磁悬浮式桥梁挠度测量装置及其测量方法与流程

本发明属于桥梁挠度测量技术领域，尤其涉及一种磁悬浮式桥梁挠度测量装置及其测量方法。

背景技术：

在当今土木工程行业中，挠度测量广泛地应用于建筑、铁路、桥梁、交通、大坝等结构上。结构的挠度测试是工程人员进行结构设计优化，了解结构受力状态以及保证结构安全的一个重要环节。例如，在大跨度桥梁的施工过程以及营运过程的长期健康监测、桥梁荷载试验当中，对关键截面的桥梁挠度进行监测和测量，是评价桥梁结构安全状态的重要指标和依据。

常见的挠度测试方法有水准测量、位移计法、静力水准法、雷达法等，这些方法均需要在桥外设置固定点，通过测量桥上测点相对于桥外固定点的高程或位移变化来得到桥梁的挠度。位移计法等接触式测量方法精度高，测试便捷，但当桥梁跨越江、河、山涧等障碍物，或跨越城市道路时，由于不能布设固定支架，存在接触式位移测量仪器(如位移计等)无法安装的困难。非接触式位移监测仪器(如静力水准仪、雷达等)和水准测量方法，可实现绝大部分桥梁的挠度测试，但在长大桥梁的挠度测试当中，存在比较明显的缺点：静力水准仪方法存在现场安装时间长、成本高、对大纵坡桥梁应用困难；而雷达方法在长大桥梁上的精度无法满足、测试效率低；水准测量需要逐站传递高程，长大桥梁由于测点多，距离远，一次水准测量时间相当长，人力成本高，同时人为因素影响大。为此，要精准、快速测试长大桥梁挠度变得十分困难，也是目前桥梁检测工程领域的一大技术难题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种磁悬浮式桥梁挠度测量装置及其测量方法，以实现高精度、便捷地测量桥梁挠度，该装置及方法广泛适用于桥梁荷载试验、健康监控等技术领域。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

磁悬浮式桥梁挠度测量装置，主要由高精度微型直线电机、外套筒和可调节水平的安装底座组成；高精度微型直线电机竖直向安装于外套筒内，外套筒置于安装底座上；高精度微型直线电机上安装有悬浮质量块，高精度微型直线电机顶部安装有测距仪，高精度微型直线电机具有控制器并由控制器控制为悬浮质量块提供等于其重力的恒定悬浮力。

高精度微型直线电机为电磁式圆筒直线电机，最大行程大于10cm，最大负载为悬浮质量块重力的2倍以上。

安装底座具有三个脚螺旋及一个圆水准泡。

控制器包含悬浮质量块位置检测反馈系统。

测距仪选用精度为0.01mm级的高精度测距仪，测量频率大于10Hz。

高精度微型直线电机和测距仪由供电电池提供电源。

使用上述磁悬浮式桥梁挠度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)在挠度测点对应的桥面位置，固定安装磁悬浮式桥梁挠度测量装置；

(2)通过调节安装底座，使底座上表面处于水平状态，而高精度微型直线电机处于垂直状态；

(3)打开控制器电源，通过控制器将悬浮质量块位置调节至高精度微型直线电机行程中部位置，保持悬浮力使悬浮质量块处于静止悬浮状态，并设置高精度微型直线电机中推力保持该状态不变，悬浮质量块绝对高程H保持不变；

(4)测量此时悬浮质量块相对于外套筒顶部的垂直距离L₁；

(5)进行桥梁加载试验，桥梁在测点位置产生向下的挠度f；

(6)测量此时悬浮质量块相对于外套筒顶部的垂直距离L₂；

(7)计算桥梁的挠度为f＝ΔL＝L₁-L₂。

针对现有桥梁挠度测试方法存在的问题，发明人设计制作了一种磁悬浮式桥梁挠度测量装置，主要由高精度微型直线电机、外套筒和可调节水平的安装底座组成；高精度微型直线电机竖直向安装于外套筒内，外套筒置于安装底座上；高精度微型直线电机上安装有悬浮质量块，高精度微型直线电机顶部安装有测距仪，高精度微型直线电机具有控制器并由控制器控制为悬浮质量块提供等于其重力的恒定悬浮力。该测量装置基于磁悬浮原理，利用高精度微型直线电机为悬浮质量块提供恒定竖向力，使质量块悬浮的绝对高度保持不变，形成挠度测试当中的固定点(即自身内部实现固定点设置)，直线电机、外套筒和底座则随着桥梁变形竖向移动，测量悬浮质量块与外套筒相对竖向距离的变化，即可得到桥梁的挠度。将本发明用于桥梁挠度测试，无需设置外部固定点，即可精确测量出桥梁的绝对挠度；且可实现动态挠度测量，并广泛适用于桥梁荷载试验、健康监控等技术领域。据此，发明人还建立了相应测量方法。

与现有技术相比，本发明的突出优势具体在于：

(1)通过磁悬浮原理，在装置内部形成挠度测试固定点，无需如传统测量方法在桥梁以外设置固定点，因而不存在高程传递问题，简化了挠度测试过程，在长大桥梁当中应用优势明显；

(2)本发明测量装置直接安装于测试点处的桥面之上，无需任何固定支架，无需任何安装工具，可通过自带的调节底座调节水平，现场安装及操作十分便捷，提高了桥梁挠度测试效率；

(3)本发明选用高精度直线电机及测距仪，可实现0.1mm精度的挠度测量，满足了工程的需要，并且仪器密封于外套筒内，不受外界环境因素的干扰；

(4)可实现桥梁动态挠度测试。

附图说明

图1是本发明磁悬浮式桥梁挠度测量装置的结构示意图。

图2是本发明磁悬浮式桥梁挠度测量装置中悬浮质量块的受力示意图。

图3是本发明磁悬浮式桥梁挠度测量装置使用状态参考图。

图中：1高精度微型直线电机，2悬浮质量块，3控制器，4测距仪，5外套筒，6脚螺旋，7圆水准泡，8安装底座，9供电电池。

具体实施方式

1.基本结构

如图1所示，磁悬浮式桥梁挠度测量装置，主要由高精度微型直线电机1、外套筒5和可调节水平的安装底座组成；高精度微型直线电机竖直向安装于外套筒内，外套筒置于安装底座8上；高精度微型直线电机上安装有悬浮质量块2，高精度微型直线电机顶部安装有测距仪4，高精度微型直线电机具有控制器3并由控制器控制为悬浮质量块提供等于其重力的恒定悬浮力。

其中，高精度微型直线电机为电磁式圆筒直线电机，最大行程大于10cm，最大负载为悬浮质量块重力的2倍以上。安装底座具有三个脚螺旋6及一个圆水准泡7，三个脚螺旋可独立调节，使圆水准泡居中，高精度微型直线电机处于垂直状态。控制器包含悬浮质量块位置检测反馈系统，对悬浮质量块恒定悬浮力控制精度小于0.1N，对悬浮质量块位置控制精度小于0.01mm。测距仪选用精度为0.01mm级可动态测量的高精度测距仪，测量频率大于10Hz，用于测量悬浮质量块的相对距离变化。高精度微型直线电机和测距仪由供电电池9提供电源。

2.工作原理

如图2和图3所示，磁悬浮式桥梁挠度测量装置直接安装于桥面上，控制器控制直线电机在直线电机的有效行程内为悬浮质量块提供等于质量块重力的恒定悬浮力F。此时，悬浮质量块只受到竖直向下的自身重力G和直线电机提供的竖直向上的恒定悬浮力F两个力的作用，当悬浮力始终与质量块自身重力相等时(F＝G)，质量块处于一个竖向平衡状态，质量块悬浮的绝对高程H始终保持不变，形成挠度测试用固定点。当固定于桥面上的直线电机、外套筒随着桥梁的变形产生竖向的位移f，由于质量块处于受力平衡状态，其悬浮的绝对高程并不随直线电机改变，只是质量块与外套筒的竖向相对位置发生改变，相对位置的改变量与外套筒竖向的位移量是相等的，即与桥梁的挠度相等。通过安装于直线电机顶部的测距仪测量出变形前后质量块与外套筒相对位置的变化量ΔL，即可得到桥梁的挠度。如变形前质量块与外套筒顶部的距离为L₁，桥梁变形后质量块与外套筒顶部的距离为L₂，则桥梁的挠度即为f＝ΔL＝L₁-L₂。同时，利用动态测距仪连续测量，即可实现桥梁动态位移的测试。

3.操作步骤

(1)进行挠度测量前，在挠度测点对应的桥面位置，固定安装磁悬浮式桥梁挠度测量装置；

(2)通过调节安装底座三个脚螺旋的旋出量，使圆水准泡中的气泡居中，此时底座上表面处于水平状态，而高精度微型直线电机处于垂直状态；

(3)打开控制器电源，通过控制器将悬浮质量块位置调节至高精度微型直线电机行程中部位置，保持悬浮力使悬浮质量块处于静止悬浮状态，并设置高精度微型直线电机中推力保持该状态不变，测得悬浮质量块绝对高程为H；

(4)测量此时悬浮质量块相对于外套筒顶部的垂直距离L₁；

(5)进行桥梁加载试验，桥梁在测点位置产生向下的挠度f；此时固定于桥面的安装底座带动外套筒和高精度微型直线电机竖直向下移动f，而悬浮质量块始终处于受力平衡状态，绝对位置并未随高精度微型直线电机向下移动而改变，即悬浮绝对高程仍为H；

(6)测量此时悬浮质量块相对于外套筒顶部的垂直距离L₂；

(7)计算桥梁的挠度为f＝ΔL＝L₁-L₂。

4.应用实例

对某连续刚构桥进行桥梁荷载试验，需测试加载过程中的主梁挠度，该桥的跨径组合为85m+160m+85m。该桥总长330m，并且跨越大河，无法布置位移计等传统挠度测试仪器。而采用水准仪测量方法，需从桥外固定水准点进行一个测回观测，测试一次的时间长达2个小时，严重影响荷载试验工作效率。此外，此类桥梁对温度变化较为敏感，2个小时后挠度已随温度的改变而发生变化，水准仪的测试值无法真实反映桥梁因加载引起的桥梁变形。

为此，使用前述磁悬浮式桥梁挠度测量装置，参照上述操作步骤进行。

在进行挠度测试前，在该桥160m跨的跨中对应的桥面位置，固定安装磁悬浮式桥梁挠度测量装置。通过调节底座三个脚螺旋的旋出量，使圆水准泡中的气泡居中，此时底座上表面处于水平状态，而直线电机处于垂直状态。打开控制器电源，通过控制器将悬浮质量块位置调节至直线电机行程中部位置，保持悬浮力，使悬浮质量块处于静止悬浮状态，并设置直线电机中推力保持此状态不变，悬浮绝对高程H保持不变。测量此时悬浮质量块相对于外套筒顶部的垂直距离L₁＝51.6mm，进行桥梁加载试验，桥梁在测点位置产生向下的挠度，测量此时悬浮质量块相对于外套筒顶部的垂直距离L₂＝38.1mm，计算出测点处桥梁的挠度为f＝ΔL＝L₁-L₂＝13.5mm。