一种适用于中小桥梁快速诊断的冲击荷载装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种桥梁冲击加载装置，包括支架、设置在支架上的垂直导轨以及设置在垂直导轨上的加载锤，在支架上还设置有与所述加载锤连接的驱动装置，驱动装置包括电动机、电磁离合器、控制器、计数传感器、驱动轴以及绕在驱动轴上的牵引绳，驱动轴通过所述的电磁离合器与电动机连接，在牵引绳的下端连接所述的加载锤，计数传感器设置在所述支架的下端用于检测加载锤的下落并将检测到的信号输出到所述的控制器，控制器根据所述计数传感器的输出信号，控制所述电动机带动所述驱动轴提升所述的加载锤。本发明的冲击振动装置能够产生单幅值冲击力（单次冲击），其优点在于产生平坦、一致的力谱，且频谱图上没有显著地衰减或零值区域。
【专利说明】一种适用于中小桥梁快速诊断的冲击荷载装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及土木与交通工程的中小桥梁动力测试与安全评估领域。本发明为一种对中小桥梁进行冲击加载的装置，所产生的冲击荷载具有特定特征(幅值大频域广和具有单幅值特征)，可实现中小桥梁的冲击振动测试和安全诊断的目的。
【背景技术】
[0002]桥梁的健康诊断技术近年来飞速发展。但相对于长大型桥梁，国省干道及县乡道路中小桥梁的健康诊断工作还没有得到充分重视。截至2009年底，我国桥梁总数多达59.46万座，其中中小型桥梁55.28万座。由于资金、人力、重视程度等各方面的限制，多数中小型桥梁年久失修，存在严重的安全隐患。因此，开发速度快、成本低、准确度高的中小桥梁健康诊断技术是一项急迫的科学任务。常规的用于桥梁健康诊断的环境振动测试仅能提供桥梁的频率和振型等模态参数，很难对桥梁健康诊断的工程实际提供非常明确的信息。冲击振动测试是中小桥梁健康诊断的一个新方向，通过观测冲击振动测试过程中冲击力和桥梁重要部位加速度的时程数据，可识别出结构的柔度矩阵等更详细的参数，从而实现更准确的桥梁安全诊断。卡车静载试验为桥梁工程人员广泛接受的现场测试方法。结构承载能力为结构安全的重要指标。卡车静载试验通过对所测试桥梁进行不同等级加载并观测相应的位移和应变数据有效的评估桥梁的承载能力。我国交通部《公路旧桥承载能力鉴定方法》对卡车静载试验方法进行了详细的规定和说明。美国高速公路桥梁状态评估手册(AASHTO )对卡车静载试验也作了类似的说明。卡车静载试验结果可靠，且为规范规定的方法，因而在国内外中小桥梁的承载能力评估中得到广泛应用。在桥梁结构动力特性测定试验中，需要通过跑车试验、刹车试验和跳车试验来对桥梁进行激励，其缺点是试验费时费力、费用昂贵，尤其是在试验时必须关闭桥梁通车，影响交通，是桥梁管理人员最不乐见。
[0003]通过冲击振动可以识别的桥梁柔度矩阵，从而预测任何静载下的挠度，然后根据交通部公路旧桥承载能力鉴定方法来计算桥梁的校验系数，得到明确的桥梁安全状态判断。冲击振动测试能同时识别结构动力特性和静力特征的方法是可行的，但是进行桥梁的柔度矩阵识别所需要的冲击力不但要幅值大，还需要频域广，既冲击力能量要均匀分布在一个宽频域范围内(例如(Tioo赫兹)，否则在信号分析部分将无法精确识别结构柔度矩阵，同时现有的击振装置无法满足一次冲击的要求，二次冲击或多次冲击会产生不一致、不平坦的力谱，且力谱的幅值衰减30dB或者更多，特别是在共振峰处，避免二次冲击能够得到精确的分析结果，而多次冲击得到的数据较差，最后的分析结果不可靠。故目前的冲击装置无法应用于冲击振动试验，无法利用冲击振动理论对桥梁进行安全评估。当前，可应用于桥梁测试的冲击加载装置非常有限，应用最广泛的是简单的锤击装置(大力锤)，然而这种锤击装置所产生的冲击力幅值小，无法有效地激励出桥梁的多阶模态，导致识别的结构柔度矩阵不精确。因此，如何开发一个切实有效的适用于桥梁安全诊断的冲击加载装置，来产生幅值大频域广的冲击力，且能避免二次冲击，已经成为制约中小桥梁健康诊断技术发展与应用的瓶颈问题。
【发明内容】
[0004]针对【背景技术】部分介绍的中小桥梁健康诊断中的瓶颈问题，本发明公开了一种适用于桥梁振动测试的能实现单次冲击的加载装置，从而提高测试分析结果的准确性和可靠性。
[0005]为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案如下:
一种桥梁冲击加载装置，包括支架、设置在支架上的垂直导轨以及设置在所述垂直导轨上的加载锤，在所述的支架上还设置有与所述加载锤连接的驱动装置，其特征在于:所述的驱动装置包括电动机、电磁离合器、控制器、计数传感器、驱动轴以及绕在所述驱动轴上的牵引绳，所述的驱动轴通过所述的电磁离合器与所述的电动机连接，在牵引绳的下端连接所述的加载锤，所述的计数传感器设置在所述支架的下端用于检测所述加载锤的下落并将检测到的信号输出到所述的控制器，所述的控制器根据所述计数传感器的输出信号，控制所述电动机带动所述驱动轴提升所述的加载锤。
[0006]在所述的加载锤的两端设置有滑块，所述的滑块位于所述的导轨上，在所述的滑块上设置有将所述滑块固定在导轨上的电动刹车装置。电动刹车装置包括:导轨夹持装置，弹簧储能装置，楔滑动齿轮，活塞。电动刹车装置电动产生力，由夹在导轨两侧的楔形块施加在接触面上，从而夹住导轨，起到制动的作用。
[0007]在所述加载锤的下端设置有力传感器以及橡胶垫。
[0008]本发明加载装置，采用电动机提取重物及控制重物下落、冲击及回弹等整个过程，所产生的冲击力由加载锤自由落体运动产生的加速度提供。整个装置构造简明合理，能够满足桥梁振动测试试验所需的冲击荷载。由于在信号分析部分结构柔度矩阵识别的过程中需要使用冲击力数据，在加载锤下端面安装无线测力传感器，从而可以记录所产生冲击力的时程数据,并无线传输到数据采集计算机中。加载锤为可变加载的重物,可额外增加加载锤重量以提供更大的冲击荷载。当加载锤降到与地面接触的高度时，在冲击装置上安装了激光传感器，可以将信号传递至控制电路，然后电脑控制发出电信号，刹车装置接收到电信号之后，由弹簧驱动夹在导轨两侧的楔形块将高达9200N的力施加在接触面上，从而夹住导轨，起到制动的作用，整个作用过程从发出电信号到制动时间很短。而由于采用特殊材料及设计，刹车装置不会对导轨产生破坏，而强大的夹持力也保证了滑块与导轨间不会产生相对运动，避免加载锤的二次冲击提供的保障。冲击力的宽频特性可以由力传感器下面的柔性橡胶垫来获得，柔性橡胶垫所产生的宽频可涵盖我们感兴趣模态的频率范围。
[0009]有益效果
1.本发明的冲击振动装置能够产生单幅值冲击力(单次冲击)，其优点在于产生平坦、一致的力谱，且频谱图上没有显著地衰减或零值区域。
[0010]2.利用本发明公布的冲击振动装置产生幅值大频域广和具有单幅值特征的冲击力，结合测量的加速度数据，可以准确的识别桥梁的柔度矩阵，进而预测桥梁挠度、计算校验系数和桥梁安全性能评估。
[0011]3.本发明能够结合碳纤维无线传感、FBG等多种先进传感器，对桥梁进行快速检测。
[0012]4.本发明能够结合冲击振动理论和柔度识别理论，对旧桥梁承挠度进行预测，它能够替代规范规定的卡车静载实验，而且具有方便快捷、费用低、准确率高的特点。由于我国中小桥梁众多，所发明装置实用性强，在中小桥梁的快速诊断中具有广阔的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明装置的结构示意图。
[0014]图2所产生冲击荷载的时程图.图3所产生冲击荷载的频谱图。
[0015]其中:电磁离合器I,红外传感器2,电动刹车3,支架4,电动机5,控制器6,力传感器7，橡胶垫8，加载锤9。
[0016]【具体实施方式】:
下面结合附图，对本发明作详细说明:
如图1所示，本发明桥梁冲击加载装置，包括支架4、设置在支架上的垂直导轨以及设置在垂直导轨上的加载锤9，在加载锤的下端设置有力传感器7以及橡胶垫8。在支架上还设置有电动机5、电磁离合器1、控制器6、用作计数传感器的红外传感器2、驱动轴以及绕在驱动轴上的牵引绳，驱动轴通过电磁离合器与电动机连接，在牵引绳的下端连接加载锤9，计数传感器设置在支架的下端用于检测加载锤的下落并将检测到的信号输出到控制器，控制器根据计数传感器的输出信号，控制电动机带动驱动轴提升加载锤。在加载锤的两端设置有滑块，滑块位于所述的导轨上，在滑块上设置有电动刹车装置，电动刹车装置为现有设备，直接采购即可。
[0017]本发明加载装置的工作原理为:首先电动机将加载锤提升到一定的高度(可自动根据桥梁类型判断所需要提升高度，即所需要冲击力的大小)，电动机停止工作，电磁离合器闭合，将驱动轴刹住，加载锤被固定在待定的高度，通过控制按钮启动装置后，加载锤将以自由落体运动方式沿着导轨向下运动，并对地面产生一次冲击作用，加载锤撞击桥面后，在很短的时间内回弹上升，在加载锤第一次回弹时，位于冲击装置底部的红外传感器2将信号传递至控制器，并通过控制器控制电动机，使电动机能够瞬间提升加载锤，同时导轨两侧的刹车装置避免了二次冲击不利因素的影响，即完成一次冲击过程。
[0018]实验室激振器冲击力特性分析:
本发明的击振装置在结构表面做冲击试验，冲击力如图2，其冲击力幅值可达5t?17t，对其做快速傅里叶变换，可以得到冲击力的频域图3，可发现其具有宽频特性。本发明的击振装置冲击力大、频域广且不会产生二次冲击，可以充分的激励出桥梁的动力特性，实现桥梁的安全诊断。
【权利要求】
1.一种桥梁冲击加载装置，包括支架、设置在支架上的垂直导轨以及设置在所述垂直导轨上的加载锤，在所述的支架上还设置有与所述加载锤连接的驱动装置，其特征在于: 所述的驱动装置包括电动机、电磁离合器、控制器、计数传感器、驱动轴以及绕在所述驱动轴上的牵引绳，所述的驱动轴通过所述的电磁离合器与所述的电动机连接，在牵引绳的下端连接所述的加载锤，所述的计数传感器设置在所述支架的下端用于检测所述加载锤的下落并将检测到的信号输出到所述的控制器，所述的控制器根据所述计数传感器的输出信号，控制所述电动机带动所述驱动轴提升所述的加载锤。
2.根据权利要求1所述的桥梁冲击加载装置，其特征在于:在所述的加载锤的两端设置有滑块，所述的滑块位于所述的导轨上，在所述的滑块上设置有将所述滑块固定在导轨上的电动刹车装置。
3.根据权利要求1所述的桥梁冲击加载装置，其特征在于:在所述加载锤的下端设置有力传感器以及橡胶垫。
【文档编号】G01M7/08GK103792055SQ201410074340
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2014年3月3日
【发明者】张建, 吴智深, 沙奔, 李建宇, 唐定飘, 夏琪 申请人:东南大学