專利名稱：：一種液氣耦合壓差式橋梁撓度測試方法
技術(shù)領域：
：本發(fā)明涉及一種橋梁撓度的測試方法，適用于任意橋跨長度的多個控制測點的撓度測試，屬于橋梁檢測及監(jiān)測
技術(shù)領域：
，具體地說是涉及橋梁檢測及健康監(jiān)測過程中的一種高精度及高效率的橋梁撓度測試方法。
背景技術(shù)：
：在橋梁^r測及健康監(jiān)測過程中，橋梁在汽車等活荷載作用下會產(chǎn)生一定的撓度及變形，已損傷橋梁結(jié)構(gòu)的變形甚至處于非線性狀態(tài)，活載卸去后會產(chǎn)生一定的殘余變形。因此，橋梁的撓度作為一種重要的評判參數(shù)，對檢驗和評價橋梁結(jié)構(gòu)的真實受力特性具有重要的理論價值；同時，橋梁檢測過程中一般需封閉交通，荷載工況較多，整個工作過程時效性要求高。由此，在橋梁檢測過程中，高精度及高效率的橋梁撓度測試系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。在當前橋梁檢測及健康監(jiān)測過程中，橋梁撓度測試一般采取如下方法1、采用采用水準儀等光學測量儀器測量橋梁撓度，雖然操作簡便，但測量精度較低，尤其橋梁檢測常在夜間進行，其測量結(jié)果受人為影響干擾較大，誤差較大，而且當橋梁縱坡較大時，需轉(zhuǎn)點操作，工作效率非常低。2、采用百分表、千分表等位移計測試橋梁撓度，雖精度較高，但固定底座安裝不便，且數(shù)據(jù)采集較為困難，工作效率略低。3、運用光電圖像原理，通過采集的圖像信號，采用數(shù)據(jù)處理方法，得出橋梁的撓度值，如專利號為ZL200610095083.2、授權(quán)公告號為CN100395515C、名稱為"張力線視頻撓度測量裝置及方法"的發(fā)明專利，以及申請?zhí)枮?00710103777.0、公開號為CN101055218、名稱為"橋梁撓度和位移的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法"的發(fā)明專利申請，其工作原理復雜，圖像數(shù)據(jù)采集受視距、光線等特定條件的限制，數(shù)據(jù)處理困難，而且成本較高，尤其在夜間測試時，實際可操作性差。4、基于連通器原理，根據(jù)開放式連通管內(nèi)的液面的變化直接測量橋梁撓度，當橋梁縱坡較大時，通常在每兩個測點之間分別連一根連通管，此方法原理簡單，但實際測試效果表明由于液體與管壁之間的粘滯阻力及水與管壁之間的毛細作用，導致測試精度不高，卸載后，回零讀數(shù)也存在較大誤差，同時，由于液體表面張力作用，液面呈非水平面狀，其讀數(shù)也存在較大誤差。5、基于連通器原理，直接將撓度轉(zhuǎn)化為管內(nèi)液體的壓力，采用壓力變送器將壓力變化換成撓度的改變，如專利號為200310108447.2、授權(quán)公告號為CN100385201C、名稱為"大跨徑橋梁撓度監(jiān)測方法"的發(fā)明專利，其方法理論上具有可行性，但實際操作過程中尤其在橋梁跨度較大或測點較多時，由于管內(nèi)液體與管壁之間的相對流動而產(chǎn)生粘滯阻力，液體的壓力會有一定程度的損失，導致測量精度具有一定的誤差，并且其僅在長期的橋梁監(jiān)控中具有一定的實用價值，而在橋梁檢測過程中其成本較高，在不封閉交通的情況下，裝置現(xiàn)場安裝困難。因此，現(xiàn)有橋梁撓度測試裝置存在如下缺陷1、測試精度低，誤3差較大，無法真實評判橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性；2、測試裝置安裝復雜，數(shù)據(jù)采集困難，工作效率低下；3、工作機理復雜，前期數(shù)據(jù)計算困難，計算成本及經(jīng)濟成本較高。4、無法適用于大橋、特大橋等橋梁撓度的監(jiān)測。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種高精度且高效率的橋梁撓度測試方法，該方法克服了現(xiàn)有開放式連通管撓度測試方法的不足，將整個測試中液氣耦合壓差的改變轉(zhuǎn)變?yōu)闃蛄簱隙鹊淖兓?。本方法在各測點端部密閉較小體積的氣體，同時由于各氣柱調(diào)節(jié)器及液體調(diào)節(jié)箱的輔助作用，使得在整個測試全過程中，連通管內(nèi)液體處于準靜止狀態(tài)，有效克服了因管壁與液體之間的相對流動而產(chǎn)生的粘滯阻尼力及毛細效應，另外，通過信號傳送裝置將氣壓差傳感器的壓強讀數(shù)方便而又及時的傳至信號采集系統(tǒng)，進而推算出各測點撓度值，因而，本方法不但測量精度高，而且測量效率高，具有較高的實用價值。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的所述的液氣耦合壓差式橋梁撓度測試方法中，在橋臺無撓度變形處設置一個液體調(diào)節(jié)箱a，將液體調(diào)節(jié)箱a中的液面作為整個測試中的參考液面，其液體表面積應遠大于液體調(diào)節(jié)箱a連接到各測點的連通管b的截面積，消除了溫度變化及液體流動等因素導致參考液面較大變化，因此，在撓度測試全過程中，液體調(diào)節(jié)箱a內(nèi)液面高度近似不變。所述的液氣耦合壓差式橋梁撓度測試方法中，在各測點處均設置有氣柱調(diào)節(jié)器f，氣柱調(diào)節(jié)器f的端部密閉較小體積的氣體后，在整個測試全過程中，連通管b內(nèi)液體處于準靜止狀態(tài)，有效克服了因管壁與液體之間的相對流動而產(chǎn)生的粘滯阻尼力及毛細效應，為解決密閉氣柱的長度無法具體量化和控制，以及連接方便，在各測點端部連接一個氣柱調(diào)節(jié)器f,氣柱調(diào)節(jié)器f的截面積遠大于氣壓差傳感器j的塑料透明連截面積，依靠其局部放大效應后，連接氣壓差傳感器j的塑料透明連接管的長度/2可取較大值，同時，依靠氣柱調(diào)節(jié)器f對氣柱面積的局部放大效應后，氣壓差傳感器j的讀數(shù)更加穩(wěn)定。所述的液氣耦合壓差式橋梁撓度測試方法中，為了有效克服較大橋梁縱坡導致氣壓差傳感器j的一極產(chǎn)生較大壓差，補償和平衡氣壓差傳感器j兩端的壓強，在各測點處設置一個壓差補償器k,壓差補償器k中的液面高度可根據(jù)橋梁縱坡大小而調(diào)整，以此控制撓度測試裝置的安裝高度在可視范圍之內(nèi)。所述的液氣耦合壓差式橋梁撓度測試方法中，采用虹吸原理在連通管b中灌注液體，為了防止在連接各測點過程中連通管b內(nèi)留有殘余空氣，在連通管b分支到各測點的平面三通c前設置一個閥門開關(guān)d,通過閥門開關(guān)d來排除管內(nèi)殘余空氣，為便于操作，連通管b可采用塑料透明連接管，通過平面三通c將連通管b分支至各測點位置，并連接到固定于各測點儀表安裝支架e之上的氣柱調(diào)節(jié)器f，利用塑料透明連接管分別將氣柱調(diào)節(jié)器f和壓差補償器k上端連接于氣壓差傳感器j的正、負兩極，氣壓差傳感器j上安裝有信號傳送裝置i，將測試數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所述的液氣耦合壓差式橋梁撓度測試方法中，液氣耦合壓差的改變轉(zhuǎn)變?yōu)闃蛄簱隙茸兓臋C理為戶"為標準大氣壓強，g為測點未發(fā)生撓度變形時該處密閉氣體的壓強，尸2為測點發(fā)生撓度變形M后該處密閉氣體的壓強，/Z。為壓差補償器k兩端的液面高差，尸。為壓差補償器k內(nèi)密閉氣體的壓強，A為氣柱調(diào)節(jié)器f內(nèi)氣柱高度，/2為塑料透明連接管內(nèi)氣柱長度，A/為測點發(fā)生撓度變形后密閉氣柱的壓縮長度。當測點位置發(fā)生撓度變形w時，得A《=《—尸0(1)A尸,=尸，—R(2)(3)上式中，M、AP2、AP分別為撓度變形前后氣壓差傳感器j的讀數(shù)值及讀數(shù)的差值，且有《為壓差補償器k兩端的液面高差而產(chǎn)生的液壓差，由上式可知，可以通過調(diào)整a的數(shù)值改變氣壓差傳感器j的讀數(shù)值在有效量程范圍之內(nèi)，也可預先調(diào)整《來增加氣壓差傳感器j的測量范圍。假定橋梁發(fā)生撓度變形時"，密閉氣體處于等溫狀態(tài)壓縮或膨脹狀態(tài)，則有U2r2(4)即A=H=t^l=1—AF尸2KK(5)上式中，K、F2、AK分別為撓度變形前后測點密閉氣體的體積及體積差值。將式(3)代如至式(5)并移項，有尸，(6)式(6)中，AF-4A/,^-4A+4Z2，其中，4、4分別為氣柱調(diào)節(jié)器f的截面積及塑料透明連接管的截面積，將^的表達式代入至式(6)，得P2根據(jù)測點處液面與液體調(diào)節(jié)箱a中參考液面的相對變化關(guān)系，有:AP"g(w-A/)將式(7)代入至式(8)并移項，得(7)(8)AP1+(9)上式中,/、g分別為液體的密度及重力加速度。代入式(2)至式(9),得:1+上式中，1+/2。+A/Z2+Z0J(10)A/z、A、A&分別為AP、尸。及A/^的等效液柱高度。由上式可知:當A較小，且4遠小于4時，有wA/z(11)上式表明，在滿足/,取較小值，且4遠小于4時，測點處的撓度值w與氣壓差傳感器j的差值AP所對應的等效液柱高度相等，因此，實際測試過程中，只要記錄橋梁撓度測點位置變形前后氣壓差傳感器j的讀數(shù)差值，即可很方便的求出該測點的撓度值。本發(fā)明的優(yōu)點1.工作原理簡單，理論基礎可靠，適用于任意跨度橋梁的多個控制測點的撓度及線形監(jiān)測。2.成本較低，操作筒便，測試儀器各部分組成現(xiàn)場組裝方便，測試工作效率高，測試精度高，數(shù)據(jù)釆集方便。3.能有效避免測試現(xiàn)場溫度、環(huán)境風的因素對測試結(jié)果的影響，能克服橋面縱坡對各測點儀器安裝位置的影響。圖1為本發(fā)明橋梁撓度測試方法的結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖。圖2為本發(fā)明橋梁撓度測試方法的機理結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖。具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，該實施例中氣壓差傳感器j的量程為-2000Pa~2000Pa，壓強測試精度選取1.OPa即可滿足實際測試要求，其對應的位移測試精度為0.lmm。圖1為本發(fā)明橋梁撓度測試方法的結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖，圖2為本發(fā)明橋梁撓度測試方法的機理結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖。由于連通管b端部密閉了小段氣體，以及氣柱調(diào)節(jié)器f及液體調(diào)節(jié)箱a的調(diào)節(jié)作用，在整個測試全過程中，連通管b內(nèi)液體將處于準靜止狀態(tài)。連通管b內(nèi)液體可以采用水，當溫度較低時，可在水中摻加適量的防凍液，而在橋梁健康監(jiān)測過程中，為了防止連通管b內(nèi)液體揮發(fā)及腐蝕，可采用硅油替代水。本實施例中，液體調(diào)節(jié)箱a可以采用直徑為40cm的圓桶，連通管b直徑為6mm8咖的軟管，長度根據(jù)測點距離而定，然后在管內(nèi)灌注液體(水或者硅油)，液體調(diào)節(jié)箱a截面積遠大于連通管b截面積。調(diào)整氣柱調(diào)節(jié)氣f中液面位置至/,《lcm，氣柱調(diào)節(jié)器f的直徑可為5cm，高度可為5cm,透明管連接管直徑取5mm,氣柱調(diào)節(jié)器f的截面積與連接壓差傳感器g的塑料透明連截面積之比為100(遠大于50)，連接氣壓差傳感器j的塑料透明連接管的長度/2為10cm。壓差補償器k為高度可伸縮的塑料管，也可以是其他材料的管，管內(nèi)灌注一定容量的液體。當橋梁發(fā)生撓度變形時，氣柱調(diào)節(jié)器f與連接壓差傳感器g的透明管內(nèi)的氣柱由于壓強變化發(fā)生微小的壓縮和伸長，由于氣柱體積小，同時由于氣柱調(diào)節(jié)器f及液體調(diào)節(jié)箱a的輔助作用，因此，在整個測試全過程中，管內(nèi)液體處于準靜止狀態(tài)，有效克服了因管壁與液體之間的相對流動而產(chǎn)生的粘滯阻尼力及毛細效應。避免了測試誤差的產(chǎn)生。當橋面有縱坡時，為了控制氣壓差傳感器j的量程及撓度測試儀器的安裝高度在可視范圍之內(nèi)，通過調(diào)節(jié)壓差補償器k中液面位置的高度，很方便的抵消和平衡壓差傳感器g正、負極的壓強。在有縱坡橋面和無縱坡橋面的撓度測試中，本實施例參數(shù)值列表顯示如下表所示，其中，管內(nèi)灌注液體為水。A。為標準大氣壓等效的水柱高度，即A。二10.329m,當氣壓差傳感器j的讀數(shù)在允許量程范圍內(nèi)時，A/j2取下表對應值，在以上條件下，m與AA對應關(guān)系如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>器由上表可知，在以上參數(shù)條件下，橋梁測點位置實際撓度值"與氣壓差傳感的度數(shù)差值所等效的液柱長度值AA近似相等，由下式關(guān)系式可得AP2000<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>由式(11)及式(12)可根據(jù)氣壓差傳感器j的度數(shù)差值AP得出橋梁撓度值例如，當管內(nèi)灌注液體為水時，氣壓差傳感器j的度數(shù)差值AP為1000Pa時，此時測點撓度值w即為101.9mm。本測試方法可用于橋梁檢測中的靜載工況下的撓度測試及橋梁健康監(jiān)測過程中橋梁長期的撓度及線形監(jiān)測測試。通過調(diào)整液體調(diào)節(jié)箱a中液面與氣柱調(diào)節(jié)器f中的液面至較大高差，同時調(diào)整連接壓差傳感器g的透明管直徑至很小值，本測試方法也可以實現(xiàn)橋梁撓度及橋面線形的動態(tài)監(jiān)測。權(quán)利要求1、一種液氣耦合壓差式橋梁撓度測試方法，其特征在于在橋臺無撓度變形處設置一個液體調(diào)節(jié)箱(a)，將液體調(diào)節(jié)箱(a)中的液面作為整個測試中的參考液面，其液體表面積應遠大于液體調(diào)節(jié)箱(a)連接到各測點的連通管(b)的截面積，使得在測試全過程中，液體調(diào)節(jié)箱a內(nèi)液面高度近似不變。在各測點處均設置有氣柱調(diào)節(jié)器(f)，氣柱調(diào)節(jié)器(f)的端部密閉較小體積的氣體后，在整個測試全過程中，連通管(b)內(nèi)液體處于準靜止狀態(tài)，有效克服了因管壁與液體之間的相對流動而產(chǎn)生的粘滯阻尼力及毛細效應；依靠氣柱調(diào)節(jié)器(f)對氣柱面積的局部放大效應后，連接氣壓差傳感器(j)的塑料透明連接管的長度(l2)取較大值后也對測試結(jié)果無影響，這樣，測試裝置各部分的連接也更加方便，同時，依靠氣柱調(diào)節(jié)器(f)對氣柱面積的局部放大效應后，氣壓差傳感器(j)的讀數(shù)更加穩(wěn)定。在各測點處均設置一個壓差補償器(k)，壓差補償器(k)中的液面高度可根據(jù)橋梁縱坡大小而調(diào)整，以此控制撓度測試裝置的安裝高度在可視范圍之內(nèi)。采用虹吸原理在連通管(b)中灌注液體，通過平面三通(c)將連通管(b)分支至各測點位置，并連接到固定于各測點儀表安裝支架(e)之上的氣柱調(diào)節(jié)器(f)，利用塑料透明連接管分別將氣柱調(diào)節(jié)器(f)和壓差補償器(k)上端連接于氣壓差傳感器(j)的正、負兩極，氣壓差傳感器(j)上安裝有信號傳送裝置(i)，將測試數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。各測點位置的撓度值，通過記錄各測點位置變形前后氣壓差傳感器(j)的讀數(shù)差值(ΔP)，并由這個差值(ΔP)所對應的等效液柱高度(Δh)來確定。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的液氣耦合壓差式橋梁撓度測試方法，其特征是為了防止在連接各測點過程中連通管(b)內(nèi)留有殘余空氣，在連通管(b)分支到各測點的平面三通(c)前設置一個閥門開關(guān)(d),通過閥門開關(guān)(d)來排除管內(nèi)殘余空氣。全文摘要本發(fā)明提供一種液氣耦合壓差式橋梁撓度測試方法，克服了現(xiàn)有開放式連通管撓度測試方法的不足，將整個測試中液氣耦合壓差的改變轉(zhuǎn)變?yōu)闃蛄簱隙鹊淖兓?，即在各測點端部密閉較小體積的氣體，同時由于各氣柱調(diào)節(jié)器及液體調(diào)節(jié)箱的輔助作用，使得在整個測試全過程中，連通管內(nèi)液體處于準靜止狀態(tài)，有效克服了因管壁與液體之間的相對流動而產(chǎn)生的粘滯阻尼力及毛細效應，另外，通過信號傳送裝置將氣壓差傳感器的壓強讀數(shù)方便而又及時的傳至信號采集系統(tǒng)，進而推算出各測點撓度值，因而，本方法不但測量精度高，而且測量效率高，具有較高的實用價值。文檔編號G01M5/00GK101451902SQ20081023745公開日2009年6月10日申請日期2008年12月26日優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日發(fā)明者付文勝,葉覺明,周明星,張建平,朱世峰,汪正興,波王,胡貴瓊,鐘繼衛(wèi)申請人:中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司;中鐵大橋局股份有限公司