专利名称：：一种液气耦合压差式桥梁挠度测试方法
技术领域：
：本发明涉及一种桥梁挠度的测试方法，适用于任意桥跨长度的多个控制测点的挠度测试，属于桥梁检测及监测
技术领域：
，具体地说是涉及桥梁检测及健康监测过程中的一种高精度及高效率的桥梁挠度测试方法。
背景技术：
：在桥梁^r测及健康监测过程中，桥梁在汽车等活荷载作用下会产生一定的挠度及变形，已损伤桥梁结构的变形甚至处于非线性状态，活载卸去后会产生一定的残余变形。因此，桥梁的挠度作为一种重要的评判参数，对检验和评价桥梁结构的真实受力特性具有重要的理论价值；同时，桥梁检测过程中一般需封闭交通，荷载工况较多，整个工作过程时效性要求高。由此，在桥梁检测过程中，高精度及高效率的桥梁挠度测试系统显得至关重要。在当前桥梁检测及健康监测过程中，桥梁挠度测试一般采取如下方法1、采用采用水准仪等光学测量仪器测量桥梁挠度，虽然操作简便，但测量精度较低，尤其桥梁检测常在夜间进行，其测量结果受人为影响干扰较大，误差较大，而且当桥梁纵坡较大时，需转点操作，工作效率非常低。2、采用百分表、千分表等位移计测试桥梁挠度，虽精度较高，但固定底座安装不便，且数据采集较为困难，工作效率略低。3、运用光电图像原理，通过采集的图像信号，采用数据处理方法，得出桥梁的挠度值，如专利号为ZL200610095083.2、授权公告号为CN100395515C、名称为"张力线视频挠度测量装置及方法"的发明专利，以及申请号为200710103777.0、公开号为CN101055218、名称为"桥梁挠度和位移的监测装置及监测方法"的发明专利申请，其工作原理复杂，图像数据采集受视距、光线等特定条件的限制，数据处理困难，而且成本较高，尤其在夜间测试时，实际可操作性差。4、基于连通器原理，根据开放式连通管内的液面的变化直接测量桥梁挠度，当桥梁纵坡较大时，通常在每两个测点之间分别连一根连通管，此方法原理简单，但实际测试效果表明由于液体与管壁之间的粘滞阻力及水与管壁之间的毛细作用，导致测试精度不高，卸载后，回零读数也存在较大误差，同时，由于液体表面张力作用，液面呈非水平面状，其读数也存在较大误差。5、基于连通器原理，直接将挠度转化为管内液体的压力，采用压力变送器将压力变化换成挠度的改变，如专利号为200310108447.2、授权公告号为CN100385201C、名称为"大跨径桥梁挠度监测方法"的发明专利，其方法理论上具有可行性，但实际操作过程中尤其在桥梁跨度较大或测点较多时，由于管内液体与管壁之间的相对流动而产生粘滞阻力，液体的压力会有一定程度的损失，导致测量精度具有一定的误差，并且其仅在长期的桥梁监控中具有一定的实用价值，而在桥梁检测过程中其成本较高，在不封闭交通的情况下，装置现场安装困难。因此，现有桥梁挠度测试装置存在如下缺陷1、测试精度低，误3差较大，无法真实评判桥梁结构的受力特性；2、测试装置安装复杂，数据采集困难，工作效率低下；3、工作机理复杂，前期数据计算困难，计算成本及经济成本较高。4、无法适用于大桥、特大桥等桥梁挠度的监测。
发明内容本发明的目的是提供一种高精度且高效率的桥梁挠度测试方法，该方法克服了现有开放式连通管挠度测试方法的不足，将整个测试中液气耦合压差的改变转变为桥梁挠度的变化。本方法在各测点端部密闭较小体积的气体，同时由于各气柱调节器及液体调节箱的辅助作用，使得在整个测试全过程中，连通管内液体处于准静止状态，有效克服了因管壁与液体之间的相对流动而产生的粘滞阻尼力及毛细效应，另外，通过信号传送装置将气压差传感器的压强读数方便而又及时的传至信号采集系统，进而推算出各测点挠度值，因而，本方法不但测量精度高，而且测量效率高，具有较高的实用价值。本发明的技术方案是这样实现的所述的液气耦合压差式桥梁挠度测试方法中，在桥台无挠度变形处设置一个液体调节箱a，将液体调节箱a中的液面作为整个测试中的参考液面，其液体表面积应远大于液体调节箱a连接到各测点的连通管b的截面积，消除了温度变化及液体流动等因素导致参考液面较大变化，因此，在挠度测试全过程中，液体调节箱a内液面高度近似不变。所述的液气耦合压差式桥梁挠度测试方法中，在各测点处均设置有气柱调节器f，气柱调节器f的端部密闭较小体积的气体后，在整个测试全过程中，连通管b内液体处于准静止状态，有效克服了因管壁与液体之间的相对流动而产生的粘滞阻尼力及毛细效应，为解决密闭气柱的长度无法具体量化和控制，以及连接方便，在各测点端部连接一个气柱调节器f,气柱调节器f的截面积远大于气压差传感器j的塑料透明连截面积，依靠其局部放大效应后，连接气压差传感器j的塑料透明连接管的长度/2可取较大值，同时，依靠气柱调节器f对气柱面积的局部放大效应后，气压差传感器j的读数更加稳定。所述的液气耦合压差式桥梁挠度测试方法中，为了有效克服较大桥梁纵坡导致气压差传感器j的一极产生较大压差，补偿和平衡气压差传感器j两端的压强，在各测点处设置一个压差补偿器k,压差补偿器k中的液面高度可根据桥梁纵坡大小而调整，以此控制挠度测试装置的安装高度在可视范围之内。所述的液气耦合压差式桥梁挠度测试方法中，采用虹吸原理在连通管b中灌注液体，为了防止在连接各测点过程中连通管b内留有残余空气，在连通管b分支到各测点的平面三通c前设置一个阀门开关d,通过阀门开关d来排除管内残余空气，为便于操作，连通管b可采用塑料透明连接管，通过平面三通c将连通管b分支至各测点位置，并连接到固定于各测点仪表安装支架e之上的气柱调节器f，利用塑料透明连接管分别将气柱调节器f和压差补偿器k上端连接于气压差传感器j的正、负两极，气压差传感器j上安装有信号传送装置i，将测试数据传送至数据采集系统。所述的液气耦合压差式桥梁挠度测试方法中，液气耦合压差的改变转变为桥梁挠度变化的机理为户"为标准大气压强，g为测点未发生挠度变形时该处密闭气体的压强，尸2为测点发生挠度变形M后该处密闭气体的压强，/Z。为压差补偿器k两端的液面高差，尸。为压差补偿器k内密闭气体的压强，A为气柱调节器f内气柱高度，/2为塑料透明连接管内气柱长度，A/为测点发生挠度变形后密闭气柱的压缩长度。当测点位置发生挠度变形w时，得A《=《—尸0(1)A尸,=尸，—R(2)(3)上式中，M、AP2、AP分别为挠度变形前后气压差传感器j的读数值及读数的差值，且有《为压差补偿器k两端的液面高差而产生的液压差，由上式可知，可以通过调整a的数值改变气压差传感器j的读数值在有效量程范围之内，也可预先调整《来增加气压差传感器j的测量范围。假定桥梁发生挠度变形时"，密闭气体处于等温状态压缩或膨胀状态，则有U2r2(4)即A=H=t^l=1—AF尸2KK(5)上式中，K、F2、AK分别为挠度变形前后测点密闭气体的体积及体积差值。将式(3)代如至式(5)并移项，有尸，(6)式(6)中，AF-4A/,^-4A+4Z2，其中，4、4分别为气柱调节器f的截面积及塑料透明连接管的截面积，将^的表达式代入至式(6)，得P2根据测点处液面与液体调节箱a中参考液面的相对变化关系，有:AP"g(w-A/)将式(7)代入至式(8)并移项，得(7)(8)AP1+(9)上式中,/、g分别为液体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&分别为AP、尸。及A/^的等效液柱高度。由上式可知:当A较小，且4远小于4时，有wA/z(11)上式表明，在满足/,取较小值，且4远小于4时，测点处的挠度值w与气压差传感器j的差值AP所对应的等效液柱高度相等，因此，实际测试过程中，只要记录桥梁挠度测点位置变形前后气压差传感器j的读数差值，即可很方便的求出该测点的挠度值。本发明的优点1.工作原理简单，理论基础可靠，适用于任意跨度桥梁的多个控制测点的挠度及线形监测。2.成本较低，操作筒便，测试仪器各部分组成现场组装方便，测试工作效率高，测试精度高，数据釆集方便。3.能有效避免测试现场温度、环境风的因素对测试结果的影响，能克服桥面纵坡对各测点仪器安装位置的影响。图1为本发明桥梁挠度测试方法的结构构造示意图。图2为本发明桥梁挠度测试方法的机理结构构造示意图。具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，该实施例中气压差传感器j的量程为-2000Pa~2000Pa，压强测试精度选取1.OPa即可满足实际测试要求，其对应的位移测试精度为0.lmm。图1为本发明桥梁挠度测试方法的结构构造示意图，图2为本发明桥梁挠度测试方法的机理结构构造示意图。由于连通管b端部密闭了小段气体，以及气柱调节器f及液体调节箱a的调节作用，在整个测试全过程中，连通管b内液体将处于准静止状态。连通管b内液体可以采用水，当温度较低时，可在水中掺加适量的防冻液，而在桥梁健康监测过程中，为了防止连通管b内液体挥发及腐蚀，可采用硅油替代水。本实施例中，液体调节箱a可以采用直径为40cm的圆桶，连通管b直径为6mm8咖的软管，长度根据测点距离而定，然后在管内灌注液体(水或者硅油)，液体调节箱a截面积远大于连通管b截面积。调整气柱调节气f中液面位置至/,《lcm，气柱调节器f的直径可为5cm，高度可为5cm,透明管连接管直径取5mm,气柱调节器f的截面积与连接压差传感器g的塑料透明连截面积之比为100(远大于50)，连接气压差传感器j的塑料透明连接管的长度/2为10cm。压差补偿器k为高度可伸缩的塑料管，也可以是其他材料的管，管内灌注一定容量的液体。当桥梁发生挠度变形时，气柱调节器f与连接压差传感器g的透明管内的气柱由于压强变化发生微小的压缩和伸长，由于气柱体积小，同时由于气柱调节器f及液体调节箱a的辅助作用，因此，在整个测试全过程中，管内液体处于准静止状态，有效克服了因管壁与液体之间的相对流动而产生的粘滞阻尼力及毛细效应。避免了测试误差的产生。当桥面有纵坡时，为了控制气压差传感器j的量程及挠度测试仪器的安装高度在可视范围之内，通过调节压差补偿器k中液面位置的高度，很方便的抵消和平衡压差传感器g正、负极的压强。在有纵坡桥面和无纵坡桥面的挠度测试中，本实施例参数值列表显示如下表所示，其中，管内灌注液体为水。A。为标准大气压等效的水柱高度，即A。二10.329m,当气压差传感器j的读数在允许量程范围内时，A/j2取下表对应值，在以上条件下，m与AA对应关系如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>器由上表可知，在以上参数条件下，桥梁测点位置实际挠度值"与气压差传感的度数差值所等效的液柱长度值AA近似相等，由下式关系式可得AP2000<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>由式(11)及式(12)可根据气压差传感器j的度数差值AP得出桥梁挠度值例如，当管内灌注液体为水时，气压差传感器j的度数差值AP为1000Pa时，此时测点挠度值w即为101.9mm。本测试方法可用于桥梁检测中的静载工况下的挠度测试及桥梁健康监测过程中桥梁长期的挠度及线形监测测试。通过调整液体调节箱a中液面与气柱调节器f中的液面至较大高差，同时调整连接压差传感器g的透明管直径至很小值，本测试方法也可以实现桥梁挠度及桥面线形的动态监测。权利要求1、一种液气耦合压差式桥梁挠度测试方法，其特征在于在桥台无挠度变形处设置一个液体调节箱(a)，将液体调节箱(a)中的液面作为整个测试中的参考液面，其液体表面积应远大于液体调节箱(a)连接到各测点的连通管(b)的截面积，使得在测试全过程中，液体调节箱a内液面高度近似不变。在各测点处均设置有气柱调节器(f)，气柱调节器(f)的端部密闭较小体积的气体后，在整个测试全过程中，连通管(b)内液体处于准静止状态，有效克服了因管壁与液体之间的相对流动而产生的粘滞阻尼力及毛细效应；依靠气柱调节器(f)对气柱面积的局部放大效应后，连接气压差传感器(j)的塑料透明连接管的长度(l2)取较大值后也对测试结果无影响，这样，测试装置各部分的连接也更加方便，同时，依靠气柱调节器(f)对气柱面积的局部放大效应后，气压差传感器(j)的读数更加稳定。在各测点处均设置一个压差补偿器(k)，压差补偿器(k)中的液面高度可根据桥梁纵坡大小而调整，以此控制挠度测试装置的安装高度在可视范围之内。采用虹吸原理在连通管(b)中灌注液体，通过平面三通(c)将连通管(b)分支至各测点位置，并连接到固定于各测点仪表安装支架(e)之上的气柱调节器(f)，利用塑料透明连接管分别将气柱调节器(f)和压差补偿器(k)上端连接于气压差传感器(j)的正、负两极，气压差传感器(j)上安装有信号传送装置(i)，将测试数据传送至数据采集系统。各测点位置的挠度值，通过记录各测点位置变形前后气压差传感器(j)的读数差值(ΔP)，并由这个差值(ΔP)所对应的等效液柱高度(Δh)来确定。2、根据权利要求1所述的液气耦合压差式桥梁挠度测试方法，其特征是为了防止在连接各测点过程中连通管(b)内留有残余空气，在连通管(b)分支到各测点的平面三通(c)前设置一个阀门开关(d),通过阀门开关(d)来排除管内残余空气。全文摘要本发明提供一种液气耦合压差式桥梁挠度测试方法，克服了现有开放式连通管挠度测试方法的不足，将整个测试中液气耦合压差的改变转变为桥梁挠度的变化，即在各测点端部密闭较小体积的气体，同时由于各气柱调节器及液体调节箱的辅助作用，使得在整个测试全过程中，连通管内液体处于准静止状态，有效克服了因管壁与液体之间的相对流动而产生的粘滞阻尼力及毛细效应，另外，通过信号传送装置将气压差传感器的压强读数方便而又及时的传至信号采集系统，进而推算出各测点挠度值，因而，本方法不但测量精度高，而且测量效率高，具有较高的实用价值。文档编号G01M5/00GK101451902SQ20081023745公开日2009年6月10日申请日期2008年12月26日优先权日2008年12月26日发明者付文胜,叶觉明,周明星,张建平,朱世峰,汪正兴,波王,胡贵琼,钟继卫申请人:中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司;中铁大桥局股份有限公司