一种拱桥短吊杆应力高频动态测试系统以及方法与流程

本发明涉及拱桥短吊杆应力测试领域，主要是基于拉线式位移传感器进行吊杆拉应力的测试，具体公开了一种拱桥短吊杆应力高频动态测试系统以及方法。

背景技术：

吊杆是拱桥的重要受力构件，它的使用寿命决定了整个桥梁的使用寿命，因此对于吊杆的受力进行健康检测尤为重要。吊杆内力测试是否准确关系到拱桥施工控制的顺利实施，决定了拱桥能否成功修建。但由于受到测试仪器、计算模式、吊杆锚固方式、吊杆长度等因素的影响，吊杆拉力的监测会出现一定的误差，且不同的工程也存在一定的差别。因此，选取合理有效的测试和分析方法对拱桥吊杆应力的分析有重要意义。

拱桥的吊杆拉力及疲劳分析是桥梁中重要的一个部分，由于近年来车辆的增多，吊杆的疲劳损伤问题更加突出，短吊杆由于长度较短，其抗弯刚度吊杆在轴向拉力和弯矩组合作用下会发生疲劳断裂。

常见吊杆内力的测试方法有：穿心式压力传感器测量法、张拉千斤顶测量法、油压千斤顶测量法、频率法等。前三种方法属于直接法，虽然其简单易行，在施工中应用较为普遍，但是费用较高，且只能测量索端头的张拉力。利用频率法测试吊杆拉力，测量精度高，且仪器便于携带、安装。但是对于拱桥中短吊杆来说，它的边界条件不能近似作铰接处理，抗弯刚度和边界条件对吊杆的内力影响很大。同时值得注意的是：采用频率法进行监测时，需要对短吊杆振动信号进行频谱变换，而频谱变换本身需要大量的数据，一般至少需要几秒钟的数据才能得到较为有效的频率值。而一般高速公路桥梁上的车辆时速至少达到80km/h，因此，一辆车通过一座桥梁也就几秒钟的时间。因此，车辆过桥时，采用频率法测试的话，仅仅能得到少量的测试数据，不能捕捉到车辆过桥过程中的吊杆应力变化规律，进而该技术获得测试结果也不能用于吊杆的车辆疲劳寿命损伤评估。

技术实现要素：

本发明为了解决短吊杆的疲劳应力监测难题，提出了一种基于拉线式位移传感器和转角传感器测试吊杆拉力的方法。能够利用较为经济、简洁的手段进行吊杆拉力的测试，并通过无线传输系统实时的监测数据，保证桥梁的安全运营；其测试的基本原理为：将吊杆的应力分解为轴力和弯矩部分叠加值。

为了实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种拱桥短吊杆应力高频动态测试系统，包括安装在拱桥短吊杆顶部的转角传感器i和安装在短吊杆底部的转角传感器ii，同时在拱桥短吊杆的一侧设置安装有拉线位移计，所述的拉线位移计的顶部通过固定装置固定在拱桥短吊杆的顶部侧面；所述的拉线位移计的底部通过固定装置固定在拱桥短吊杆的底部侧面；且拉线位移计的拉线与短吊杆的轴线平行；所述的转角传感器i、ii以及拉线位移计与数据采集卡相连。

进一步的，所述的转角传感器i、ii用于检测短吊杆的转角，进而获得吊杆承受的弯矩。

进一步的，所述的拉线位移计用于检测短吊杆的长度变化。

利用上述装置进行测试的方法如下：

步骤一，选取拱桥中的短吊杆，在吊杆顶部和底部侧面分别装置拉线位移计的固定装置，然后布置拉线式位移传感器；

步骤二，在吊杆顶端和底部布置转角传感器i、转角传感器ii；

步骤三，车辆在桥上行驶的过程中，吊杆的长度及吊杆的顶部和底部转角会发生变化，拉线式位移传感器及转角传感器会将此变化转化为电信号并输出，利用动态采集仪对该电信号进行采集；

步骤四，将采集到的顶部转角和底部转角进行数据处理；得到吊杆的曲率值，进而获得吊杆承受的弯矩；

步骤五，叠加轴力和弯矩产生的应力，依据上述方法最终获得吊杆应力的高频动态应力变化规律。

进一步的，所述的吊杆的曲率值c＝(a1-a2)/l，其中a1表示吊杆顶部转角、a2表示吊杆底部转角a2、l表示的是吊杆的长度。

进一步的，所述的吊杆承受的弯矩m＝eic，其中ei表示转动刚度，c表示吊杆的曲率值。

进一步的，所述叠加轴力和弯矩产生的应力σ＝n/a+my/(i)，n表示轴力，通过拉线式位移传感器测得；a吊杆的横截面积，m表示弯矩，y表示距离中性轴的距离；i表示惯性矩。

本发明的有益效果如下：

本发明提出了一种拱桥短吊杆应力高频动态测试系统以及方法，可实现桥梁吊杆应力的动态采集。本发明操作简单，便于使用，利用拉线式位移及转角传感器可对拱桥短吊杆进行高频动态采集，可对吊杆的疲劳损伤进行实时动态评估，丰富了拱桥吊杆的健康监测技术，具有广泛的推广前景和利用价值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是拱桥短吊杆受轴力和弯矩发生疲劳断裂示意图。

图2行车过程中桥梁振动及频谱分析示意图。

图3是本评估方法的基本原理。

图4是本评估方法的示意图。

图中，1、2为拉线位移计顶、底部固定装置，3为拉线式位移计，4为拉线，5、6为顶、底部的转角传感器，7为高频数据采集卡，8为传感器电缆，9位吊杆。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中，车辆过桥时，采用频率法测试的话，仅仅能得到少量的测试数据，不能捕捉到车辆过桥过程中的吊杆应力变化规律，进而该技术获得测试结果也不能用于吊杆的车辆疲劳寿命损伤评估，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种拱桥短吊杆应力高频动态测试系统以及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图4所示，提供了一种拱桥短吊杆应力高频动态测试系统，包括安装在拱桥短吊杆顶部的转角传感器5和安装在短吊杆底部的转角传感器6，同时在拱桥短吊杆的一侧设置安装有拉线位移计，所述的拉线位移计3的顶部通过固定装置1固定在拱桥短吊杆的顶部侧面；所述的拉线位移计3的底部通过固定装置2固定在拱桥短吊杆的底部侧面；且拉线位移计的拉线4与短吊杆的轴线平行；所述的转角传感器i、ii以及拉线位移计通过传感器电缆8与数据采集卡7相连。

进一步的，所述的转角传感器i、ii用于检测短吊杆的转角，进而获得吊杆承受的弯矩。

进一步的，所述的拉线位移计用于检测短吊杆的长度变化，进而或得其轴力。

本发明中所述的短吊杆是指拱桥上较短的吊杆，且容易受到疲劳损伤的吊杆。

下面结合附图对上述一种拱桥短吊杆应力高频动态测试系统的测试方法做进一步说明，具体如下：

步骤一，选取图4拱桥中的短吊杆，在吊杆顶部和底部分别装置拉线位移计的固定装置1、2，然后布置拉线式位移传感器3；

步骤二，在吊杆顶端和底部布置转角传感器5、6；

步骤三，车辆在桥上行驶的过程中，吊杆的长度及吊杆的顶部和底部转角会发生变化，拉线式位移传感器3及转角传感器5、6会将此变化转化为电信号并输出，利用动态采集仪7对该电信号进行采集；

步骤四，将采集到的顶部转角a1和底部转角a2进行数据处理。得到吊杆的曲率值为:c＝(a1-a2)/l，进而获得吊杆承受的弯矩m＝eic；

步骤五，如图3叠加轴力和弯矩产生的应力：σ＝n/a+my/(i)，依据上述方法最终获得吊杆应力的高频动态应力变化规律。

其中a1表示吊杆顶部转角、a2表示吊杆底部转角、l表示的是吊杆的长度；ei表示转动刚度，c表示吊杆的曲率值；n表示轴力，

通过拉线式位移传感器测得；a吊杆的横截面积，m表示弯矩，y表示距离中性轴的距离；i表示惯性矩。

可实现桥梁吊杆应力的动态采集。本发明操作简单，便于使用，利用拉线式位移及转角传感器可对拱桥短吊杆进行高频动态采集，可对吊杆的疲劳损伤进行实时动态评估，丰富了拱桥吊杆的健康监测技术，具有广泛的推广前景和利用价值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方法进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。