一种钢桥面板疲劳裂纹外变形测量方法及测量装置与流程

本发明涉及钢桥面板疲劳裂纹扩展机理及规律研究领域，具体地说是涉及一种钢桥面板疲劳裂纹外变形测量方法及测量装置。

背景技术：

正交异性钢桥面板具有自重轻、承载力高、适用范围广等优点，已经成为大跨径桥梁普遍应用的桥面板结构，由面板、纵向加劲肋、横隔板、纵隔板等焊接而成，构造复杂，应力集中明显，极易产生疲劳裂纹。

对疲劳裂纹扩展机理及扩展规律的研究，有必要探究裂纹在平面内的扩展规律以及由于面外变形引起的裂纹面错动量的变化规律，以期钢桥面板裂纹扩展研究更加接近实际情况。但是，裂纹垂直于板面的错动量很小，裂纹边缘处表面状态差很难保证测量精度，难以精确测量。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种钢桥面板疲劳裂纹外变形测量方法及测量装置，可提供了测量面外变形引起的裂纹面错动量的变化规律，还可准确得到裂纹边缘处错动量，增加研究维度，使钢桥面板裂纹扩展研究更加接近实际情况。

技术方案：本发明提出一种钢桥面板疲劳裂纹外变形测量方法，包括

建立三维坐标系，包括相互垂直的x轴、y轴和z轴，其中x轴和y轴均位于所述疲劳裂纹形成表面上，在所述疲劳裂纹的曲线上选取n个裂纹坐标点(xi，yi)，其中i＝1,2…n；

在裂纹坐标点(xi，yi)沿y轴的两侧的钢桥面板上分别选取m个外侧坐标点(xi，yi+dij)和(xi，yi-dij’),其中dij和dij’均大于0，j＝1,2…m；测量并计算钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)与(xi，yi-dij’)沿z轴的高度差△zij；

拟合得到疲劳裂纹的三维空间曲线(xi，yi，△zij)。

进一步，通过光导纤维测距仪器测量并计算钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)与(xi，yi-dij’)沿z轴的高度差△zij。

进一步，所述光导纤维测距仪器包括光源入射系统、光强信息接收系统和光强信息处理系统；

所述光源入射系统发射光源至钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)，光强信息接收系统接收外侧坐标点(xi，yi+dij)处的光强信息并发送至光强信号处理系统，光强信息处理系统处理光强信息得到光强iij；由光强i与距离s的函数曲线s＝f(i)，计算光源入射系统的入射端部与钢桥面板沿z轴的距离zij＝f(iij)；

所述光源入射系统发射光源至钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi-dij’)，光强信息接收系统接收外侧坐标点(xi，yi-dij’)处的光强信息并发送至光强信号处理系统，光强信息处理系统处理光强信息得到光强iij’；由函数曲线s＝f(i)计算光源入射系统的入射端部与钢桥面板沿z轴的距离zij’＝f(iij’)；

计算所述钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)与(xi，yi-dij’)沿z轴的高度差△zij＝∣zij-zij’∣。

进一步，函数曲线s＝f(i)的获取方法是：

在相同光导纤维测距应用环境下，将所述光导纤维测距仪器置于钢桥面板的一光滑平整面上，调整光源入射系统的入射端部与光滑平整面的距离由0逐渐增大，当入射端部与光滑平整面的距离为sk时，记录对应测量的光强ik,得到k组s与i的关联数据值，其中k大于2；建立s与i的函数坐标系，由k组s与i的关联数据值，拟合得到函数曲线s＝f(i)。

进一步，所述光源入射系统包括第一入射光纤和第二入射光纤；所述光强信息接收系统包括第一接收光纤和第二接收光纤；

所述第一入射光纤的入射端部、第二入射光纤的入射端部、第一接收光纤的接收端部和第二接收光纤的接收端部的位于同一垂直于z轴的平面；

所述第一入射光纤发射光源至钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)，第一接收光纤接收外侧坐标点(xi，yi+dij)处的光强信息并发送至光强信号处理系统，光强信息处理系统处理光强信息得到光强iij；

所述第二入射光纤发射光源至钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi-dij’)，第二接收光纤接收外侧坐标点(xi，yi-dij’)处的光强信息并发送至光强信号处理系统，光强信息处理系统处理光强信息得到光强iij’。

进一步，所述第一入射光纤的入射端部和第二入射光纤的入射端部之间设置有裂纹定位针；通过光导纤维测距仪器测量并计算钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)与(xi，yi-dij’)沿z轴的高度差△zij时，所述裂纹定位针置于裂纹坐标点(xi，yi)上。

一种钢桥面板疲劳裂纹外变形测量装置，包括光导纤维测距仪器；所述光导纤维测距仪器包括光源入射系统、光强信息接收系统和光强信息处理系统；所述光源入射系统包括第一入射光纤和第二入射光纤；所述光强信息接收系统包括第一接收光纤和第二接收光纤；

所述第一入射光纤的入射端部、第二入射光纤的入射端部、第一接收光纤的接收端部和第二接收光纤的接收端部位于平行于疲劳裂纹形成表面的同一平面；

所述第一入射光纤发射光源至钢桥面板上疲劳裂纹曲线的一侧，第一接收光纤接收钢桥面板上疲劳裂纹曲线的一侧的光强信息并发送至光强信号处理系统，光强信息处理系统处理光强信息得到钢桥面板上疲劳裂纹曲线的一侧的光强；

同时所述第二入射光纤发射光源至钢桥面板上疲劳裂纹曲线的另一侧，第二接收光纤接收钢桥面板上疲劳裂纹曲线的另一侧的光强信息并发送至光强信号处理系统，光强信息处理系统处理光强信息得到钢桥面板上疲劳裂纹曲线的另一侧的光强。

所述钢桥面板疲劳裂纹外变形测量装置还包括测量定位系统；所述测量定位系统用于控制第一入射光纤、第二入射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤沿垂直于钢桥面板的方向同步移动；所述测量定位系统用于控制所述第一入射光纤沿平行于所述第一入射光纤的入射端部和第二入射光纤的入射端部的连线的方向移动；所述测量定位系统用于控制所述第二入射光纤沿平行于所述第一入射光纤的入射端部和第二入射光纤的入射端部的连线的方向移动；

进一步，所述测量定位系统包括支撑架、定位座、竖向调节机构、第一横向调节机构和第二横向调节机构；所述支撑架为龙门状，包括横梁、第一立柱和第二立柱；所述支撑架通过第一立柱和第二立柱固定于钢桥面板上；

所述竖向调节机构包括竖向螺纹杆；所述竖向螺纹杆穿过支撑架的横梁，且垂直于钢桥面板；所述竖向螺纹杆上旋有两个竖向调节螺母，两个竖向调节螺母分别位于横梁的两侧；所述竖向螺纹杆与定位座固定连接；

所述支撑架的第一立柱上设置有垂直于钢桥面板的第一滑槽，第二立柱上设置有垂直于钢桥面板的第二滑槽；所述定位座上设置有滑孔；所述滑孔平行于第一接收光纤的接收端部和第二接收光纤的接收端部的连线；

所述第一横向调节机构包括第一横向螺纹杆；所述第一横向螺纹杆的一端滑动穿过第一滑槽；第一横向螺纹杆上旋有两个第一横向调节螺母；两个第一横向调节螺母分别位于所述第一立柱的两侧；所述第一横向螺纹杆的另一端滑动穿过滑孔，且第一入射光纤与第一接收光纤固定在第一横向螺纹杆的另一端；

所述第二横向调节机构包括第二横向螺纹杆；所述第二横向螺纹杆的一端滑动穿过第二滑槽；第二横向螺纹杆上旋有两个第二横向调节螺母；两个第二横向调节螺母分别位于所述第二立柱的两侧；所述第二横向调节螺母的另一端滑动穿过滑孔，且第二入射光纤和第二接收光纤固定在第二横向调节螺母的另一端。

进一步，所述测量定位系统还包括裂纹定位机构；所述裂纹定位机构包括裂纹定位针；所述裂纹定位针位于第一入射光纤和第二入射光纤之间；所述裂纹定位针置于疲劳裂纹曲线上用于定位。

有益效果：通过本发明的钢桥面板疲劳裂纹外变形测量装置，本发明的钢桥面板疲劳裂纹外变形测量方法可测量并计算钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)与(xi，yi-dij’)沿z轴的高度差△zij，并拟合得到裂纹的三维空间曲线(xi，yi，△zij)。从而提供了测量面外变形引起的裂纹面错动量的变化规律，还可根据裂纹的三维空间曲线，准确得到裂纹边缘处错动量，增加研究维度，使钢桥面板裂纹扩展研究更加接近实际情况。

附图说明

图1为本发明的疲劳裂纹形成表面的坐标系示意图；

图2为本发明的疲劳裂纹形成表面沿垂直于板面方向的错动量计算原理示意图；

图3为本发明的光强与距离的函数曲线图；

图4为本发明的疲劳裂纹的三维空间曲线图；

图5为本发明的钢桥面板疲劳裂纹外变形测量装置的结构示意图；

图6为本发明的光导纤维测距仪器的结构示意图；

图7为本发明的竖向调节机构的结构示意图；

图8为本发明的第一横向调节机构和第二横向调节机构的结构示意图；

图9为本发明的支撑架的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明提出一种钢桥面板疲劳裂纹外变形测量方法，包括：

建立三维坐标系，包括相互垂直的x轴、y轴和z轴，其中x轴和y轴均位于所述疲劳裂纹形成表面上，在所述疲劳裂纹的曲线上选取n个裂纹坐标点(xi，yi)，其中i＝1,2…n；

在裂纹坐标点(xi，yi)沿y轴的两侧的钢桥面板上分别选取m个外侧坐标点(xi，yi+dij)和(xi，yi-dij’),其中dij和dij’均大于0，j＝1,2…m；测量时，优选dij＝dij’；

通过光导纤维测距仪器测量并计算钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)与(xi，yi-dij’)沿z轴的高度差△zij；

拟合得到疲劳裂纹的三维空间曲线(xi，yi，△zij)，如图4。

光导纤维技术测微小距离的原理为光线通过入射光纤照射到被测物体表面，被测物体反射的的光线经接收光纤接收形成光强信号，根据光强信号的强弱，计算被测物体距离光纤发射端头和接受端头的距离，具有测量精度高的特点。

由于光导纤维技术对物体表面状况较为敏感，要想得到裂纹边缘处错动量需将光纤端头紧贴裂缝边缘，而裂纹边缘处表面状态差很难保证测量精度，同时将光纤端头紧贴裂缝边沿调整精度也难以保证。

本发明通过测量并计算钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)与(xi，yi-dij’)沿z轴的高度差△zi，并拟合得到裂纹的三维空间曲线(xi，yi，△zij)。从而提供了测量面外变形引起的裂纹面错动量的变化规律，还可根据裂纹的三维空间曲线，准确得到裂纹边缘处错动量，增加研究维度，使钢桥面板裂纹扩展研究更加接近实际情况。

本发明还提出一种钢桥面板疲劳裂纹外变形测量装置，用于测量并计算钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)与(xi，yi-dij’)沿z轴的高度差△zij。

如图5，所述钢桥面板疲劳裂纹外变形测量装置包括光导纤维测距仪器。所述光导纤维测距仪器包括光源入射系统、光强信息接收系统和光强信息处理系统103。

如图6，所述光源入射系统包括第一入射光纤101和第二入射光纤102。第一入射光纤101的上端设置有第一发射光源104；第二入射光纤102的上端设置有第二发射光源105。第一发射光源104和第二发射光源105由光源控制器106控制发射光源。

所述光强信息接收系统包括第一接收光纤101a和第二接收光纤102a。第一接收光纤101a的上端设置有第一光强信号接收器104a；第二接收光纤102a的上端设置有第二光强信号接收器105a。第一光强信号接收器104a和第二光强信号接收器105a由光强信息发射器107发送至光强信息处理系统103。

所述第一入射光纤101的入射端部、第二入射光纤102的入射端部、第一接收光纤101a的接收端部和第二接收光纤102a的接收端部位于同一垂直于z轴的平面。

所述第一入射光纤101发射光源至钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)，第一接收光纤101a接收外侧坐标点(xi，yi+dij)处的光强信息并发送至光强信号处理系统103，光强信息处理系统103处理光强信息得到光强iij；由光强i与距离s的函数曲线s＝f(i)，计算第一入射光纤101的入射端部与钢桥面板沿z轴的距离zij＝f(iij)。

同时所述第二入射光纤102发射光源至钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi-dij’)，第二接收光纤102a接收外侧坐标点(xi，yi-dij’)处的光强信息并发送至光强信号处理系统103，光强信息处理系统103处理光强信息得到光强iij’。由函数曲线s＝f(i)，计算第二入射光纤102的入射端部与钢桥面板沿z轴的距离zij’＝f(iij’)。

计算所述钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)与(xi，yi-dij’)沿z轴的高度差△zij＝∣zij-zij’∣。

光导纤维技术测微小距离的原理为光线通过入射光纤照射到被测物体表面，被测物体反射的的光线经接收光纤接收形成光强信号，最终被计算机接收；计算机接收到光强信号的强弱与被测物体距离光纤发射和接受端头的距离密切相关。

在实际的工程应用当中，接受光纤接收的光强大小不但与光纤端头距被测物体的距离有关，还与入射光纤光源强弱、光纤直径、光导纤维测距应用环境有关。因此采用相同光导纤维测距仪器测量相同的设备平面，在相同的大气、光线环境条件下，通过试验标定的方法，获取光强i与距离s的函数曲线s＝f(i)：

在相同光导纤维测距应用环境下，将所述光导纤维测距仪器置于钢桥面板的一光滑平整面上，调整光源入射系统的入射端部与光滑平整面的距离由0逐渐增大，当入射端部与光滑平整面的距离为sk时，记录对应测量的光强ik,得到k组s与i的关联数据值，其中k大于2；建立s与i的函数坐标系，由k组s与i的关联数据值，拟合得到函数曲线s＝f(i)。

如图3，函数曲线s＝f(i)为抛物线关系，在测量并计算钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)与(xi，yi-dij’)沿z轴的高度差△zi时，光源入射系统的入射端部与钢桥面板沿z轴的距离均选在函数曲线s＝f(i)的正比例区域或反比例区域。

所述的钢桥面板疲劳裂纹外变形测量装置，还包括测量定位系统。

所述测量定位系统包括支撑架201、定位座202、竖向调节机构、第一横向调节机构和第二横向调节机构。如图9，所述支撑架201为龙门状，包括横梁、第一立柱和第二立柱；第一立柱和第二立柱底部分别设置有电磁力底座209；所述支撑架201通过第一立柱和第二立柱固定于钢桥面板上。

如图7，所述竖向调节机构包括竖向螺纹杆203；所述竖向螺纹杆203穿过支撑架201的横梁，且垂直于钢桥面板；所述竖向螺纹杆203上旋有两个竖向调节螺母203a，两个竖向调节螺母203a分别位于横梁的两侧；所述竖向螺纹杆203与定位座202固定连接。

所述支撑架201的第一立柱上设置有垂直于钢桥面板的第一滑槽201a，第二立柱上设置有垂直于钢桥面板的第二滑槽201b；所述定位座202上设置有滑孔；所述滑孔平行于第一接收光纤101a的接收端部和第二接收光纤102a的接收端部的连线。

如图8，所述第一横向调节机构包括第一横向螺纹杆204；所述第一横向螺纹杆204的一端滑动穿过第一滑槽201a；第一横向螺纹杆204上旋有两个第一横向调节螺母204a；两个第一横向调节螺母204a分别位于所述第一立柱的两侧；所述第一横向螺纹杆204的另一端滑动穿过滑孔，且第一入射光纤101与第一接收光纤101a固定在第一横向螺纹杆204的另一端。

所述第二横向调节机构包括第二横向螺纹杆205；所述第二横向螺纹杆205的一端滑动穿过第二滑槽201b；第二横向螺纹杆205上旋有两个第二横向调节螺母205a；两个第二横向调节螺母205a分别位于所述第二立柱的两侧；所述第二横向调节螺母205a的另一端滑动穿过滑孔，且第二入射光纤102和第二接收光纤102a固定在第二横向调节螺母205a的另一端。

所述测量定位系统还包括裂纹定位机构。所述裂纹定位机构包括裂纹定位针206和图像采集部件207；所述裂纹定位针206位于第一入射光纤101和第二入射光纤102之间。借助图像采集部件207采集的图像，操作所述裂纹定位针206精准地置于裂纹坐标点(xi，yi)上。

为了便于使用，所述定位座202上设置长度刻度线208，长度刻度线208以裂纹定位针104处为0点，沿y轴向两侧延伸，方便记录和调节dij和dij’的数值。

所述的钢桥面板疲劳裂纹外变形测量装置的使用方法是：

通过电磁力底座209将支撑架201固定在钢桥面板上；裂纹定位针206置于裂纹坐标点xi，yi上；第一入射光纤101和第二入射光纤102位于疲劳裂纹的沿y轴的两侧，通过第一横向调节机构和第二横向调节机构调节并记录多个第一入射光纤101与y轴的距离dij，以及对应的第二入射光纤102与y轴的距离dij’；测量计算得到钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)与(xi，yi-dij’)沿z轴的高度差△zij。

获取光强i与距离s的函数曲线s＝f(i)时，可通过竖向调节机构，调整光源入射系统的入射端部与光滑平整面的距离由0逐渐增大。

在测量并计算钢桥面板上的外侧坐标点(xi，yi+dij)与(xi，yi-dij’)沿z轴的高度差△zi时，可通过竖向调节机构，调整光源入射系统的入射端部与光滑平整面的距离，验证光源入射系统的入射端部与钢桥面板沿z轴的距离均选在函数曲线s＝f(i)正比例区域或反比例区域。