CN115162216A - 一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置和方法 - Google Patents
一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置和方法，锚固装置包括锚固无人机、Fe‑SMA板、机械臂；激励装置包括激励无人机、夹具、热辐射激励设备；机械臂固定在锚固无人机两侧，机械臂用于将Fe‑SMA板固定在桥梁待加固位置；夹具固定在激励无人机顶部；夹具上夹持热辐射激励设备；热辐射激励设备用于为Fe‑SMA板提供激励温度；控制器包括信号接收器和移动端；信号接收器设置在激励无人机上，与移动端无线信号通信，通过移动客户端远程控制热辐射激励设备工作或停止。本发明通过无人机搭载，完成Fe‑SMA板的锚固和激励，全过程无需人员抵近作业，激励温度精准，可实现对桥梁人员难达区域的快速高效预应力加固。
Description
技术领域
本发明涉及工程结构预应力加固技术领域，具体地说是一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置和方法。
背景技术
桥梁在我国交通运输、人员流动、经济发展等各方面都具有重要作用。随着桥梁服役年限的增加，很多桥梁都面临着加固需求，对桥梁进行可靠、高效加固的问题亟待解决。目前我国最主要的桥梁加固技术分为两类，被动加固和主动加固。被动加固大多通过在桥梁受拉区或者受力薄弱节点粘贴钢板或者碳纤维布，但被动加固用高强材料往往无法完全发挥出自身的性能。采用体外预应力主动加固可以解决这一问题，通过在已有桥梁受拉区张拉钢绞线、钢丝绳或者碳纤维板材等提高材料的利用率。但在高强材料张拉时往往需要大型的张拉设备辅助，不仅提高了加固成本也提高了加固工作的难度，同时加固工艺复杂繁琐，耗时长。
作为近年来新发展的智能金属材料，铁基形状记忆合金（Fe-SMA）凭借其优良的形状记忆效应在土木工程领域吸引了广泛关注。形状记忆效应是Fe-SMA的一个重要特性，凭借形状记忆效应，具有残余变形的Fe-SMA在经历高温激励并冷却后，其内的残余塑性变形可以得到回复，但当该主动变形回复趋势被约束阻碍时，Fe-SMA便会对约束体产生预应力效果。由于该预应力的产生不需要机械张拉，因此称之为自预应力技术。基于Fe-SMA的自预应力技术具有主动加固的优点，材料利用率高、加固效果好、能有效提高结构的开裂荷载和刚度且无需大型张拉设备辅助，因此具有良好的应用前景。
Fe-SMA板材在桥梁结构自预应力加固中主要通过预拉伸后锚固在桥梁底面，然后进行通电激励升温将预应力引入到结构中。但传统通电激励升温设备施工时难以携带、无法很好适应部分工况（例如：峡谷、高桥墩桥梁、跨海大桥等等），所以在桥梁加固中仍存在很多不便利的问题，且对于Fe-SMA精准控温激励、高效快速激励的方式还很缺乏。
因此，针对上述现有技术的局限性，本发明提出了一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置和方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置和方法，通过无人机搭载，完成Fe-SMA板的锚固和激励，全过程无需人员抵近作业，激励温度精准，可实现对桥梁人员难达区域的快速高效预应力加固。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置，包括锚固装置和激励装置。
锚固装置包括锚固无人机、机械臂、Fe-SMA板；激励装置包括激励无人机、夹具、热辐射激励设备和控制器。
锚固无人机搭载机械臂、Fe-SMA板，飞行并靠近桥梁待加固位置。
机械臂固定在锚固无人机两侧，机械臂用于将Fe-SMA板固定在桥梁待加固位置。
激励无人机携带夹具、热辐射激励设备，飞行并靠近桥梁待加固位置。
夹具固定在激励无人机顶部；夹具上夹持热辐射激励设备。
热辐射激励设备用于为Fe-SMA板提供激励温度。
控制器包括信号接收器和移动端；信号接收器设置在激励无人机上，与移动端无线信号通信，通过移动客户端远程控制热辐射激励设备工作或停止。
进一步优选地，锚固无人机和激励无人机为下旋翼型无人机；锚固无人机机身两侧均匀布设4个机械臂。
进一步优选地，机械臂端部为六角形凹槽，且机械臂端部能在微型电机的驱动下绕自身轴线高速旋转；机械臂带动螺钉穿过Fe-SMA板并将Fe-SMA板锚固到桥梁加固位置。
进一步优选地，激励装置还包括托举板；托举板呈“L”形，托举板“L”形的两个侧边分别与激励无人机机身的底面和侧面固定。
托举板设置两块，对称布设在激励无人机两侧。
进一步优选地，夹具上固定在托举板上；夹具上设置真空吸盘，热辐射激励设备通过真空吸盘与夹具固定。
进一步优选地，热辐射激励设备呈“U”形板状；热辐射激励设备上设有红外线加热管、反光板和温度传感器。
红外线加热管均匀布设在“U”形板上。
反光板用于使热辐射光线具有方向性，使加热温度均匀。
温度传感器与信号接收器电性连接，温度传感器用于将实时激励温度反馈至移动端。
进一步优选地，热辐射激励设备两端设有平行于“U”形板的限位板；限位板与“U”形板之间构成槽缝，容纳Fe-SMA板通过。
进一步优选地，激励装置还包括温度显示屏和指示灯；温度显示屏和指示灯固定在热辐射激励设备底部。
指示灯与信号接收器电性连接，指示灯用于显示热辐射激励设备是否处于工作状态。
温度显示屏与信号接收器电性连接，温度显示屏用于显示热辐射激励设备工作时的温度。
进一步优选地，还包括导航装置，导航装置通过视觉导航技术将Fe-SMA板精准托举至桥梁待加固位置，并且导航装置还用于将热辐射激励设备与Fe-SMA板精准贴合。
一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固方法，具体包括以下步骤：
步骤1、在Fe-SMA板锚固部位打洞，并在Fe-SMA板与桥梁待加固位置接触的一面刷一层耐高温胶体；
步骤2、将螺钉的螺头卡在机械臂端部的六角形凹槽内，螺杆穿过Fe-SMA板上的洞口，使Fe-SMA板通过螺钉固定在无人机的机械臂端部；
步骤3、操控锚固无人机飞向桥梁待加固位置；驱动机械臂端部，将螺钉打入桥梁待加固位置；
步骤4、待Fe-SMA板完全锚固于桥梁待加固位置表面时，工作人员操控锚固无人机脱离Fe-SMA板，完成锚固，操控锚固无人机返回地面；
步骤5、通过夹具将热辐射激励设备固定在激励无人机上，操控激励无人机悬停于桥梁待加固位置表面的Fe-SMA板处，并将热辐射激励设备覆盖在Fe-SMA板上；
步骤6、启动热辐射激励设备，对Fe-SMA板开始激励；待温度达到预定温度后，激励无人机按预先设定的速度，从Fe-SMA板一端移动至另一端，对整个Fe-SMA板全部加热完成。
步骤7、待激励无人机将Fe-SMA板完全激励后，操控激励无人机飞回地面，完成激励工作。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明采用的Fe-SMA板自预应力加固技术，充分利用了主动加固效率高的优势，大大提高材料利用率。
2.本发明采用的Fe-SMA板自预应力加固技术，无需机械张拉设备、施工设备、且人工费用较低，可以大大节约加固成本。
3.本发明所采用的无人机搭载自预应力加固方法无需在桥梁上布置任何施工设备，对施工环境要求不高，可以方便，快捷，高效地施工作业。
4.本发明采用的无人机搭载自预应力加固方法相比较传统的桥梁加固施工，可以适合各种工况，尤其针对于一些难以人工施工的情况，例如峡谷、跨海大桥、高桥墩桥梁等，均可快速完成锚固及激励任务。
5.本发明通过设计的热辐射装置对进行Fe-SMA板的激励，具有温控性高，高效便捷的优势。
6. 本发明采用的无人机搭载自预应力加固方法相比于传统加固方法工艺简单、操作容易、效率高。
附图说明
图1是本发明锚固装置的侧视图。
图2是本发明激励装置侧视图。
图3为本发明热辐射激励设备侧视图。
图4为本发明热辐射激励设备内部图。
其中有：1a.锚固无人机；1b.激励无人机；2.机械臂；3.Fe-SMA板；4.夹具；5.热辐射激励设备；6.控制器；7.信号接收器；8.移动端；9.托举板；10.真空吸盘；11.红外线加热管；12.反光板；13.温度传感器；14.限位板；15. 温度显示屏；16.指示灯；17.导航装置。
具体实施方式
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1，2所示，一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置，包括锚固装置和激励装置。
锚固装置包括锚固无人机1a、机械臂2、Fe-SMA板3。
锚固无人机1a搭载机械臂2、Fe-SMA板3，飞行并靠近桥梁待加固位置。锚固无人机1a为下旋翼型无人机。
锚固无人机1a机身两侧均匀布设4个机械臂2。机械臂2固定在锚固无人机1a两侧，机械臂2用于将Fe-SMA板3固定在桥梁待加固位置。机械臂2端部为六角形凹槽，且机械臂2端部能在微型电机的驱动下绕自身轴线高速旋转；机械臂2带动螺钉穿过Fe-SMA板3并将Fe-SMA板3锚固到桥梁加固位置。
可采用与机械臂端部凹槽匹配的尖头螺丝，尖头螺丝的螺头可固定在机械臂端部的凹槽内，Fe-SMA板预先开洞，穿过尖头螺丝螺杆放置在机械臂端部得以牢牢固定，机械臂端部可高速旋转，将尖头螺丝拧入Fe-SMA板内。
当预使用的Fe-SMA板3面积较大时，锚固无人机1a可为无人机阵列，通过多架无人机协同工作，托举Fe-SMA板3至合适位置。
激励装置包括激励无人机1b、夹具4、热辐射激励设备5、控制器6、托举板9。
托举板9呈“L”形，托举板9“L”形的两个侧边分别与激励无人机1b机身的底面和侧面固定；托举板9设置两块，分别对称布设在激励无人机1b两侧。
夹具4上固定在托举板9上；夹具4上设置真空吸盘10，热辐射激励设备5通过真空吸盘10与夹具4固定。
如图3-4所示，热辐射激励设备5用于为Fe-SMA板3提供激励温度；热辐射激励设备5呈“U”形板状；热辐射激励设备5上设有红外线加热管11、反光板12和温度传感器13；红外线加热管11均匀布设在“U”形板上；反光板12用于使热辐射光线具有方向性，使加热温度均匀；温度传感器13与信号接收器7电性连接，温度传感器13用于将实时激励温度反馈至移动端8。
热辐射激励设备5两端设有平行于“U”形板的限位板14；限位板14与“U”形板之间构成槽缝，容纳Fe-SMA板3通过。限位板14可以保证完全包裹Fe-SMA板材防止热量损失，并且可以保护元件不和Fe-SMA板接触，避免损伤。
控制器6包括信号接收器7和移动端8；信号接收器7设置在激励无人机1b上，与移动端8无线信号通信，通过移动客户端远程控制热辐射激励设备5工作或停止。
加固装置还包括温度显示屏15和指示灯16；温度显示屏15和指示灯16固定在热辐射激励设备底部；指示灯16与信号接收器7电性连接，指示灯16用于显示热辐射激励设备5是否处于工作状态；温度显示屏15与信号接收器7电性连接，温度显示屏15用于显示热辐射激励设备5工作时的温度。
指示灯变为红色表示准备就绪，可以通过热辐射激励设备对Fe-SMA板进行加热；指示灯变为红色表示正在加热状态；指示灯变为绿色表示加热完成。
本发明还包括导航装置17，导航装置17可用于锚固无人机1a，也可以用于激励无人机1b。导航装置17通过视觉导航技术将Fe-SMA板3精准托举至桥梁待加固位置，并且导航装置还用于将热辐射激励设备5与Fe-SMA板3精准贴合。
基于上述装置，有一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固方法，采用的Fe-SMA板自预应力加固技术，充分利用了主动加固效率高的优势，无需机械张拉设备、施工设备、且人工费用较低，可以大大节约加固成本；相比较传统的桥梁加固施工，可以适合各种工况，尤其针对于一些难以人工施工的情况，例如峡谷、跨海大桥、高桥墩桥梁等，均可快速完成锚固及激励任务。
自预应力加固方法包括以下步骤：
步骤1、在Fe-SMA板3锚固部位打洞，洞口尺寸应大于螺钉的螺杆尺寸，小于螺钉的螺头尺寸；
在Fe-SMA板3与桥梁待加固位置接触的一面刷一层耐高温胶体；
步骤2、将螺钉的螺头卡在机械臂2端部的六角形凹槽内，螺杆穿过Fe-SMA板3上的洞口，使Fe-SMA板3通过螺钉固定在锚固无人机1a的机械臂2端部；
步骤3、操控锚固无人机1a飞向桥梁待加固位置；驱动机械臂2端部，操控锚固无人机1a的机械臂端部2进行高速旋转，同时操控锚固无人机1a定速缓慢向上移动，将螺钉打入桥梁底部混凝土中；
步骤4、待Fe-SMA板3完全锚固于桥梁待加固位置表面时，工作人员操控锚固无人机1a脱离Fe-SMA板3，完成锚固，操控锚固无人机1a返回地面；
步骤5、通过夹具4将热辐射激励设备5固定在无人机1上，操控激励无人机1b悬停于桥梁待加固位置表面的Fe-SMA板3处，并将热辐射激励设备5覆盖在Fe-SMA板3上；
步骤6、待指示灯16变红后，启动热辐射激励设备5，对Fe-SMA板3开始激励，此时指示灯变为黄色；待温度达到预定温度后，激励无人机1b按预先设定的速度，从Fe-SMA板3一端移动至另一端，对整个Fe-SMA板3全部加热完成，指示灯变为绿色。
步骤7、待激励无人机1b将Fe-SMA板3完全激励后，操控激励无人机1b飞回地面，取下装置，完成激励工作。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置，其特征在于：包括锚固装置和激励装置；
所述锚固装置包括锚固无人机（1a）、机械臂（2）、Fe-SMA板（3）；
所述激励装置包括激励无人机（1b）、夹具（4）、热辐射激励设备（5）和控制器（6）；
所述锚固无人机（1a）搭载机械臂（2）、Fe-SMA板（3），飞行并靠近桥梁待加固位置；
所述机械臂（2）固定在锚固无人机（1a）两侧，机械臂（2）用于将Fe-SMA板（3）锚固在桥梁待加固位置；
所述激励无人机（1b）携带夹具（4）、热辐射激励设备（5），飞行并靠近桥梁待加固位置；
所述夹具（4）固定在激励无人机（1b）顶部；夹具（4）上夹持热辐射激励设备（5）；
所述热辐射激励设备（5）用于为Fe-SMA板（3）提供激励温度；
所述控制器（6）包括信号接收器（7）和移动端（8）；信号接收器（7）设置在激励无人机（1b）上，与移动端（8）无线信号通信，通过移动客户端远程控制热辐射激励设备（5）工作或停止。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置，其特征在于：所述锚固无人机（1a）和激励无人机（1b）为下旋翼型无人机；锚固无人机（1a）机身两侧均匀布设4个机械臂（2）。
3.根据权利要求1所述的一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置，其特征在于：所述机械臂（2）端部为六角形凹槽，且机械臂（2）端部能在微型电机的驱动下绕自身轴线高速旋转；机械臂（2）带动螺钉穿过Fe-SMA板（3）并将Fe-SMA板（3）锚固到桥梁加固位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置，其特征在于：所述激励装置还包括托举板（9）；托举板（9）呈“L”形，托举板（9）“L”形的两个侧边分别与激励无人机（1b）机身的底面和侧面固定；
托举板（9）设置两块，对称布设在激励无人机（1b）两侧。
5.根据权利要求4所述的一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置，其特征在于：所述夹具（4）上固定在托举板（9）上；夹具（4）上设置真空吸盘（10），热辐射激励设备（5）通过真空吸盘（10）与夹具（4）固定。
6.根据权利要求1所述的一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置，其特征在于：所述热辐射激励设备（5）呈“U”形板状；热辐射激励设备（5）上设有红外线加热管（11）、反光板（12）和温度传感器（13）；
所述红外线加热管（11）均匀布设在“U”形板上；
所述反光板（12）用于使热辐射光线具有方向性，使加热温度均匀；
所述温度传感器（13）与信号接收器（7）电性连接，温度传感器（13）用于将实时激励温度反馈至移动端（8）。
7.根据权利要求6所述的一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置，其特征在于：所述热辐射激励设备（5）两端设有平行于“U”形板的限位板（14）；限位板（14）与“U”形板之间构成槽缝，容纳Fe-SMA板（3）通过。
8.根据权利要求6所述的一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置，其特征在于：所述激励装置还包括温度显示屏（15）和指示灯（16）；所述温度显示屏（15）和指示灯（16）固定在热辐射激励设备底部；
所述指示灯（16）与信号接收器（7）电性连接，指示灯（16）用于显示热辐射激励设备（5）是否处于工作状态；
所述温度显示屏（15）与信号接收器（7）电性连接，温度显示屏（15）用于显示热辐射激励设备（5）工作时的温度。
9.根据权利要求1所述的一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置，其特征在于：还包括导航装置（17），所述导航装置（17）通过视觉导航技术将Fe-SMA板（3）精准托举至桥梁待加固位置，并且导航装置还用于将热辐射激励设备（5）与Fe-SMA板（3）精准贴合。
10.基于权利要求1-9任一所述的一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1、在Fe-SMA板（3）锚固部位打洞，并在Fe-SMA板（3）与桥梁待加固位置接触的一面刷一层耐高温胶体；
步骤2、将螺钉的螺头卡在机械臂（2）端部的六角形凹槽内，螺杆穿过Fe-SMA板（3）上的洞口，使Fe-SMA板（3）通过螺钉固定在无人机（1）的机械臂（2）端部；
步骤3、操控锚固无人机（1a）飞向桥梁待加固位置；驱动机械臂（2）端部，将螺钉打入桥梁待加固位置；
步骤4、待Fe-SMA板（3）完全锚固于桥梁待加固位置表面时，工作人员操控锚固无人机（1a）脱离Fe-SMA板（3），完成锚固，操控锚固无人机（1a）返回地面；
步骤5、通过夹具（4）将热辐射激励设备（5）固定在激励无人机（1b）上，操控激励无人机（1b）悬停于桥梁待加固位置表面的Fe-SMA板（3）处，并将热辐射激励设备（5）覆盖在Fe-SMA板（3）上；
步骤6、启动热辐射激励设备（5），对Fe-SMA板（3）开始激励；待温度达到预定温度后，激励无人机（1b）按预先设定的速度，从Fe-SMA板（3）一端移动至另一端，对整个Fe-SMA板（3）全部加热完成；
步骤7、待激励无人机（1b）将Fe-SMA板（3）完全激励后，操控激励无人机（1b）飞回地面，完成激励工作。
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| CN214649026U (zh) * | 2021-09-14 | 2021-11-09 | 湖南省交通科学研究院有限公司 | 一种滚动式桥梁检测飞行机器人 |
-
2022
- 2022-07-26 CN CN202210886304.7A patent/CN115162216B/zh active Active
Patent Citations (6)
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| "站在大跨径悬索桥施工技术创新的最前沿", 中国公路, no. 11, 1 June 2017 (2017-06-01), pages 76 - 77 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115162216B (zh) | 2024-06-11 |
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