摩擦系数；根据得出的竖向力与荷载转换器倾角、水平或者侧向力、摩擦系数的关系式，准确求出竖向力，本方法可以在测力装置与支座处于服役状态对摩擦系数精准测定，从而能准确求出竖向力，从而实现快速准确的对支座进行竖向力标定，保证对支座在运营期内受力的准确监测，提高桥梁结构的安全性。

2、本方法通过调节螺杆或者楔形块能精准调节两荷载转换器之间的间隙，促使传感装置与荷载转换器密贴，使得装置在两次平衡关系式中，其高度是不会变化的，高度不变则表示上部所受载荷不变，这样在基于装置高度不变的情况下计算出的摩擦系数值更为准确，使得对竖向力的标定也更为准确。

附图说明

图1为本发明的流程结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为支座芯体位于上调节板上方的结构示意图；

图4为设有调节螺杆的结构示意图；

图5为设有锁定装置的结构示意图；

图6为锁定装置与调节螺杆的另一种结构示意图；

图7为设有固定座的结构示意图；

图8为限位装置为楔形块的结构图：

图9为图8中加入动力装置的结构图；

图10为两楔形块的另一种滑动结构示意图；

图11为楔形块连接动力装置的结构示意图；

图12为图2中接入动力装置的结构示意图。

附图标记：1-支座芯体，2-上摩擦副，3-荷载转换器，4-下摩擦副，5-传感装置，6-上调节板，7-螺栓，8-下调节板，9-调节腔，10-调节螺杆，11-锁定装置，12-规定作，13-动力装置，14-楔形块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖向”、“纵向”、“侧向”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”、“顶”、“底”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“开有”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1、2、3所示，一种基于准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，包括以下步骤：

S1：对测力装置上的两楔形的荷载转换器3施加水平或者侧向力，使得两荷载转换器3相互远离，从而促使测力装置的高度上升，记录高度改变时或者暂停改变时传感装置5的水平或者侧向力值T₁；

S2：精准调节两荷载转换器3之间的间隙，促使传感装置5与荷载转换器3密贴；

S3：释放动力装置13，记录此时两荷载转换器3之间传感装置5测出的水平或者侧向力值T₂；

S4：根据荷载转换器在S1和S3中所受力的力学平衡关系，得出摩擦系数与荷载转换器3倾角、水平或者侧向力的关系式，并求出摩擦系数；

S5：根据荷载转换器在S1和S3中所受力的力学平衡关系，得出竖向力与荷载转换器3倾角、水平或者侧向力、摩擦系数的关系式，在结合S4中求出的摩擦系数，准确求出竖向力。

具体的，测力装置所受的竖向力为P，该竖向力P在传递到两楔形荷载转换器3上的竖向力分别为P/2，将荷载转换器3所受的全部外力进行分解，在S1步骤中，f₁＝N₁×μ₁，f₂＝μ₂×P/2，通过N₁和f₁在荷载转换器3上分解后，得到N₁＝P/2(cosθ+μ₁×sinθ)，则T₁＝-f₂+{P(tanθ-μ₁)/2(1+μ₁tanθ)}；在步骤S3中释放动力装置13后，f₃＝N₂×μ₁，f₄＝μ₂×P/2，荷载转换器3的坡度夹角为θ，通过N₂和f₃在荷载转换器3上分解后，得到N₂＝P/2(cosθ-μ₁×sinθ)，则T₂＝f₂+{P(tanθ+μ₁)/2(1-μ₁tanθ)}，根据上述公式最终得出公式关系P＝{(T₁+T₂)×(1-μ₁ ²tan²θ)}/tanθ(1+μ₁ ²)，上述公式中：(上述公式中：N₁和N₂分别代表调荷载转换器3所受斜直面压力，f₁、f₃分别代表荷载转换器3斜直面的摩擦力，f₂、f₄代表荷载转换器3底面所受摩擦力，μ₁、μ₂分别代表荷载转换器3上下面滑动摩擦系数)，在本实施例中，采用等效摩擦系数μ代替上下滑动面摩擦系数μ₁和μ₂，则可算出μ＝T₂-T₁/(T₁+T₂)(tanθ+2/tanθ)，T₂和T₁都是可以直接得到的，则可以准确算出摩擦系数；进而通过水平力可以对运营期的测力装置的摩擦系数进行测定，根据装置竖向力与水平力关系式T₁＝-f₂+{P(tanθ-μ₁)/2(1+μ₁tanθ)}，得出P＝2T₁(1+μtanθ)/(tanθ-2μ-μ²tanθ)，在摩擦系数及传感装置5读数确定后，即可准确计算出装置竖向实际受力，进而实现对运营期测力装置与支座的竖向进行准确标定，保证对支座在运营期内受力的准确监测，提高桥梁结构的安全性。

实施例2

本实施例中，在步骤S1中，该方法采用的测力装置包括上调节板6和下调节板8，如图1和4所示，在上调节板6上方或者下调节板8下方设置支座芯体1，支座芯体1可以为球形支座、摩擦摆支座、橡胶支座、减隔震支座等，上调节板6底面设有调节腔9，调节腔9内设置两个荷载转换器3，上调节板6和下调节板8之间通过螺栓7固定并将两荷载转换器3限制于调节腔9内，荷载转换器3顶面与调节腔9顶面斜直面接触，调节腔9呈倒V形，荷载转换器3底面与下调节板8的上支承面为平面接触，如图12所示，在测力装置上设置动力装置13，动力装置13为液压缸或者气压缸或者机械传动机构，本实施例中动力装置13采用液压千斤顶，动力装置13的输出端串联传感装置5后与其中一荷载转换器3侧部和/端部接触，动力装置13的固定端与另一荷载转换器3侧部和/或端部连接，动力装置13输出水平或者侧向力推动两荷载转换器3相互远离设定距离，使得上调节板6高度上升到设定高程时暂停动力输出，此时动力装置13施加的水平或者侧向力值可以通过输出端串联的传感装置5直接测出。

在步骤S2中，该方法使用的测力装置在其两荷载转换器3之间设有一个或多个传感装置5，在传感装置5的一侧或者两侧设置有限位装置，该限位装置为调节螺杆10，调节螺杆10与对应的荷载转换器3螺纹连接，步骤S1后，两荷载转换器3之间相对远离后使得测力装置高度上升到设定高程，两荷载转换器3之间形成间隙，通过调节螺杆10将传感装置5调节到与荷载转换器3密贴。

如图5所示，所述传感装置5与调节螺杆10之间设有锁定装置11。

所述锁定装置11为钢板或者型钢或者混凝土块。钢板或者型钢或者混凝土块的数量可根据现场实际情况选择适宜的数量，使得锁定装置11可调节，易于操作。

如图7所示，所述传感装置5两端设有匹配的固定座12，固定座12位于传感装置5与限位装置之间，固定座12为一组或多组，即固定座12是可以分开的也可以是整体的，若是分开设置，则每个传感装置5对应一组固定座12，若是整体的，则是多个传感装置5共用一组固定座12。

本实施例还有另一种结构，如图6所示，所述两荷载转换器3相对立的两端螺纹连接调节螺杆10，两调节螺杆10相对立的两端部之间分别串联锁定装置11，传感装置5设置于两锁定装置11之间。

本实施例中，可以直接将锁定装置11并联与两荷载转换器3之间，调节螺杆10一端或者两端与对应的荷载转换器3螺纹连接，传感装置5设置与两调节螺杆10之间或者串联在调节螺杆10自由端。

实施例3

如图8-11所示，本实施例中，所述限位装置采用两楔形块14，两楔形块14的倾斜面相互匹配贴合，通过两楔形块14的相互滑动调节到传感装置5与荷载转换器3密贴，其余同时实施例2一样，两楔形块14可以通过上、下相互滑动或者前、后相互滑动精准调节传感装置5与荷载转换器3之间的间隙，使得传感装置5与荷载转换器3密贴，利用楔形块12的杠杆原理，使得用较小的力(该力与两楔形块12相互滑动方向同向)就可以得到较大的横向力(该力为水平方向)，从而达到传感装置5与荷载转换器3密贴的目的，使得调节速度更快，省时省力，在此基础上，还可以在两楔形块12上设置动力装置13，动力装置13输出端与其中一楔形块12端部接触，动力装置13固定端与另一楔形块12连接，通过动力装置13施加力，起到辅助的作用，同时动力装置13上还可以连接外部控制器，用以实现智能调节，更为高效快速。

在步骤S3中，在释放动力装置13施加的水平或者侧向力后，上部构件(梁体)的竖向载荷完全作用于测力装置上，由于步骤S2中通过调节螺杆10或者楔形块12将传感装置5与荷载转换器3调节到密贴，使得两荷载转换器3之间无间隙，测力装置在竖向载荷下，两荷载转换器3之间不会再次发生相对位移，此时调高装置的高度保持不变，两荷载转换器3之间传感装置测出水平或者侧向力值。

实施例4

本实施例中，如图1所示，所述荷载转换器3的顶面与调节腔9的顶面斜直面或者柱面或者曲面接触，荷载转换器3底面与下调节板8上支承面平面或者曲面或者斜直面接触，所述调节腔9顶面与荷载转换器3顶面之间、荷载转换器3底面与下调节板8顶面之间分别设有匹配的上摩擦副2和下摩擦副4。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对测力装置上的两楔形的荷载转换器(3)施加水平或者侧向力，促使测力装置的高度改变，记录高度改变时或者暂停改变时传感装置(5)的水平或者侧向力值；

S2：精准调节两荷载转换器(3)之间的间隙，促使传感装置(5)与荷载转换器(3)密贴；

S3：释放动力装置(13)，记录此时两荷载转换器(3)之间传感装置(5)测出的水平或者侧向力值；

S4：根据荷载转换器在步骤S1和S3中所受力的力学平衡关系，得出摩擦系数与荷载转换器(3)倾角、水平或者侧向力的关系式，并求出摩擦系数。

2.根据权利要求1所述的一种准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，其特征在于，还包括步骤S5：根据荷载转换器在步骤S1和S3中所受力的力学平衡关系，得出竖向力与荷载转换器(3)倾角、水平或者侧向力、摩擦系数的关系式，在结合S4中求出的摩擦系数，准确求出竖向力。

3.根据权利要求1所述的一种准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，其特征在于，在步骤S1中，该方法采用的测力装置包括上调节板(6)和下调节板(8)，在上调节板(6)上方或者下调节板(8)下方设置支座芯体(1)，上调节板(6)底面设有调节腔(9)，调节腔(9)内设置两个荷载转换器(3)，在测力装置上设置动力装置(13)，动力装置(13)的输出端串联传感装置(5)后与其中一荷载转换器(3)侧部和/端部接触，动力装置(13)的固定端与另一荷载转换器(3)侧部和/或端部连接，动力装置(13)输出水平或者侧向力推动两荷载转换器(3)相互远离设定距离，使得上调节板(6)高度上升到设定高程时暂停动力输出，此时动力装置(13)施加的水平或者侧向力值可以通过输出端串联的传感装置(5)直接测出。

4.根据权利要求1所述的一种准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，其特征在于，在步骤S2中，该方法使用的测力装置在其两荷载转换器(3)之间设有一个或多个传感装置(5)，在传感装置(5)的一侧或者两侧设置有限位装置，该限位装置为调节螺杆(10)，调节螺杆(10)与对应的荷载转换器(3)螺纹连接，步骤S1后，两荷载转换器(3)之间相对远离后使得测力装置高度上升到设定高程，两荷载转换器(3)之间形成间隙，通过调节螺杆(10)将传感装置(5)调节到与荷载转换器(3)密贴。

5.根据权利要求4所述的一种准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，其特征在于，所述传感装置(5)与调节螺杆(10)之间设有锁定装置(11)，所述锁定装置(11)为钢板或者型钢或者混凝土块。

6.根据权利要求4所述的一种准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，其特征在于，所述传感装置(5)两端设有匹配的固定座(12)，固定座(12)位于传感装置(5)与限位装置之间，固定座(12)为一组或多组。

7.根据权利要求3所述的一种准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，其特征在于，所述限位装置为两楔形块(14)，两楔形块(14)的倾斜面相互匹配贴合，通过两楔形块(14)的相互滑动调节到传感装置(5)与荷载转换器(3)密贴。

8.根据权利要求1所述的一种准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，其特征在于，在步骤S3中，在释放动力装置(13)施加的水平或者侧向力后，上部构件的竖向载荷完全作用于测力装置上，由于步骤S2中传感装置(5)与荷载转换器(3)密贴，使得两荷载转换器(3)之间无间隙，两荷载转换器(3)之间不会再次发生相对位移，此时调高装置的高度保持不变，两荷载转换器(3)之间传感装置(5)测出水平或者侧向力值。

9.根据权利要求2所述的一种准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，其特征在于，所述荷载转换器(3)的顶面与调节腔(9)的顶面斜直面或者柱面或者曲面接触，荷载转换器(3)底面与下调节板(8)上支承面平面或者曲面或者斜直面接触，所述调节腔(9)顶面与荷载转换器(3)顶面之间、荷载转换器(3)底面与下调节板(8)顶面之间分别设有匹配的上摩擦副(2)和下摩擦副(4)。

10.根据权利要求2所述的一种准确测定摩擦系数的测力装置与支座标定方法，其特征在于，所述动力装置(13)为液压缸或者气压缸或者机械传动机构。

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