CN113959351B - 全方位动态形变试验监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了全方位动态钢结构形变试验监测装置，该装置包括固定框架、可装配测量臂、电子水平仪、声波定位机构和激光测距机构；所述电子水平仪、所述声波定位机构和所述激光测距机构与所述可装配测量臂连接；所述可装配测量臂与所述固定框架可拆卸连接。本发明并根据构件的几何本构关系，进而获得构件全方位实时动态形变数据，用于校验高精度非线性有限元模型，准确预测构件各种受力状态下的结构反应，提高结构设计的可靠性。本发明测量技术准确可靠，装备易于安装，实用灵活经济，为钢结构及其构件的形变测量提供了关键技术，奠定了结构稳定性与可靠性研究的数据基础。

Description

全方位动态形变试验监测装置

技术领域

本发明涉及构件试验测量技术领域，尤其是涉及一种非接触式土木工程钢结构试验构件形变测量装置。

背景技术

基于智能化和工业化的装配式钢结构可以实现工程建设高效率、高质量、低消耗、低排放的建筑工业化，是中国建筑未来发展的方向。

相较于混凝土结构，钢结构的承载能力更容易受构件的几何特性以及受力形变影响。在钢结构的设计方法中，其抗力系数中有两项抗性系数与几何特性及形变相关，即几何不定性与计算不定性。近几十年的计算机运行能力大幅度提高，使得以高精度材料与几何非线性有限元分析为手段的结构仿真预测方式得以实现。因此，如何准确获取钢结构的初始几何状态与受力状态中的变形情况，对结构仿真预测结果起到了关键性作用，进而提高设计公式中抗力系数尤其是计算不定性系数的准确度。

中国专利201711145447.8公开了一种桥梁形变监测方法、存储介质与桥梁形变监测接收机，方法包括：预先构建包括GNSS和UWB的桥梁形变监测系统；在卡尔曼滤波模型上引入速度参数，设定初始状态的协方差矩阵；在解算过程中建立动态转移方程；并计算先验估计协方差矩阵；分别建立GNSS和UWB的观测方程，结合当前历元的先验状态估计值建立观测方程组；利用加权最小二乘法进行估计，并得出协方差矩阵；当监测到下个历元的观测信号后，重复执行上述步骤，桥梁形变监测接收机对当前历元下的位置进行解算，确定桥梁的形变位置。构建包括GNSS和UWB的桥梁形变监测系统，能够准确获得桥梁形变位置，有效减小了桥梁形变监测系统的定位误差。

中国专利201611140265.7公开了一种高支模形变监测预警方法，选取至少一根立杆作为高支模的形变监测对象并用高支模形变监测预警设备对形变监测对象进行形变监测；高支模形变监测预警设备设有数据采集处理服务器和形变测量构件；形变测量构件在其所对应的立杆的每一个节点位置上固定安装有一个管夹；形变测量构件对应其所在立杆的两个相邻管夹设有三个万向节和两根杆件，形变测量构件对应每一根杆件均设有一个倾角传感器，每一个倾角传感器均固定在其对应的杆件上；数据采集处理服务器能够计算出高支模在每一根作为形变监测对象的立杆所在部位的形变状况，能够在不影响高支模结构的前提下实现对高支模形变的自动化监测。

本发明主要针对钢构件在变形过程中的大变形测量技术进行突破性研发。尽管动态变形测量技术目前已有少量应用，其测量范围无法囊括整体钢构件，同时其高昂的价格也阻止了大部分的研究团队的使用。因此大部分研究团队仍然依赖于接触型测量技术测量结构的变形过程，即位移计与电阻应变片测量计。但无论是位移计与电阻片，其测量准确度与可重复性较低，同时也无法测量整体构件，所以依然无法获取构件整体变形信息。

发明内容

本发明专利针对钢结构变形测量技术进行了突破性研发，基于装配式思想，搭建全方位动态形变试验监测装置。将多点激光测量引入动态变形测量中，利用钢构件本构关系及激光点云处理技术，重构受力状态中的构件整体形状，并提取相关变形数据，实现了经济全面的构件动态变形测量目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种全方位动态形变试验监测装置，其中包括固定框架、可装配测量臂、电子水平仪、声波定位机构和激光测距机构。

所述固定框架由框架横梁、框架柱和框架连接件构成；

所述框架横梁和框架柱尺寸由试验构件实际尺寸确定，采用的是铝型材构件；

所述框架横梁和框架柱通过所述框架连接件可拆卸连接；

所述可装配测量臂通过测量臂连接件与所述框架柱可拆卸连接；

所述电子水平仪安装在所述可装配测量臂提前预制凹槽中；

优选的，所述电子水平仪安装在可装配测量臂的两端，所述可装配测量臂在杆件1/4和3/4处开设可安装电子水平仪的凹槽；

所述声波定位机构安装在所述可装配测量臂上，用于确定可装配测量臂的位置，包括声波测距传感器、声波装置固定板和声波反射板，每一个可装配测量臂安装一套声波定位机构；

所述声波装置固定板通过螺丝安装在可装配测量臂底部，顶部的声波装置固定板安装在顶部所述框架横梁底部，用于安装所述声波测距传感器和声波反射板；

所述声波测距传感器安装在声波装置固定板顶面上，所述声波反射板安装在声波装置固定板的底面；

优选的，所述声波测距传感器发射口与所述声波反射板中心点安装时保证竖直方向上在一条直线上；

所述声波测距传感器与电脑通过线路连接读取测量数据；

所述激光测距机构安装在所述可装配测量臂上，用于测量试验构件在加载过程中产生的实时动态形变数据，由激光测距传感器、激光装置固定板和数据采集版组成，每一个可装配测量臂上安装一套激光测距机构；

所述激光装置固定板通过螺丝安装在所述可装配测量臂上，用于安装所述激光测距传感器；

所述激光测距传感器通过精确定位安装在激光装置固定板上，选用激光测距传感器精度在0.5mm以下，激光测距传感器安装在激光装置固定板上之后不可拆卸，并在进行测量试验数据之前需要对其进行精确水平校对，减少测量误差；

优选的，所述激光测距传感器根据试验构件尺寸配置数量，可选数量为3个及以上，并且根据试验构件测量位置安装在所述激光装置固定板上的对应位置；

所述数据采集板安装在所述激光装置固定板上，通过线路与所述激光测距传感器连接，并通过线路与电脑连接；

所述数据采集板可通过线路采集所述激光测距传感器测量的实时动态数据并经过处理传输到电脑上成为可读取数据；

所述试验构件为钢结构构件，试验过程中对构件进行加载试验。

与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明提供的一种全方位动态形变试验监测装置，综合运用可装配测量臂、声波传感器、激光测距传感器和数据采集板等技术，提出适用于测量试验加载构件的实时动态形变数据的监测装置，该装置在运用激光测距传感器和数据采集板的共同作用下，能够精确测得试验中构件的实时动态形变数据，避免了使用位移计和电阻应变计测量形变数据不精确的缺陷，装置也较之使用相机动态测量设备更为经济实用。同时激光测距机构与带声波定位机构的可装配测量臂连接在一起，使得装置可以根据试验需要测量试验构件特定位置的实时动态形变数据，有效的提高了装置的适用性。并且可装配测量臂与固定框架的可拆卸安装，使得装置可快速安装，大大的提高了装置的装配效率，降低了安装时间和人工成本。

附图说明

图1为本发明实施例的全方位动态形变试验监测装置的整体示意图；

图2为本发明实施例的固定框架安装示意详图；

图3为本发明实施例的电子水平仪安装详图；

图4为本发明实施例的声波定位机构安装示意详图；

图5为本发明实施例的激光测距机构安装示意详图；

图6为本发明实施例的可装配测量臂安装示意详图。

其中，1-固定框架；2-框架横梁；3-框架柱；4-框架连接件；5- 可装配测量臂；6-测量臂连接件；7-电子水平仪；8-声波定位机构；9-声波测距传感器；10-声波装置固定板；11-声波反射板；12-激光测距机构；13-激光测距传感器；14-激光装置固定板；15-数据采集板。

101-构件加载试验；102-试验构件加载装置；103-试验构件

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如图1至图5所示，本发明提供了一种全方位动态形变试验监测装置，包括框架横梁2、框架柱3、框架连接件4组成固定框架1，可装配测量臂5通过测量臂连接件6安装在固定框架1上，电子水平仪7用来保证可装配测量臂5的水平，声波测距传感器9、声波装置固定板10、声波反射板11共同组成声波定位机构8，激光测距传感器13、激光装置固定板14、数据采集板15共同组成激光测距机构12。试验构件加载装置102、试验构件103组成构件加载试验101，用于装置进行测量实时动态形变。

本发明提供一种基于土木工程装置技术领域的全方位动态形变试验监测装置，与现有技术相比，装置采用多点激光动态测量试验构件全方位形变，测量数据更加精确可靠，装置采用装配式搭建，经济实用、高效便捷，为试验加载构件的实时动态形变数据监测提供关键技术与方案。

具体的，参见图2所示，框架横梁2与框架柱3通过框架连接件4 进行组装，最后使用框架连接件螺丝201进行固定，固定框架1用于安装测量构件的可装配测量臂5。固定框架1的框架横梁2和框架柱3可根据构件加载试验的试验构件103的尺寸进行设计，可适用于大部分构件加载试验。

具体的，如图3所示，可装配测量臂5分别在杆件的1/4和3/4处预制电子水平仪凹槽301，电子水平仪7安装在凹槽中，用于保证可装配测量臂安装在固定框架上保持水平，保证测量数据的准确。

具体的，如图4所示，声波定位机构安装在框架横梁2和可装配测量臂5中间位置，顶部框架横梁2和可装配测量臂5下部安装声波装置固定板10，使用声波装置固定板螺丝401进行固定，之后顶部框架横梁2的声波装置固定板10底部安装声波反射板11，可装配测量臂5的声波装置固定板10分别在顶部和底部安装声波测距传感器9和声波反射板11。安装时要保证声波测距传感器9发射口与对应的声波反射板11 中心点竖直方向上在一条直线上。声波测距传感器9发射声波并通过声波反射板11反射之后接收处理传到电脑上转化成距离信息，就可得知可装配测量臂5与上部声波反射板11的距离来控制可装配测量臂5 的安装位置，因此可以通过安装在可装配测量臂5的激光测距机构8 来测得试验构件103特定位置的形变数据。

具体的，如图5所示，激光测距机构安装在可装配测量臂5上，可装配测量臂5与试验构件103相对平面上安装激光装置固定板14，并通过激光装置固定板螺丝501进行固定，之后在激光装置固定板14表面安装激光测距传感器13和数据采集版15，激光测距传感器13根据试验构件103尺寸确定个数，激光测距传感器13个数基本上在3个及3个以上，激光测距传感器13根据试验构件103特定测量位置横向排布在激光装置固定板14上，激光装置固定板14的长度也可根据激光测距传感器13的个数进行调整，激光装置传感器13安装在激光装置固定板14 上之后不可拆卸，并且在测量试验数据之前，需要对激光测距传感器 13进行精确水平校对，来减少其测量误差。激光测距传感器13实时发射激光至试验构件103特定位置并接收反射回来的激光信息，通过数据采集板15处理转为可读取数据传到电脑端。因此，我们可以测量得到试验构件103在加载中实时形变数据，并且激光测距机构12安装在试验构件103的四个方向，依据四个方向所测得的纵向变形数据，可根据本构关系建立有限元模型，完善缺陷研究的模型数据。

具体的，如图6所示，已经安装声波定位机构和激光测距机构的可装配测量臂5通过测量臂连接件6安装在框架柱3上，可以根据声波定位机构8确定其安装高度，并根据电子水平仪7来确保整个可装配测量臂5处于水平状态。由于测量臂连接件6的缘故，可装配测量臂5安装在固定框架1上快速稳定，因此整个装置可以实现快速装配，节约了时间和成本。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (8)

1.全方位动态形变试验监测装置，其特征在于，其包括：固定框架(1)、可装配测量臂(5)、电子水平仪(7)、声波定位机构(8)和激光测距机构(12)；

所述电子水平仪(7)安装在所述可装配测量臂(5)的凹槽中；

所述声波定位机构(8)与所述可装配测量臂(5)通过可拆卸方式进行连接；

所述激光测距机构(12)与所述可装配测量臂(5)通过不可拆卸方式进行连接；

所述可装配测量臂(5)与所述固定框架(1)通过可拆卸方式进行连接；

声波定位机构安装在框架横梁(20)和可装配测量臂(5)中间位置，顶部框架横梁(2)和可装配测量臂(5)下部安装声波装置固定板(10)，使用声波装置固定板螺丝(401)进行固定，之后顶部框架横梁(2)的声波装置固定板(10)底部安装声波反射板(11)，可装配测量臂(5)的声波装置固定板(10)分别在顶部和底部安装声波测距传感器(9)和声波反射板(11)；安装时要保证声波测距传感器(9)发射口与对应的声波反射板(11)中心点竖直方向上在一条直线上；声波测距传感器(9)发射声波并通过声波反射板(11)反射之后接收处理传到电脑上转化成距离信息，得知可装配测量臂(5)与上部声波反射板(11)的距离来控制可装配测量臂(5)的安装位置，通过安装在可装配测量臂(5)的激光测距机构(12)来测得试验构件(103)特定位置的形变数据；激光测距传感器(13)实时发射激光至试验构件(103)特定位置并接收反射回来的激光信息。

2.根据权利要求1所述的全方位动态形变试验监测装置，其特征在于，所述固定框架安装在试验构件(103)的外围，所述可装配测量臂安装在所述固定框架上对所述试验构件的四个方向的形变实时监测。

3.根据权利要求1所述的全方位动态形变试验监测装置，其特征在于，所述可装配测量臂上安装所述电子水平仪、所述声波定位机构和所述激光测距机构。

4.根据权利要求1或3所述的全方位动态形变试验监测装置，其特征在于，所述可装配测量臂安装前设置左右凹槽，所述电子水平仪安装在左右两边凹槽中用于保证所述可装配测量臂的水平。

5.根据权利要求1或3所述的全方位动态形变试验监测装置，其特征在于，所述声波定位机构（8）包括：声波测距传感器(9)、声波装置固定板(10)和声波反射板(11)；

所述声波装置固定板安装在所述可装配测量臂上，所述声波反射板安装在所述声波装置固定板底部，所述声波测距传感器安装在所述声波装置固定板顶部，所述声波定位机构安装在所述可装配测量臂上用于确定所述可装配测量臂安装高度。

6.根据权利要求1或3所述的全方位动态形变试验监测装置，其特征在于，所述激光测距机构（12）包括激光测距传感器(13)、激光装置固定板(14)和数据采集板(15)；

所述激光装置固定板安装在所述可装配测量臂上，所述激光测距传感器安装在所述激光装置固定板上，所述数据采集板也安装在所述激光装置固定板上，所述激光测距机构安装在所述可装配测量臂上用于测量试验构件形变数据；

所述激光测距传感器根据试验需要确定数量，且在安装之后不可拆除，所述数据采集板与所述激光测距传感器连接把其测得数据处理输出，所述激光测距机构在试验测量之前需要对所述激光测距传感器进行水平校对。

7.根据权利要求1或3所述的全方位动态形变试验监测装置，其特征在于，所述可装配测量臂上安装所述电子水平仪、所述声波定位机构和所述激光测距机构之后，安装在所述固定框架上。

8.根据权利要求2或6所述的全方位动态形变试验监测装置，其特征在于，所述试验构件（103）为加载试验钢结构构件。