TWI672415B - 控制橋樑變形之臨界平衡裝置及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種控制橋樑變形之臨界平衡裝置及其方法，其裝置係設置於一橋樑本體且包含有至少一迴旋機構，設置於橋樑本體之底面，並具有一基座、兩設置於基座之旋臂、兩纜索分別穿設於兩旋臂之一端以及固定兩纜索之兩端的兩錨定座；以及至少一電子控制模組，係具有至少一設置於兩旋臂另一端之伺服馬達、至少一電性連接伺服馬達之控制器以及至少一電性連接控制器之位移感測器；藉此，本發明藉由迴旋機構產生向上的控制力，去抵銷橋樑本體向下的力量，以避免橋樑本體變形。

Description

控制橋樑變形之臨界平衡裝置及其方法

本發明係有關於一種控制橋樑變形之臨界平衡裝置及其方法，當車輛由橋面經過時，係會產生向下的力量，而使橋面變形，本發明即可產生對應向上的控制力量，避免橋樑本體變形。

按，台灣四面環海，又有許多高山，地形上佈滿了河川，因此為了交通便利，會建置多個橋樑，以利當地居民或是外來遊客通行，各地區間均依賴橋樑貫通以維持交通與運輸之通暢，目前於國內，橋樑的興建主要是以鋼筋混凝土構造為主；然而，台灣位於地震帶上，且早期亦未重視山區的水土保持，於是當地震發生或是颱風來臨後，容易造成土石流，甚至使橋樑崩塌，導致對外交通受到影響，災後橋樑受損無法通行，嚴重影響相關救災與復育之工作。以2009年之莫拉克風災為例，台灣有多座橋樑被土石流沖斷，造成山區部落及住宅社區等被孤立，導致緊急救災不易與人員物資難以運送。

為了重新連接受災地區與外界的交通，通常會搭建便橋，臨時舒緩交通的需求。常見的便橋技術有涵管橋、簡便鋼橋、工兵倍力橋以及FRP便橋等，前二者只能用於很淺的河川甚至只能在河床上搭建，而倍力橋基本上也較不適於深河谷，且需要比較長的平坦工準備空間；中華民國專利公告號TW I564452「輕量便橋系統及其建造方法」即提供一種非對稱型斜張橋結構的輕量便橋系統，配重結構、橋塔結構及橫跨結構皆以模組化的方式建構而成，以能夠快速組裝，並透過纜索所提供的垂直拉力可減少載重(如汽車、機車或人)於橫跨結構上移動時造成的變形量；然而，大多數的便橋，其適用性受到斷橋現場空間、支撐條件等因素影響，於是無法適用在所有的場合，尤其需要的橋樑長度較長時，則必須於中點位置架設支撐點，才足以支撐整個橋樑的重量與變形量。

抑或是有些橋樑為了提供抵抗載重造成的變形，係在橋樑上安裝油壓制動器為撐桿，以油壓之力量去抵抗橋樑之變形量。如此，油壓致動器需要一個功率很大的油壓機供應所需壓力以及很快的反應速度才能完美的抵消橋樑結構的位移，其油壓系統中的動能消耗係相當龐大；爰此，如何提供一種平衡控制技術，透過改變橋樑內部應力，以降低橋樑變形的系統，亦減少能量的消耗，進而提高便橋的機動性，此即發明人所思及之方向。

今，發明人即是鑑於上述現有之橋樑之平衡技術於實際實施使用時仍具有多處缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明主要目的為提供一種控制橋樑變形之臨界平衡裝置及其方法，其能夠偵測到橋樑的受力行為，並給予適當地反饋力量；當橋面未承載活載重時臨界平衡控制裝置必須維持橋樑的平衡與穩定，當承載活載重時，必須依據活載重在橋樑上所造成的影響，適時提供足夠之垂直力，控制橋樑的變形量在容許範圍內。

為了達到上述實施目的，本發明提出一種控制橋樑變形之臨界平衡裝置，係設置於一橋樑本體，其包含有至少一迴旋機構，設置於橋樑本體之底面，係具有一基座、兩設置於基座之旋臂、兩纜索分別穿設於兩旋臂之一端以及固定兩纜索之兩端的兩錨定座；以及至少一電子控制模組，係具有至少一設置於旋臂另一端之伺服馬達、至少一電性連接至少一伺服馬達之控制器以及至少一電性連接至少一控制器之位移感測器。

於本發明之一實施例中，至少一迴旋機構係設置於底面之中點；或是於底面等距設置兩個以上之至少一迴旋機構。

於本發明之一實施例中，纜索係選用鋼腱或是碳纖維纜索其中之一，亦可選用其他能承受高拉力的纜索，並由控制器透過一控制律計算出兩旋臂需旋轉之角度。

於本發明之一實施例中，每一旋臂之另一端係以一固定端固定於基座內，並由伺服馬達帶動。

於本發明之一實施例中，位移感測器係可選自由一電阻尺、一線性可變差動變壓器(LVDT)、一雷射感測器及一影像感測器所構成之群組，亦可選用其他的接觸式位移感測模組。

另，本發明提供一種控制橋樑變形之臨界平衡方法，其步驟包含有步驟一：透過一電子控制模組之位移感測器偵測一橋樑本體之上下方向的一位移量，並傳輸給至少一控制器；步驟二：至少一控制器根據位移量，係計算出設置於橋樑本體之底面的至少一迴旋機構需旋轉之角度；步驟三：由至少一伺服馬達驅動至少一迴旋機構之兩旋臂轉動，並使分別穿設於兩旋臂之兩纜索同時轉動；步驟四：兩纜索之兩端係分別固定於兩個錨定座上，於是會產生一方向向上之合力，以抵銷橋樑本體之位移量。

於本發明另一實施例中，至少一迴旋機構係包含有一基座、設置於基座之兩旋臂、穿設於每一旋臂之一端之兩纜索以及固定兩纜索之兩端的兩錨定座；且至少一迴旋機構係設置於橋樑本體之底面之中點，或是於橋樑本體之底面等距設置兩個以上之至少一迴旋機構。

於本發明另一實施例中，電子控制模組係具有伺服馬達、電性連接伺服馬達之控制器以及電性連接控制器之位移感測器，而伺服馬達係設置於兩旋臂之另一端。

於本發明另一實施例中，位移感測器係選自由一電阻尺、一線性可變差動變壓器(LVDT)、一雷射感測器及一影像感測器所構成之群組，亦可選用其他的接觸式位移感測模組。

於本發明另一實施例中，兩纜索係選用鋼腱或是碳纖維纜索其中之一，亦可選用其他能承受高拉力的纜索，並由控制器透過一控制律計算出兩旋臂需旋轉之角度。

本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

請參閱第一圖~第五圖，本發明一種控制橋樑變形之臨界平衡裝置，係設置於一橋樑本體(1)，此橋梁本體(1)具有一橋面(11)以及一相對橋面(11)之底面(12)；且包含有至少一迴旋機構(2)，設置於橋樑本體(1)之底面(12)，係具有一基座(21)、兩設置於基座(21)之旋臂(22)、兩纜索(23)分別穿設於兩旋臂(22)之一端以及固定纜索(23)之兩端的兩錨定座(24)，而旋臂(22)係以一固定端(221)設置於基座(21)內，纜索(23)係選用鋼腱或是碳纖維纜索(23)其中之一；以及至少一電子控制模組(3)，係具有至少一設置於旋臂(22)另一端之伺服馬達(31)、至少一電性連接伺服馬達(31)之控制器(32)以及至少一電性連接控制器(32)之位移感測器(33)。

另，本發明根據前述控制橋樑變形之臨界平衡裝置，係提供一種控制橋樑變形之臨界平衡方法，其步驟包含有步驟一：透過一電子控制模組(3)之位移感測器(33)偵測一橋樑本體(1)之上下方向的一位移量，並傳輸給至少一控制器(32)；步驟二：控制器(32)根據位移量，係計算出設置於橋樑本體(1)之底面(12)的至少一迴旋機構(2)需旋轉之角度；步驟三：由至少一伺服馬達(31)驅動至少一迴旋機構(2)之兩旋臂(22)轉動，並使分別穿設於兩旋臂(22)之兩纜索(23)同時轉動；步驟四：兩纜索(23)之兩端係分別固定於兩個錨定座(24)上，於是會產生一方向向上之合力，如第六圖所示，以抵銷橋樑本體(1)之位移量。

其中，若使用單一個迴旋機構(2)，其可設置於橋樑本體(1)之底面(12)的中點，若使用兩個以上的迴旋機構(2)，其可等距設置於橋樑本體(1)之底面(12)；且，位移感測器係選自由一電阻尺、一線性可變差動變壓器(LVDT)、一雷射感測器及一影像感測器所構成之群組，係用來偵測橋樑本體(1)的位移量，獲得精準的位移量，並由控制器透過一控制律計算出兩旋臂(22)需旋轉之角度。

此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。

請繼續參閱第一圖~第五圖，本發明控制橋樑變形之臨界平衡裝置及其方法，其係於橋樑本體(1)之底面(12)設置至少一個迴旋機構(2)，迴旋機構(2)具有成對的旋臂(22)、纜索(23)與錨定座(24)，旋臂(22)之固定端(221)固定於基座(21)內，並同時設置有電子控制模組(3)，如此，當橋樑本體(1)之橋面(11)有活載重經過時，橋樑本體(1)係接收一外力，使橋樑本體(1)向下位移變形，電子控制模組(3)之位移感測器(33)就能偵測到橋樑本體(1)向下的位移量，控制器(32)即驅使伺服馬達(31)帶動兩個旋臂(22)往內旋轉，而改變旋臂(22)角度ψ，其中伺服馬達(31)可對應一個旋臂(22)設置一個，或是兩個旋臂(22)共用一個伺服馬達(31)，並由同步機構讓伺服馬達(31)同時帶動兩個旋臂(22)，若設置兩個的伺服馬達(31)，則亦可對應兩伺服馬達(31)設置兩個控制器(32)，且伺服馬達(31)與旋臂(22)之間可透過減速機連接，以提高扭力並避免失控。

纜索(23)之兩端固定在錨定座(24)上，並有一預力，由於旋臂(22)支撐作用，將纜索(23)撐開使得纜索(23)與固定在錨定座(24)上的錨定點連線(241)產生一夾角θ，如第六圖所示，因而纜索(23)對旋臂(22)有一合力作用，其大小為纜索(23)預力值乘以夾角θ的正弦值之二倍，其方向指向旋臂(22)之轉軸處。

本發明主要是透過旋臂(22)旋轉之角度ψ來改變纜索(23)作用在旋臂(22)的合力方向，以及向上合力的垂直、水平分量，角度之範圍係由-90°至90°，在此定義旋臂水平時角度ψ為0°，合力之垂直分量即為控制力之大小，可參閱第七圖所示，角度由0°~90°之間時，力量方向向上、使橋樑本體(1)產生向上之位移，用以抵銷橋面(11)活載重所造成向下之位移量，當角度為90°時，可以得到最大控制力；至於水平的分量則因迴旋機構(2)之兩旋臂(22)對稱，使得兩個水平分量方向相反、力量互相抵銷，所以旋臂(22)改變角度僅會使垂直的力量改變，也就是只有改變控制力之大小，垂直方向之分量則會隨著旋臂(22)的角度ψ增加而增加。如此，垂直方向的分量能抵銷掉橋樑本體(1)向下的位移量，避免橋樑本體(1)變形；當橋樑本體(1)之長度較長時，也可以設置兩組以上的迴旋機構(2)，以達到更佳的平衡控制。

請繼續參閱第七圖所示，由於橋樑本體(1)之橋面(11)亦可能會因為於橋樑本體(1)兩個以上的位置使用迴旋機構(2)，而在載重偏向其中一迴旋機構(2)時，會在另一迴旋機構(2)產生向上位移的情況，於是，旋臂(22)旋轉之角度ψ在-90°~0°之間時，力量方向向下、使橋樑本體(1)產生向下之位移，用以抵抗橋面(11)在另一迴旋機構(2)處向上的位移。

而旋臂(22)需旋轉之角度係由控制器(32)透過控制律所計算出來，當位移感測器(33)偵測到橋樑本體(1)向下的位移量時，控制器(32)就會接收此位移量資訊，並計算需要讓旋臂(22)轉動多少角度，以換算出迴旋機構(2)作用在橋樑本體(1)上的向上控制力如下，其中，θ為纜索(23)與固定在錨定座(24)上的錨定點連線(241)之夾角、T為纜索(23)預力、L為橋樑跨距、l為旋臂(22)長度、控制力為μ、R為合力、ψ為旋臂(22)旋轉的角度；

首先，可以由式1先求出纜索(23)與錨定點連線(241)之夾角θ；

式1

得知θ後，可以由式2求出旋臂(22)上的合力R；

式2

如此，當旋臂(22)之旋轉角度ψ=90°時，可以得到最大控制力μ _max，亦等於最大之合力R，並由式3求出控制力μ；

式3

藉此，伺服馬達(31)帶動旋臂(22)旋轉時，使迴旋機構(2)產生垂直的控制力去抵銷橋樑本體(1)向下的位移量。

而旋臂(22)的旋轉角度由控制器(32)依據控制律代入橋樑本體(1)即時的上下方向位移計算。控制器(32)必須連續地監測迴旋機構(2)安裝位置的橋樑本體(1)之位移量變化，並利用控制器(32)內的PID控制單元(圖中未示)計算迴旋機構(2)上的旋臂(22)在下一步的目標角度，然後將該目標角度傳到伺服馬達(31)，使旋臂(22)完成連續之旋轉動作，以達到自動控制使迴旋機構(2)安裝位置的位移量為零之目的；其計算方式如下，首先位移感測器(33)偵測到橋樑本體(1)向下的位移量為 ，控制器(32)接續以式4作運算，以求得角度ψ，其中， 代表第i個迴旋機構(2)所在位置於第k個步驟的向下位移量， G _P、G _I、G _D分別是比例、積分、微分增益係數、n是積分步數，且至少取2步；

式4

求得角度ψ後，控制器(32)將每個迴旋機構(2)之旋臂(22)欲旋轉的目標角度傳到伺服馬達(31)，使其完成對應的旋轉動作。

本發明實際測試時，先進行靜態的試驗，係將負載分別放置在橋樑本體(1)之跨距0.2L、0.5L、0.8L處，並與一無裝設本發明迴旋機構(2)之橋樑本體(1)進行比較，其將負載放置在0.5L處，測試結果可參考第八圖，於本發明控制下，橋樑本體(1)的最大位移量為0.65 mm，無本發明控制之橋樑本體(1)的最大位移為4.54 mm，可知本發明控制後的橋樑本體(1)其位移量明顯低於無控制之橋樑本體(1)，代表本發明之橋樑本體(1)較不易受到負載的外力而變形；又，從測試中可發現，當負載放置在橋樑本體(1)的中點時，由於控制力和負載彼此抵銷，因此負載位於中點時，橋樑本體(1)上幾乎不會發生位移與變形。

而橋樑本體(1)上，以纜索(23)合力為100 kN、旋臂(22)半徑2公尺為例，橋樑本體(1)之中點垂直向下位移分別是半徑的0.1以及0.01時，電子控制模組(3)之控制器(32)計算出迴旋機構(2)需要的垂直向上的控制力Fv, req、需要的扭矩Mreq，以及迴旋機構(2)實際產生的垂直向上控制力Fv, act，係呈現如第九、十圖所示，由圖中可知，位移量越大時，旋臂(22)轉動的角度越大，實際產生的控制力Fv, act也會越大，而迴旋機構(2)需要的垂直向上的控制力Fv, req、需要的扭矩Mreq也跟著越大；但是當橋樑本體(1)之中點垂直向下位移趨近於零時，迴旋機構(2)需要的扭矩Mreq也跟著趨近於零，代表在很小的外來扭矩Mreq之提供下，即可以輸出很大的控制力Fv, act。。

若橋樑本體(1)之中點沒有位移，此時纜索(23)長度不變也表示旋臂(22)上合力不變，即代表內部能量無增減，因為旋轉(22)不影響纜索(23)應變，所以在無位移量的情形下轉動旋臂(22)，理論上不需能量，但是必須注意旋臂(22)之轉軸需與錨定點連線(241)連為一直線，確保旋臂(22)上之合力不會因為轉動而改變，達成臨界平衡；但在實際運作的情況下，控制力是隨橋樑本體(1)之位移量變化而改變其大小，而橋樑本體(1)之位移量不太可能保持為零，迴旋機構(2)內將會有纜索(23)產生應變造成之能量改變，本裝置則會將橋樑本體(1)之位移控制在一微小範圍內，令位移量遠小於旋臂(22)長度及橋樑本體(1)之跨距，以達到臨界平衡，所以纜索(23)應變產生之能量變化極小。

此外，位移感測器(33)除了使用電阻尺、線性可變差動變壓器(LVDT)、影像感測器或雷射感測器其中之一去感測橋樑本體(1)之位移量之外，亦可進一步結合上述不同的位移感測器(33)同時感測橋樑本體(1)之位移量，並安裝於橋樑本體(1)上的不同斷面或在同一斷面的左、右側上，可例如以電阻尺或線性可變差動變壓器(LVDT)搭配影像感測器或雷射感測器去作使用，其中，影像感測器拍下橋樑本體(1)之橋面(11)未承載活負載的態樣，於實際使用時，不斷拍攝橋樑本體(1)，並對照橋樑本體(1)未承載活負載的影像，以計算出位移量；抑或是將雷射感測器之雷射光先打在橋樑本體(1)中的一個位置，同樣於實際使用時，不斷拍攝橋樑本體(1)，係可計算出雷射光的偏移量，即為橋樑本體(1)向下的位移量；此位移量資訊再傳輸給控制器(32)，搭配位移感測器(33)使用時，能獲得更精準的位移量，以及提高控制的精細性。

由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點：

1.本發明控制橋樑變形之臨界平衡裝置及其方法在橋樑本體底下設置迴旋機構，透過旋臂、纜索等元件，可轉動一角度，產生垂直向上的控制力，當橋樑本體上有活載重經過時，即可抵銷活載重所造成向下的位移量，避免橋樑本體產生變形。

2.本發明控制橋樑變形之臨界平衡裝置及其方法係透過偵測橋樑本體向下的位移量，使控制器計算出需要的合力與垂直的控制力，藉此控制伺服馬達帶動旋臂旋轉到需要的角度，以正確產生剛好抵銷位移量的垂直向上控制力。

3.本發明控制橋樑變形之臨界平衡裝置及其方法係抵銷橋樑本體的位移量，當位移量下降，甚至下降至零時，即可達到臨界平衡，迴旋機構所需要的功率也會幾乎歸零，如此，本裝置將整體之耗能降至最低；相較於先前需要高功率的油壓機去提供油壓致動器高動能的能量，以抵抗橋樑變形技術，本發明基本上不需由外部提供能量。

綜上所述，本發明之控制橋樑變形之臨界平衡裝置，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

(1)‧‧‧橋樑本體

(11)‧‧‧橋面

(12)‧‧‧底面

(2)‧‧‧迴旋機構

(21)‧‧‧基座

(22)‧‧‧旋臂

(221)‧‧‧固定端

(23)‧‧‧纜索

(24)‧‧‧錨定座

(241)‧‧‧錨定點連線

(3)‧‧‧電子控制模組

(31)‧‧‧伺服馬達

(32)‧‧‧控制器

(33)‧‧‧位移感測器

第一圖：本發明其較佳實施例之部分剖視圖。

第二圖：本發明其較佳實施例之旋臂原點示意圖。

第三圖：本發明其較佳實施例之旋臂30°示意圖。

第四圖：本發明其較佳實施例之旋臂60°示意圖。

第五圖：本發明其較佳實施例之旋臂90°示意圖。

第六圖：本發明其較佳實施例之旋臂90°側視示意圖。

第七圖：本發明其較佳實施例之合力與控制力示意圖。

第八圖：本發明其較佳實施例之靜態變形曲線圖。

第九圖：本發明其較佳實施例之位移、控制力與扭矩關係圖(一)。

第十圖：本發明其較佳實施例之位移、控制力與扭矩關係圖(二)。

Claims (10)

1. 一種控制橋樑變形之臨界平衡裝置，係設置於一橋樑本體，其包含有：至少一迴旋機構，設置於該橋樑本體之底面，係具有一基座、兩設置於該基座之旋臂、兩纜索分別穿設於該兩旋臂之一端以及固定該兩纜索之兩端的兩錨定座；以及至少一電子控制模組，係具有至少一設置於該兩旋臂另一端之伺服馬達、至少一電性連接該至少一伺服馬達之控制器以及至少一電性連接該至少一控制器之位移感測器，其中該控制器透過一控制律計算出該兩旋臂需旋轉之角度。
2. 如申請專利範圍第1項所述控制橋樑變形之臨界平衡裝置，其中該至少一迴旋機構係設置於該橋樑本體之底面之中點；或是於該橋樑本體之底面等距設置兩個以上之該至少一迴旋機構。
3. 如申請專利範圍第1項所述控制橋樑變形之臨界平衡裝置，其中該纜索係選用鋼腱或是碳纖維纜索其中之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述控制橋樑變形之臨界平衡裝置，其中每一該旋臂之另一端係以一固定端固定於該基座內，並由該至少一伺服馬達帶動。
5. 如申請專利範圍第1項所述控制橋樑變形之臨界平衡裝置，其中該位移感測器係選自由一電阻尺、一線性可變差動變壓器(LVDT)、一雷射感測器及一影像感測器所構成之群組。
6. 一種控制橋樑變形之臨界平衡方法，其步驟包含有：步驟一：透過至少一電子控制模組之位移感測器偵測一橋樑本體之上下方向的一位移量，並傳輸給至少一控制器；步驟二：該至少一控制器根據該位移量，係計算出設置於該橋樑本體之底面的至少一迴旋機構需旋轉之角度；步驟三：由至少一伺服馬達驅動該至少一迴旋機構之兩旋臂轉動，並使分別穿設於該兩旋臂之兩纜索同時轉動；步驟四：該兩纜索之兩端係分別固定於兩個錨定座上，於是會產生一方向向上之合力，以抵銷該橋樑本體之位移量。
7. 如申請專利範圍第6項所述控制橋樑變形之臨界平衡方法，其中該至少一迴旋機構係包含有一基座、設置於該基座之 該兩旋臂、穿設於每一該旋臂之一端之該兩纜索以及固定該兩纜索之兩端的該兩錨定座；且該至少一迴旋機構係設置於該橋樑本體之底面之中點，或是於該橋樑本體之底面等距設置兩個以上之該至少一迴旋機構。
8. 如申請專利範圍第6項或第7項所述控制橋樑變形之臨界平衡方法，其中該電子控制模組係具有該至少一伺服馬達、電性連接該至少一伺服馬達之該控制器以及電性連接該控制器之該位移感測器，而該至少一伺服馬達係設置於該兩旋臂之另一端。
9. 如申請專利範圍第8項所述控制橋樑變形之臨界平衡方法，其中該位移感測器係選自由一電阻尺、一線性可變差動變壓器(LVDT)、一雷射感測器及一影像感測器所構成之群組。
10. 如申請專利範圍第6項所述控制橋樑變形之臨界平衡方法，其中該兩纜索係選用鋼腱或是碳纖維纜索其中之一，並由該控制器透過一控制律計算出該兩旋臂需旋轉之角度。