用于元件扭转及位置参数的测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种测量装置，特别是可以用于对构件扭转测量或悬索桥主缆等扭转特性测量的测量装置，本发明还涉及利于上述测量装置进行测量的方法。本发明提供的用于元件扭转及位置参数的测量装置，包括固定座，其特征在于还包括与固定座连接的三个光反射器；所述固定座可以固定在被测元件上，且使与固定座连接的三个光反射器与被测元件的被测截面处于同一平面上。利用该装置进行测量的原理是：用全站仪测量测点反射装置三个观测点在各阶段的三维坐标；对所得的三维坐标进行数据处理，获得主缆被测截面在各阶段的中心坐标和扭转角度。本发明提供的测量装置结构简单，实施测量成本低，效果好。
【专利说明】用于元件扭转及位置参数的测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量装置，特别是可以用于对构件扭转测量或悬索桥主缆等扭转特性测量的测量装置。
[0002]本发明还涉及利于上述测量装置进行测量的方法。
【背景技术】
[0003]空间索面的悬索桥由于除了具有一般悬索桥的结构特点外，还因其主缆和吊索采用三维空间的布置形式，提高了体系的横向刚度和抗扭刚度，增加了抗风抗震能力，而将越来越被广泛采用。然而，空间索面悬索桥的主缆由空缆竖直面状态转换到成桥的空间状态过程中会出现扭转现象，该现象的出现会给索夹安装和后续调整带来麻烦，也给索夹的受力带来不利影响。掌握其扭转特性，有利于进一步精确分析空间主缆悬索桥受力，确保施工的顺利进行。
[0004]目前，室内试验测量扭转变形的方法已经很成熟，如:文献I (GB/T10128-2007《金属材料室温扭转试验方法》[S])利用扭转试验机测量试件的扭转变形，但由于采用了扭转试验机这种大型设备，且需要制作标准的试件，因此，这种方法无法移植到施工现场应用。物理学中也有如文献2-4 (乔彦峰，王成龙等，莫尔条纹测量扭转变形角的方案研究[J]，光学精密工程，2008，19 (11):2132-2139[;李向荣，乔彦峰，刘微等，扭转变形测量的干涉条纹处理技术[J]，光电工程，2005，32 (12):47-50 ;丁珍红，吉小军，刘月华，一种轴扭转变形动态测量系统的设计及实现[J]，中国机械工程，2011，22 (14):1672-1675)应用光学原理测量试件的扭转方法，但试验条件要求苛刻，施工现场无法满足。也有应用百分表测量试件的扭转方法，如文献5 (郭学东，陈晓峰，便携式扭转变形试验仪的设计与实践[J]。宁夏工程技术，2010 (9):122-124)中的试件扭转角的测量等。目前，土木工程中测量扭转角的最常用方法是使用倾角仪测量扭转角的大小，如文献6[孙焕彬。预应力混凝上托架受扭试验研究[J]。浙江工学院学报，1989 (4):38-43]中的构件扭转角的测量。该方法虽然能满足大部分工程测量需要，但也存在很多不足:其一，仪器需要供电(一般采用电池供电)，若长时间跟踪测量时，需要更换电池，这将增加额外的工作量，有时甚至无法到达仪器安装位置去更换电池；其二，需要靠近观测，一些试验人员无法到达的地方无法实现数据的读取；其三，仪器需要很好的防雨防晒等保护措施；其四，测量仪器需要额外购置，增加测量成本；其五，因重量不能忽略和受安装条件限制，它不适用于小构件测量，如:室内的缩尺模型试验中的小构件扭转测量。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种简单、方便的适于现场测量被测元件扭转和位置的测量装置；同时提供利于该装置进行测量的方法。
[0006]本发明提供的用于元件扭转及位置参数的测量装置，包括固定座，其特征在于还包括与固定座连接的三个光反射器；所述固定座可以固定在被测元件上，且使与固定座连接的三个光反射器与被测元件的被测截面处于同一平面上。
[0007]本发明提供的用于元件扭转及位置参数的测量装置，可以用于测量悬索桥的主缆的扭转状态。进行测量时，需要将测量装置的固定座固定在被测元件的各个截面位置。
[0008]利用上述测量设备进行现场测量时，需要使用全站仪。全站仪为常规测量设备，无需赘述。而光反射器可以采用反射棱镜片。
[0009]当测量装置被固定到主缆的某一个截面位置后，则反映主缆某一截面的位置和扭转角度的(一套)测点反射装置为全站仪提供3个观测点。此发明的总体技术原理为:研发反映主缆截面位置和扭转角度的测点反射装置；用全站仪测量测点反射装置三个观测点在各阶段的三维坐标；对所得的三维坐标进行数据处理，获得主缆被测截面在各阶段的中心坐标和扭转角度。
[0010]固定在主缆被测截面位置能随该截面位移和转动的带有三个反射棱镜片(共面不共线)，按三个反射片相对布置位置的不同，分为正交模式和非正交模式两种，如图1、图2所示。无论正交模式，还是非正交模式，三个棱镜片所在的平面在受力各阶段均应垂直于被测处的主缆轴线，即三个棱镜片所在的平面应始终在被测主缆处的横截面上。
[0011]如果安装空间不受限制，且观测视野自由，测量装置中的三个观测点CE1、CE2、CE3按图1所示的正交模式安装，这样的话，后续的计算过程相对简单些。
[0012]如果安装空间受限制，或观测视野受阻挡，可根据实际情况，采用图2所示的非正交式模式安装。但这种安装模式下的数据处理过程较繁琐。
[0013]使用全站仪对三个棱镜片进行测量后，可以获得被测截面在不同阶段的坐标，从而可以计算出被测元件的扭转位置参数。
[0014]本发明提供的用于元件扭转及位置参数的测量装置和方法能根据所测得不同阶段主缆截面三点的空间坐标，一并获得主缆扭转角度及主缆截面中心的空间位置及其变化。其组成之一的全站仪为一般桥梁工地所必需，无需额外增购；其组成之二的测点反射装置主要为固定在主缆截面上满足一定布置条件的三个棱镜片(简称主缆截面上三点)，成本低廉，其布置的尺寸形状和安装方法能根据被测结构的尺寸形状、安装空间和观测条件合理采用；无需供电和靠近观测；重量轻，对被测结构位形影响小，尤其适用于室内缩尺主缆模型的试验测试，既可用于桥梁主缆扭转及位置参数测量，也可推广用于其他小尺寸构件的扭转及位置参数测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明实施例中光反射器布置方式I的示意图；
[0016]图2是本发明实施例中光反射器布置方式2的示意图；
[0017]图3是本发明提供的用于元件扭转及位置参数的测量装置的结构示意图1 ;
[0018]图4是本发明提供的用于元件扭转及位置参数的测量装置的结构示意图2。
【具体实施方式】
[0019]实施例1
[0020]本实施例以测量悬索桥主缆扭转及位置参数为例进行说明。
[0021]本发明提供的用于元件扭转及位置参数的测量装置见图3，包括固定座1，通过杆2、3、4与固定座连接的三个反射棱镜片(即光反射器)5、6、7 ;所述固定座可以固定在被测元件上，且使与固定座连接的三个光反射器与被测元件8的被测截面处于同一平面上。
[0022]采用图1所示的“正交模式”布置三根带棱镜片的帽翅，观测点编号分别为CEl和CE2 和 CE3。
[0023]【具体实施方式】如下:
[0024](I)固定座的选型与加工:根据被测元件的几何尺寸、材质、截面形状、安装空间大小、观测视野条件等选定测点反射装置的固定座形式和帽翅的安装模式，并选定好制作材料，按设计要求进行机械加工制作。
[0025](2)测量装置的安装:无论采用何种固定座和帽翅(即杆与固定在杆一端的棱镜片)安装模式，安装时必须保证三个帽翅上所粘贴的反射式棱镜片处在同一平面内(为了提高三个帽翅上所粘贴的反射式棱镜片共面效果，可先在水平的工作平台上调试好，然后再安装到主缆测试位置处)，且均面向测站的全站仪；必须保证安装稳固，无相对移动或转动；为了简化数据处理过程，要求三个帽翅采用相同的长度，且编号为CE2的帽翅与水平面的初始夹角尽量小。
[0026](3)全站仪的安装调试:按全站仪操作规程要求执行。
[0027](4)观测点编号:按“技术方案”中关于坐标系和观测点要求:X轴为桥横向，且指向吊索张拉方向一侧为正；Y轴为桥纵向；ζ轴为桥竖向，且竖直向上为正。且要求测点反射装置上的三个观测点CE1、CE2、CE3的χ坐标满足X2≥X3≥X1,按此要求将三个帽翅上的棱镜片分别编为CE1、CE2、CE3，并绘制好数据记录表格，便于后续的测量数据记录和处理。
[0028](5)数据测量与记录。
[0029](6)数据处理，获取截面中心坐标值和截面扭转角的大小。
[0030](7)完成测量工作。
[0031]数据处理方法与计算公式
[0032]设坐标系的X轴为桥横向，且沿吊杆张拉方向一侧为正方向；Y轴为桥纵向；Ζ轴为桥竖向，且竖直向上为正方向，测点反射装置上的三个观测点CE1、CE2、CE3和主缆横截面中心 O 的坐标分别为(X1, Y1, Z1)、(x2, j2, ζ2)、(x3, y3, z3)和(χ。, y0, z0),且 X2 ≥ X3 ≥ X1 ;观测点CE1、CE2、CE3到主缆横截面中心距离相等且共面，该面与主缆的横截面平行。主缆被测截面的中心坐标和扭转角计算方法如下。
[0033]主缆被测截面的中心坐标
[0034]如果安装空间不受限制，且观测视野自由，建议测点反射装置的三个观测点CE1、CE2、CE3按图1所示的正交模式安装(CE1、CE2必需共线)，该种方式可简化数据处理过程。按照观测点的设定要求(即测点CE1、CE2、CE3到主缆横截面中心距离相等且共面)，则主缆中心的三维坐标可由测点CE1、CE2求得:
【权利要求】
1.用于元件扭转及位置参数的测量装置，包括固定座，其特征在于还包括与固定座连接的三个光反射器；所述固定座可以固定在被测元件上，且使与固定座连接的三个光反射器与被测元件的被测截面处于同一平面上。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于三个光反射器各通过一杆固定在固定座上。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于三个光反射器的位置关系为共面但不共线。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于三个光反射器的位置为正交位置，即其中某一反射器到固定座的连线方向与另外两个光反射器位置的连线相垂直。
5.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于三个光反射器的位置为非正交位置。
6.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于所述的光反射器为反射棱镜片。
7.测量元件扭转及位置参数的方法，包括如下步骤: 1)将多个权利要求1-6之一的测量装置固定在被测元件上，使被测元件上的被测截面与测量装置中的三个光反射器同一平面； 2)用全站仪测量上述测量装置中的三个光反射器的第I位置，及被测截面的第I位置； 3)用全站仪测量上述测量装置中的三个光反射器的第2位置，及被测截面的第2位置； 4)根据上述步骤2)和步骤3)中获得的被测元件不同位置数值，对所得数据进行处理，获得被测元件的被测截面在各阶段的中心坐标和扭转角度。
8.根据权利要求7所述的测量元件扭转及位置参数的方法，其特征在于:步骤I)中使三个光反射器的位置设置为位置为正交位置。
9.根据权利要求7所述的测量元件扭转及位置参数的方法，其特征在于:步骤I)中使三个光反射器的位置设置为位置为非正交位置。
【文档编号】G01C1/00GK103808502SQ201410040953
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】曹水东, 李传习, 柯红军, 刘智侃, 肖光清, 郑亮亮 申请人:长沙理工大学