CN115507757B - 一种桥梁状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种桥梁状态监测装置，涉及测量技术领域。本发明包括至少三个设于底板上的激光位移传感器，四个竖杆的顶端通过万向球分别与顶板的四个角连接，竖杆底端设有激光发生器，竖杆外壁上滑动套设有套环，套环外围设有基准环，套环与基准环之间设有多个两端与它们铰接的弹簧伸缩杆，激光发生器下方的底板上设有光电位置传感器，伸缩机构两端与底板及顶板万向连接，直线位移传感器设于伸缩机构上用于监测其伸缩量，桥梁墩台上设有控制箱，控制箱内设有控制系统，监控终端与控制箱通信连接，弹簧伸缩杆两端铰接点、套环、基准环的轴心线均与底板垂直，激光位移传感器、光电位置传感器及直线位移传感器的监测数据通过控制系统发送至监控终端。

Description

一种桥梁状态监测装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种桥梁状态监测装置。

背景技术

桥梁一般指架设在江河湖海上，使车辆行人等能顺利通行的构筑物。为适应现代高速发展的交通行业，桥梁亦引申为跨越山涧、不良地质或满足其他交通需要而架设的使通行更加便捷的建筑物。桥梁一般由上部构造、下部结构、支座和附属构造物组成，上部结构又称桥跨结构，是跨越障碍的主要结构；下部结构包括桥台、桥墩和基础；支座为桥跨结构与桥墩或桥台的支承处所设置的传力装置，支座是桥梁工程中承接梁体和墩台的关键构件，可以释放由于温度变化和车辆制动等原因产生的桥梁水平位移，避免以上原因导致的墩台受水平剪力作用，从而保证桥梁运营安全可靠。

落梁是桥梁的常见病害，给人民的生命和财产安全造成了严重的威胁，桥梁落梁病害多是由于桥梁位移超限或多年积累的位移偏位造成的，尤其是山区、高墩等不利于支座检查维护的桥梁情况。目前，桥梁支座的状态难以实时监测，只能通过人员定期检查，在两次检查间隔期间，相关管理单位无法及时发现桥梁支座的异常运行。

发明内容

本发明的目的是开发一种对桥梁支座状态进行实时监测的桥梁状态监测装置，以解决背景技术中提到的技术问题。

本发明通过如下的技术方案实现：

一种桥梁状态监测装置，包括：

至少三个激光位移传感器，设于桥梁支座底板上；

四个竖杆，顶端通过万向球分别与桥梁支座顶板的四个角连接；

激光发生器，设于竖杆底端；

套环，滑动套设于竖杆外壁上；

基准环，通过连接杆设于桥梁支座底板上方并且设于套环外围；

多个弹簧伸缩杆，设于套环与基准环之间且两端分别与套环及基准环铰接；

光电位置传感器，设于激光发生器下方的桥梁支座底板上；

伸缩机构，两端分别与桥梁支座的底板及顶板万向连接；

直线位移传感器，设于伸缩机构上用于监测其伸缩量；

控制箱，设于桥梁墩台上，内部设有控制系统；

监控终端，与控制箱通信连接；

其中，所述弹簧伸缩杆两端铰接点、套环、基准环的轴心线均与桥梁支座底板垂直，所述激光位移传感器、光电位置传感器及直线位移传感器的监测数据通过控制系统发送至监控终端。

可选的，所述伸缩机构包括同轴滑动连接的筒体和杆体，所述筒体底端及杆体顶端分别设有万向球与桥梁支座的底板及顶板连接。

可选的，所述直线位移传感器的固定部及活动部分别设置在杆体和筒体上。

可选的，所述筒体内设有活动腔，所述杆体穿过所述筒体的活动腔，所述活动腔内的杆体上设有活塞。

可选的，所述筒体外部设有循环管与发电机，所述循环管两端分别与活动腔两端连通，所述循环管上设有循环腔，所述活动腔、循环管及循环腔内充满循环液，所述循环腔内转动设有叶轮，所述叶轮与发电机传动连接，所述控制箱内设有与控制系统及发电机电性连接的电池系统。

可选的，所述循环液为液压油。

可选的，所述循环腔两侧分别设有一个发电机，所述循环腔上转动设有与叶轮同轴连接的输出轴，所述输出轴两端分别与两发电机的输入轴通过单向传动机构传动连接。

可选的，所述单向传动机构为单向联轴器或棘轮机构。

可选的，所述发电机的输入轴上设有与其同轴连接的飞轮。

可选的，所述循环腔一侧设有与输出轴配合的转速传感器。

本发明的有益效果是：

本发明可实时监测桥梁支座状态，便于桥梁管理单位、人员及时发现桥梁支座的异常状态，及时完成桥梁病害排查；利用梁体受荷载震动产生的位移，带动伸缩机构运转，使发电机运转产生的电能用于装置供电，伸缩机构的伸缩量作为监测数据也能反映梁体与墩台间的相对位移量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构图；

图2为伸缩机构及循环腔结构图；

图3为循环腔与发电机的传动示意图；

图4为基准环及套环结构图。

附图标记：100.墩台；110.垫石；200.梁体；1.顶板；2.底板；3.伸缩机构；31.杆体；32.筒体；33.活动腔；34.活塞；4.直线位移传感器；5.万向球；6.激光位移传感器；7.激光发生器；8.光电位置传感器；9.发电机；10.循环管；11.循环腔；12.叶轮；13.输出轴；14.输入轴；15.飞轮；16.单向传动机构；17.竖杆；18.基准环；19.套环；20.弹簧伸缩杆。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明创造的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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创造和简化描述，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创造的限制。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1～4所示，本发明公开了一种桥梁状态监测装置，包括梁体200和墩台100，梁体200位于墩台100上方，墩台100上设有垫石110，垫石110与梁体200之间设有支座，支座传递梁体200荷载至墩台100。

支座底部及顶部分别具有底板2和顶板1，底板2与垫石110连接，顶板1与梁体200连接。底板2保持水平固定，顶板1与梁体200保持同步位移。

底板2上设有三个激光位移传感器6，激光位移传感器6用于测量其所在位置处的底板2与上部顶板1在竖直方向上的间距，三个激光位移传感器6测得顶板1三个点位的高度。由于三个点位相对于底板2的位置已知，而三个点位均处于顶板1上，可得出顶板1在底板2上部所处的高度及倾斜状态（倾斜方向及倾斜角度）。

顶板1下方设有四个竖杆17，竖杆17竖直设置，四个竖杆17顶部通过万向球5分别与顶板1底面的四个端点（四个角）连接，竖杆17底端与底板2存在一定间距。竖杆17外壁上套设有与其同轴滑动连接的套环19，套环19外侧设有与其处于同轴状态的基准环18，基准环18内径大于套环19外径，基准环18通过连接杆设于底板2上方。套环19外壁上设有多个沿其径向方向设置的弹簧伸缩杆20，弹簧伸缩杆20的两端分别与套环19外壁及基准环18内壁铰接，弹簧伸缩杆20两端铰接点的轴心线竖直，使得弹簧伸缩杆20只能在水平方向转动，从而使得竖杆17能够始终保持竖直状态。竖杆17底端设有激光发生器7，激光发生器7下方的底板2上设有与其配合使用的光电位置传感器8，激光发生器7发射出的竖直向下的激光束投射到光电位置传感器8的光敏面上。

顶板1存在水平方向的位移时，顶板1带动竖杆17平移，竖杆17带动套环19在基准环18内平移，弹簧伸缩杆20进行相应地伸缩、水平摆动。通过套环19，使竖杆17随顶板1位移时保持竖直，竖杆17在套环19内进行相应的滑动，竖杆17顶端的万向球5进行适应性转动。顶板1位移时，顶板1四个角分别带动四个竖杆17平移，四个竖杆17底端的激光发生器7随之位移，激光发生器7发射到光电位置传感器8上的激光点发生相应的位置变化，该位置变化反映了顶板1底面四个端点在水平方向的位置变化。

顶板1在底板2上方所处的高度及倾斜状态，结合顶板1底面四个端点在水平方向的位置变化，可得出顶板1在底板2上部所处的具体位置信息，该具体位置信息包括顶板1的倾斜方向、倾斜角度、在底板2上方的高度及水平位置。

底板2与顶板1之间设有伸缩机构3，伸缩机构3包括同轴滑动连接的筒体32和杆体31，筒体32底端设有万向球5与底板2连接，杆体31顶端设有万向球5与顶板1连接。筒体32内设有封闭的活动腔33，杆体31与筒体32同轴滑动连接，杆体31穿过筒体32的活动腔33，杆体31在筒体32内沿它们的轴向滑动。活动腔33内的杆体31上设有活塞34，杆体31在筒体32内滑动时，活塞34在活动腔33内滑动。

伸缩机构3上设有监测其伸缩量的直线位移传感器4，直线位移传感器4的固定部及活动部分别设置在伸缩机构3的杆体31和筒体32上。杆体31在筒体32中伸缩，直线位移传感器4监测杆体31在筒体32中的伸缩长度。

筒体32外部设有循环管10，循环管10两端分别与活动腔33两端连通，循环管10上设有循环腔11，循环腔11内转动设有叶轮12。活动腔33、循环管10及循环腔11内充满循环液，循环液可以是液压油。

循环腔11两侧分别设有一个发电机9，发电机9底部设有对其支撑和固定的支架，支架设置于垫石110或墩台100上，发电机9的输入轴14朝向循环腔11，输入轴14上设有与其同轴连接的飞轮15。飞轮15具有一定的直径及质量，利用飞轮效应，飞轮15转动后，由于惯性的存在，即使飞轮15所受外力失去，飞轮15也可以在一定的时间内继续转动，使发电机9继续发电。循环腔11上转动设有与叶轮12同轴连接的输出轴13，输出轴13两端分别穿过循环腔11两侧伸出外部，输出轴13两端分别与循环腔11两侧发电机9的输入轴14传动连接。

输出轴13与输入轴14之间通过单向传动机构16实现单向传动连接，单向传动机构16可以是单向联轴器，也可以是棘轮机构，棘轮机构的棘爪和棘轮分别设置在输入轴14和输出轴13上。通过单向传动机构16，输出轴13正转时，其中一输入轴14随之转动、另一输入轴14不转动；输出轴13反转时，其中一输入轴14不转动、另一输入轴14随之转动。

循环腔11一侧设有与输出轴13配合的转速传感器，转速传感器监测输出轴13和叶轮12的转速和转动方向。

由于桥梁梁体200的位移量一般较小，伸缩机构3中活塞34的行程也较小，为了提高循环液的流量，使叶轮12充分转动，活动腔33设置为较大内径，使得活塞34即使行程小，活塞34两侧活动腔33的体积变化量也较大，提高循环管10中循环液的流量。

墩台100上设置控制箱，控制箱内设有电性连接的控制系统和电池系统，控制系统、电池系统与装置内的电子元件电性连接。

底板2在垫石110上处于固定状态，底板2所在面设定为参照面，参照面展示了墩台100顶部垫石110的位置状态，参照面可选取底板2的顶面或底面。

设定顶板1的基准面，该基准面为桥梁梁体200在未受荷载的正常状态下顶板1底面所在的位置，基准面展示了桥梁未受荷载时梁体200底部的位置状态。顶板1底面位于基准面时，激光发生器7发射到光电位置传感器8上的激光点位置信息、三个激光位移传感器6测得顶板1三个点位的高度皆为基准值。

顶板1底面位于非基准面时，顶板1底面为变化面，变化面展示了桥梁受荷载时梁体200底部的位置状态。桥梁梁体200位移时，顶板1随梁体200发生相应的位移，顶板1底面不再处于基准面，此时，激光发生器7发射到光电位置传感器8上的激光点位置信息、三个激光位移传感器6测得顶板1三个点位的高度均为变化值，通过该变化值，形成变化面的具体位置信息。

参照面、基准面及变化面均呈现在监控终端上，通过监控终端查看变化面在参照面上方的位置状态，以及变化面与基准面间的相对位置状态，直观展示桥梁梁体200的位移情况。变化值与基准值对比，得出变化面相对于基准面的具体位移参数，得出梁体200相对于墩台100、垫石110的位移参数。

伸缩机构3跟随梁体200的位移进行适应性伸缩，杆体31带动活塞34在活动腔33内滑动，活塞34两侧活动腔33的体积发生变化，活塞34两侧活动腔33内的循环液通过循环管10进行流动，体积减小一侧活动腔33内的循环液向体积增大一侧活动腔33流动，伸缩机构3的结构及运行原理类似双杆活塞式液压缸。伸缩机构3的伸缩量反映了梁体200与墩台100、垫石110间发生相对位移的程度，伸缩机构3的伸缩量被直线位移传感器4监测，直线位移传感器4将伸缩机构3的伸缩数据反馈至控制系统。

伸缩机构3随梁体200的位移进行伸/缩时，循环液在循环管10中进行对应的正/反向流动，循环液经过循环腔11时推动叶轮12进行对应的正/反向转动，叶轮12带动输出轴13进行对应的正/反向转动，输出轴13的转速及转动方向被转速传感器监测，转速传感器检测的输出轴13的转动数据被控制系统接收。输出轴13正/反向转动，通过单向传动机构16分别带动对应的输入轴14转动，对应发电机9发电，产生的电能被电池系统存储并用以为装置供电。设置电源线路与装置电性连接，在电池系统储电不足时，通过电源线路为装置供电。

叶轮12的转动方向反映了循环液的流动方向，循环液的流动方向反映了伸缩机构3内活塞34的滑动方向，活塞34的滑动方向反映了梁体200靠近或远离墩台100。叶轮12的转速反映了循环液的流速，循环液的流速则反映了伸缩机构3内活塞34的运动速度，活塞34的运动速度反映了梁体200与墩台100间发生相对位移的速度，叶轮12转速越快，梁体200与墩台100间发生相对位移的速度越快，叶轮12转速越慢，梁体200与墩台100间发生相对位移的速度越慢。因此，通过转速传感器监测叶轮12的转速及转动方向，可监测到梁体200与墩台100间发生相对位移的速度、梁体200靠近或远离墩台100。

监控终端与控制系统通信连接，控制系统将装置内各传感器的数据发送至监控终端，监控终端可查看支座状态。可根据情况，设置各项数据的预警值，当某项数据超过预警值后，监控终端发出警报，及时引起桥梁管理单位、人员注意。例如，直线位移传感器4监测到的伸缩机构3的伸缩量超过预警值时，梁体200相对于墩台100发生了超限的位移，监控终端发出警报，桥梁管理单位、人员及时进行现场检查勘验。

本发明可实时监测桥梁支座状态，便于桥梁管理单位、人员及时发现桥梁支座的异常状态，及时完成桥梁病害排查；利用梁体200受荷载震动产生的位移，带动伸缩机构3运转，使发电机9运转产生的电能用于装置供电，伸缩机构3的伸缩量作为监测数据也能反映梁体200与墩台100间的相对位移量。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种桥梁状态监测装置，其特征在于，包括：

桥梁墩台；

垫石，设于桥梁墩台上；

梁体，位于桥梁墩台上方；

桥梁支座，设于垫石与梁体之间，桥梁支座底部具有设于垫石上的底板，桥梁支座顶部具有与梁体连接的顶板；

至少三个激光位移传感器，设于桥梁支座底板上；

四个竖杆，顶端通过万向球分别与桥梁支座顶板的四个角连接；

激光发生器，设于竖杆底端；

套环，滑动套设于竖杆外壁上；

基准环，通过连接杆设于桥梁支座底板上方并且设于套环外围；

多个弹簧伸缩杆，设于套环与基准环之间且两端分别与套环及基准环铰接；

光电位置传感器，设于激光发生器下方的桥梁支座底板上；

伸缩机构，两端分别与桥梁支座的底板及顶板万向连接；

直线位移传感器，设于伸缩机构上用于监测其伸缩量；

控制箱，设于桥梁墩台上，内部设有控制系统；

监控终端，与控制箱通信连接；

其中，所述弹簧伸缩杆两端铰接点、套环、基准环的轴心线均与桥梁支座底板垂直，所述激光位移传感器、光电位置传感器及直线位移传感器的监测数据通过控制系统发送至监控终端。

2.根据权利要求1所述的桥梁状态监测装置，其特征在于，所述伸缩机构包括同轴滑动连接的筒体和杆体，所述筒体底端及杆体顶端分别设有万向球与桥梁支座的底板及顶板连接。

3.根据权利要求2所述的桥梁状态监测装置，其特征在于，所述直线位移传感器的固定部及活动部分别设置在杆体和筒体上。

4.根据权利要求2所述的桥梁状态监测装置，其特征在于，所述筒体内设有活动腔，所述杆体穿过所述筒体的活动腔，所述活动腔内的杆体上设有活塞。

5.根据权利要求4所述的桥梁状态监测装置，其特征在于，所述筒体外部设有循环管与发电机，所述循环管两端分别与活动腔两端连通，所述循环管上设有循环腔，所述活动腔、循环管及循环腔内充满循环液，所述循环腔内转动设有叶轮，所述叶轮与发电机传动连接，所述控制箱内设有与控制系统及发电机电性连接的电池系统。

6.根据权利要求5所述的桥梁状态监测装置，其特征在于，所述循环液为液压油。

7.根据权利要求5所述的桥梁状态监测装置，其特征在于，所述循环腔两侧分别设有一个发电机，所述循环腔上转动设有与叶轮同轴连接的输出轴，所述输出轴两端分别与两发电机的输入轴通过单向传动机构传动连接。

8.根据权利要求7所述的桥梁状态监测装置，其特征在于，所述单向传动机构为单向联轴器或棘轮机构。

9.根据权利要求7所述的桥梁状态监测装置，其特征在于，所述发电机的输入轴上设有与其同轴连接的飞轮。

10.根据权利要求7所述的桥梁状态监测装置，其特征在于，所述循环腔一侧设有与输出轴配合的转速传感器。

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