本發(fā)明屬于橋梁水平偏位測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

在跨河、跨山谷的高墩橋梁當(dāng)橋中，墩頂?shù)乃狡淮笮∈欠从橙珮蚴芰顟B(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，該類橋梁的荷載試驗(yàn)檢測(cè)、施工控制以及橋梁健康監(jiān)測(cè)中，墩頂偏位都是重要的測(cè)量指標(biāo)，測(cè)量偏位值是了解結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)以及保證結(jié)構(gòu)安全的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

常見的墩頂偏位測(cè)試方法有全站儀法、GPS法等。全站儀法需要在橋外設(shè)置水平坐標(biāo)不變的固定參考點(diǎn)，再利用全站儀測(cè)量墩頂相對(duì)于固定參考點(diǎn)的水平坐標(biāo)變化，利用幾何坐標(biāo)關(guān)系計(jì)算出墩頂?shù)乃狡恢担蝗欢?，全站儀法測(cè)量需人工對(duì)點(diǎn)和人工觀測(cè)，精度受大氣、環(huán)境及人為因素影響。GPS法是利用GPS網(wǎng)絡(luò)，在墩頂設(shè)置GPS接收機(jī)，對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行坐標(biāo)解算得到墩頂?shù)乃狡?；雖然GPS法可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，并且不需要在橋外設(shè)置固定參考點(diǎn)，但是水平精度僅能達(dá)到5mm級(jí)別，偏位較小的情況下無法滿足工程需要，且GPS測(cè)量?jī)x器設(shè)備價(jià)格很高，1個(gè)測(cè)點(diǎn)的單價(jià)就達(dá)幾萬元，整套系統(tǒng)需要數(shù)十萬元。為此，實(shí)現(xiàn)低成本、精準(zhǔn)、快速測(cè)量橋梁墩頂偏位變得十分困難，這也是目前橋梁檢測(cè)工程領(lǐng)域的一大技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，以實(shí)現(xiàn)低成本、精準(zhǔn)、快速測(cè)量橋梁墩頂偏位，該裝置及方法廣泛適用于橋梁荷載試驗(yàn)、施工監(jiān)控、健康監(jiān)控等技術(shù)領(lǐng)域。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置，主要由磁懸浮軌道、屏蔽套筒和可調(diào)節(jié)水平的安裝底座組成；磁懸浮軌道水平安裝于屏蔽套筒內(nèi)，屏蔽套筒置于安裝底座之上；磁懸浮軌道上安裝有懸浮質(zhì)量塊，磁懸浮軌道端部安裝有測(cè)距儀，磁懸浮軌道具有控制器并由控制器控制為懸浮質(zhì)量塊提供等于其重力的恒定懸浮力。

磁懸浮軌道為電磁式直線磁懸浮軌道，最大行程大于10cm，最大負(fù)載為懸浮質(zhì)量塊重力的2倍以上。

安裝底座具有三個(gè)腳螺旋及一個(gè)圓水準(zhǔn)泡。

控制器包含懸浮質(zhì)量塊位置檢測(cè)反饋系統(tǒng)。

測(cè)距儀選用精度為0.01mm級(jí)的高精度測(cè)距儀，測(cè)量頻率大于10Hz。

使用上述磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟：

(1)在橋墩墩頂位置，固定安裝磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置，磁懸浮軌道方向與待測(cè)試的橋墩偏位方向平行；

(2)通過調(diào)節(jié)安裝底座，使底座上表面處于水平狀態(tài)，磁懸浮軌道也處于水平狀態(tài)；

(3)打開控制器電源，通過控制器將懸浮質(zhì)量塊位置調(diào)節(jié)至磁懸浮軌道行程中部位置，保持懸浮力使懸浮質(zhì)量塊處于靜止懸浮狀態(tài)，并設(shè)置磁懸浮軌道中懸浮力保持此狀態(tài)不變，懸浮質(zhì)量塊絕對(duì)水平坐標(biāo)保持不變；

(4)測(cè)量此時(shí)懸浮質(zhì)量塊相對(duì)于屏蔽套筒端部的水平距離L₁；

(5)進(jìn)行橋梁加載試驗(yàn)，橋墩墩頂產(chǎn)生水平向的偏位d；

(6)測(cè)量此時(shí)懸浮質(zhì)量塊相對(duì)于屏蔽套筒端部的水平距離L₂；

(7)計(jì)算橋梁墩頂偏位為d＝ΔL＝L₁-L₂。

橋梁為高墩橋梁。

針對(duì)現(xiàn)有橋梁墩頂偏位測(cè)量方法存在的的問題，發(fā)明人設(shè)計(jì)制作了一種磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置，主要由磁懸浮軌道、屏蔽套筒和可調(diào)節(jié)水平的安裝底座組成；磁懸浮軌道水平安裝于屏蔽套筒內(nèi)，屏蔽套筒置于安裝底座之上；磁懸浮軌道上安裝有懸浮質(zhì)量塊，磁懸浮軌道端部安裝有測(cè)距儀，磁懸浮軌道具有控制器并由控制器控制為懸浮質(zhì)量塊提供等于其重力的恒定懸浮力。該裝置基于磁懸浮原理，利用磁懸浮軌道為懸浮質(zhì)量塊提供恒定豎向力，使懸浮質(zhì)量塊懸浮于軌道之上，形成墩頂偏位測(cè)試當(dāng)中的固定點(diǎn)(即自身內(nèi)部實(shí)現(xiàn)水平坐標(biāo)不變的固定參考點(diǎn)設(shè)置)，磁懸浮軌道、屏蔽套筒和底座則隨著橋梁墩頂偏位發(fā)生水平移動(dòng)，測(cè)量懸浮質(zhì)量塊與屏蔽套筒相對(duì)水平距離的變化，即可得到橋梁墩頂?shù)钠?。將本發(fā)明應(yīng)用于橋梁墩頂偏位測(cè)試，無需設(shè)置外部固定點(diǎn)，即可精確測(cè)量出橋梁墩頂?shù)慕^對(duì)偏位；且可實(shí)現(xiàn)墩頂偏位的動(dòng)態(tài)測(cè)量，并廣泛適用于橋梁荷載試驗(yàn)、健康監(jiān)控等技術(shù)領(lǐng)域。據(jù)此，發(fā)明人還建立了相應(yīng)測(cè)量方法。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的突出優(yōu)勢(shì)具體在于：

(1)通過磁懸浮原理，在裝置內(nèi)部形成水平坐標(biāo)不變的固定參考點(diǎn)，無需如傳統(tǒng)測(cè)量方法在橋梁以外設(shè)置固定點(diǎn)，不存在人為及環(huán)境干擾問題，簡(jiǎn)化墩頂偏位測(cè)試過程，在高墩橋梁當(dāng)中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯；

(2)本發(fā)明測(cè)量裝置直接安裝于橋墩墩頂，可通過自帶的調(diào)節(jié)底座調(diào)節(jié)水平，現(xiàn)場(chǎng)安裝及操作十分便捷，提高墩頂了偏位測(cè)試效率；

(3)本發(fā)明選用高精度磁懸浮軌道及測(cè)距儀，可實(shí)現(xiàn)0.1mm精度的位移測(cè)量，滿足工程的需要，并且儀器密封于屏蔽套筒內(nèi)，不受外界環(huán)境因素的干擾。

附圖說明

圖1是本發(fā)明磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置中懸浮質(zhì)量塊的受力示意圖。

圖3是本發(fā)明磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置使用狀態(tài)參考圖(偏位前)。

圖4是本發(fā)明磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置使用狀態(tài)參考圖(偏位后)。

圖中：1磁懸浮軌道，2懸浮質(zhì)量塊，3控制器，4測(cè)距儀，5屏蔽套筒，6腳螺旋，7圓水準(zhǔn)泡，8安裝底座。

具體實(shí)施方式

1.基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置，主要由磁懸浮軌道1、屏蔽套筒5和可調(diào)節(jié)水平的安裝底座8組成；磁懸浮軌道水平安裝于屏蔽套筒內(nèi)，屏蔽套筒置于安裝底座之上；磁懸浮軌道上安裝有懸浮質(zhì)量塊2，磁懸浮軌道端部安裝有測(cè)距儀4，磁懸浮軌道具有控制器3并由控制器控制為懸浮質(zhì)量塊提供等于其重力的恒定懸浮力。

其中，磁懸浮軌道為電磁式直線磁懸浮軌道，最大行程大于10cm，最大負(fù)載為懸浮質(zhì)量塊重力的2倍以上。安裝底座具有三個(gè)腳螺旋6及一個(gè)圓水準(zhǔn)泡7，三個(gè)腳螺旋可獨(dú)立調(diào)節(jié)，使圓水準(zhǔn)泡居中，磁懸浮軌道處于水平狀態(tài)。控制器包含懸浮質(zhì)量塊位置檢測(cè)反饋系統(tǒng)，對(duì)懸浮質(zhì)量塊恒定懸浮力控制精度小于0.1N，對(duì)懸浮質(zhì)量塊位置控制精度小于0.01mm。測(cè)距儀選用精度為0.01mm級(jí)的高精度測(cè)距儀，測(cè)量頻率大于10Hz，用于測(cè)量懸浮質(zhì)量塊的相對(duì)距離變化。

2.工作原理

如圖2至圖4所示，磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置直接安裝于橋梁墩頂，控制器控制磁懸浮軌道在磁懸浮軌道的有效行程內(nèi)為懸浮質(zhì)量塊提供等于質(zhì)量塊重力的恒定懸浮力F。此時(shí)，懸浮質(zhì)量塊只受到自身重力G和磁懸浮軌道提供的豎直向上的恒定懸浮力F兩個(gè)力的作用，當(dāng)懸浮力始終與質(zhì)量塊自身重力相等時(shí)(F＝G)，質(zhì)量塊處于一個(gè)豎向平衡狀態(tài)，質(zhì)量塊與磁懸浮軌道不發(fā)生接觸，其絕對(duì)水平位置不會(huì)因磁懸浮軌道的水平移動(dòng)而改變，形成墩頂偏位測(cè)試用固定參考點(diǎn)。當(dāng)固定于橋墩墩頂?shù)拇艖腋≤壍馈⑵帘翁淄搽S著橋墩偏位產(chǎn)生水平位移d，由于質(zhì)量塊處于受力平衡狀態(tài)，質(zhì)量塊與軌道脫離接觸，不承受任何水平力，其懸浮的絕對(duì)水平位置并不隨磁懸浮軌道改變，只是質(zhì)量塊與屏蔽套筒的水平相對(duì)位置發(fā)生改變，相對(duì)位置的改變量與屏蔽套筒水平向的位移量是相等的，即與橋墩墩頂?shù)乃狡幌嗟?。通過安裝于磁懸浮軌道端部的測(cè)距儀測(cè)量出偏位前后質(zhì)量塊與屏蔽套筒相對(duì)位置的變化量ΔL，即可得到橋墩偏位值。如偏位前質(zhì)量塊與屏蔽套筒端部的距離為L(zhǎng)₁，墩頂偏位后質(zhì)量塊與屏蔽套筒端部的距離為L(zhǎng)₂，則墩頂偏位值即為d＝ΔL＝L₁-L₂。同時(shí)，利用動(dòng)態(tài)測(cè)距儀連續(xù)測(cè)量，即可實(shí)現(xiàn)橋墩墩頂動(dòng)態(tài)偏位的測(cè)試。

3.操作步驟

(1)進(jìn)行墩頂偏位測(cè)試前，在橋墩墩頂位置，固定安裝磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置，磁懸浮軌道方向與待測(cè)試的橋墩偏位方向平行；

(2)通過調(diào)節(jié)安裝底座三個(gè)腳螺旋的旋出量，使圓水準(zhǔn)泡中的氣泡居中，此時(shí)底座上表面處于水平狀態(tài)，磁懸浮軌道也處于水平狀態(tài)；

(3)打開控制器電源，通過控制器將懸浮質(zhì)量塊位置調(diào)節(jié)至磁懸浮軌道行程中部位置，保持懸浮力使懸浮質(zhì)量塊處于靜止懸浮狀態(tài)，并設(shè)置磁懸浮軌道中懸浮力保持此狀態(tài)不變，懸浮質(zhì)量塊絕對(duì)水平坐標(biāo)保持不變；

(4)測(cè)量此時(shí)懸浮質(zhì)量塊相對(duì)于屏蔽套筒端部的水平距離L₁；

(5)進(jìn)行橋梁加載試驗(yàn)，橋墩墩頂產(chǎn)生水平向的偏位d，此時(shí)墩頂?shù)陌惭b底座帶動(dòng)屏蔽套筒和磁懸浮軌道水平向移動(dòng)d，而懸浮質(zhì)量塊始終處于受力平衡狀態(tài)，絕對(duì)位置并未隨磁懸浮軌道水平移動(dòng)而改變，即懸浮絕對(duì)水平坐標(biāo)為x，y；

(6)測(cè)量此時(shí)懸浮質(zhì)量塊相對(duì)于屏蔽套筒端部的水平距離L₂；

(7)計(jì)算橋梁墩頂偏位為d＝ΔL＝L₁-L₂。

4.應(yīng)用實(shí)例

對(duì)某高墩連續(xù)梁橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，該橋?yàn)榭缭缴焦葮蛄海崭?0m。使用前述磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置，參照上述操作步驟進(jìn)行。

在進(jìn)行墩頂偏位測(cè)試前，在橋梁墩頂位置，固定安裝磁懸浮式橋梁墩頂偏位測(cè)量裝置，磁懸浮軌道方向與待測(cè)橋墩偏位方向平行。通過調(diào)節(jié)底座三個(gè)腳螺旋的旋出量，使圓水準(zhǔn)泡中的氣泡居中，此時(shí)底座上表面處于水平狀態(tài)，磁懸浮軌道也處于水平狀態(tài)。打開控制器電源，通過控制器將懸浮質(zhì)量塊位置調(diào)節(jié)至磁懸浮軌道行程中部位置，保持懸浮力，使懸浮質(zhì)量塊處于靜止懸浮狀態(tài)，并設(shè)置磁懸浮軌道中懸浮力保持此狀態(tài)不變，懸浮質(zhì)量塊絕對(duì)水平坐標(biāo)保持不變。測(cè)量此時(shí)懸浮質(zhì)量塊相對(duì)于屏蔽套筒端部的水平距離L₁＝50.3mm；進(jìn)行橋梁加載試驗(yàn)，橋墩墩頂產(chǎn)生水平向的偏位，測(cè)量此時(shí)懸浮質(zhì)量塊相對(duì)于屏蔽套筒端部的水平距離L₂＝31.2mm，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)處墩頂?shù)钠粸閐＝ΔL＝L₁-L₂＝19.1mm。