挠度检测

挠度检测（通用7篇）

挠度检测 篇1

0前言

随着我国经济的不断发展与进步, 国家对桥梁的结构以及质量给予了高度的关注和重视, 不断研发和开创新型的桥梁结构试验检测方法和技术, 以适应当今社会日益增长的建设需求, 为国家桥梁的建设提供充足的保障。应变和挠度作为桥梁结构试验检测的两个物理量, 直接关系着整个桥梁结构的安全和质量, 具有至关重要的意义。如何提高桥梁结构试验检测应变和挠度的测量方法是我们当前所面临的主要问题, 笔者结合多年的桥梁结构检测经验, 从理论和实际操作两方面详细分析检测应变和挠度的新方法和新技术, 为我国桥梁检测指明方向和思路。

1桥梁结构试验检测的实际意义以及应变与挠度的概念分析

科学试验是理论发展的前提, 更是检测理论的最好方法。当前我国对于桥梁结构的理论分析众多, 但是对于实际的桥梁结构试验检测仍处于相对落后的状态。加强桥梁结构试验检测的力度和强度不仅为推动了桥梁结构设计的理论的发展, 更为实际的桥梁结构建设起到了无可替代的促进作用。我国的桥梁结构试验检测主要是针对桥梁本身设计的原型结构以及桥梁模型结构进行科学有效地检测和试验, 其中主要由试验准备工作、理论计算工作、实际现场试验工作以及试验和理论分析整理工作等部分构成的, 目的在于核实桥梁结构的承载能力大小以及使用和应用的具体条件;评估和测量已有桥梁的实际使用性能和基本的承载能力;分析桥梁结构中每个构件的具体受力程度, 总结桥梁结构中构建受力的基本规律。

应变与挠度作为桥梁结构试验检测的两个物理量, 对于整体桥梁结构的试验检测起着决定性的作用。其中, 应变主要指的是桥梁构件中的任意一点由于受到外力的作用而发生构件形状或大小以及尺寸上的相应变化。应变大致分为线应变、切应变以及一点的应变状态。每一种应变方式的变化角度和变化范围都有所不同, 但目的都在于测量物体本身的承受力大小以及适应能力, 以保障物体的安全运行。挠度主要强调的是桥梁、桁架等具体的受弯部件在强力的荷载作用下所产生的最大程度的变形, 一般都以Y轴的变形为主, 又被称为部件的竖向变形。

2桥梁结构试验检测应变的测量方法

2.1 应变电测的检测技术

应变电测的检测技术主要是指:利用应变片将桥梁中所能产生的各种力学量转化为电阻变化, 并通过专业的设备仪器将电阻在转化为电力、电压以及功率进行输出, 依据设备仪器中所显示的读数, 达到测量的目的。具体操作转化流程见图1。

应变电的测量技术主要具有以下优势:测量速度快、测量结果精确且灵敏度高;自动化数据采集以及多点同步测量的应用;遥控检测以及远距离测量的应用;操作简单方便;质量较轻;使用范围广泛;适用程度广。其中应变片作为测量中的主要工具, 一般由敏感栅、基底、粘合剂、引出线以及覆盖层构成, 主要应用在电阻的应变测试中, 呈现出特定的粘结剂粘成型, 利用传感元件, 测出实际的应变量。而电阻应变仪正是基于应变片的原理而形成的, 分为动态电阻应变仪、静态电阻应变仪以及静动态电阻应变仪。每种应变仪的功能虽然不同, 但是其构造都是一致的, 即电源、测量桥路、相敏检波器、指示记录器、振荡器、放大器、滤波器组成的。电阻应变仪在实际运行中主要涉及了电桥运行原理、平衡电桥原理以及温度补偿技术。电桥运行原理中一般应用的是惠斯登电桥 (如图2) 。

其中惠斯登电桥具有桥线性能好、测量范围广、林敏度高、易于实现温度补偿的优势。同时, 基于电桥输出的电压大小变化同桥臂的电阻变化程度以及应变量的比值成为正比, 导致电压输出值和桥臂之间的应变指数为线性拟合关系, 并使相邻之间的桥臂应变符号正好相反, 但相对的桥臂应变符号却相同。根据这个原理就可充分解决在测试中所产生的灵敏度以及温度补偿的问题。

2.2 光纤应变测试法

光纤应变测试法是建立在电测技术基础之上, 弥补了电测技术的缺陷, 实现了桥梁结构检测的远距离、高精度、长期性以及分布式的要求。同时, 光纤光栅由于自身的小巧、抗干扰能力强以及制作简单等优势, 促进了光纤波长的分析能力、灵敏度以及传感精度, 并可以嵌入到主体内部, 不对主体产生影响。光纤布拉格光栅的传感原理主要是通过光纤内部的光栅反射或者是检测布拉格光纤的波长来促进对桥梁结构应变的测量。根据波长的变化特点检测外界各参量之间的变化程度。其中, 光纤光栅的发射程度以及投射中光波的长度都和光纤光栅的周期以及反向的耦合模之间有着巨大关系, 任何一个参数量的改变都会使光栅的波长产生相应变化。因此, 光纤布拉格的波长公式为λ=2nΛ, 即光纤光栅的波长=2×光纤纤芯的折射率×光纤光栅周期。另外, 影响光纤布拉格波长的外界因素中最主要的为应变量的变化。这是因为光纤光栅的折射率以及自身变化都同外界所施加的应变力有关。由此应变所产生的波长变化差值/应变所产生的波长变化数值={1-n2/2×[光弹常数-泊松比 (光弹常数11+光弹常数12) ]}×外加轴向应变。所以我们得出:依据此公式所得出的光纤光栅传感器的波长变化程度可达到皮米级, 且波长本身就为最小的计量单位, 因此, 光纤光栅传感器具有灵敏度高的巨大优势。

2.3 钢弦式应变测量传感器的应用技术

钢弦式应变测量传感器区别于光纤光栅传感器, 主要利用钢弦作为主要的敏感原件, 通过张拉力以及固有频率之间的关系, 计算出外界所施加作用力的大小。

备注:1.夹块;2.振弦;3.永久性磁铁;4.线圈;5.螺钉装置;6.软磁铁;7.膜片

钢弦传感器通过作用在弦上激励力, 使振弦根据电流脉冲而散发的电磁吸力达到激励作用。即电流脉冲袭击时促使磁铁磁性降低, 使钢弦受磁铁的吸引力而直接被吸引, 但当又一波电流冲击到来时, 这种磁性就弱化了, 而钢弦脱离磁铁发生震动, 形成变磁组, 以实现交变电流的输出, 依据检测电流电势的频率进行检测。

3桥梁结构试验检测挠度的测量方法

我国主要用于桥梁结构试验检测挠度的方法为百分表的测量方法、光电法、悬锤法以及水准仪直接测量法、钢弦法等。其中钢弦法只适用于测量冰面的桥梁挠度, 适用范围受限;最为被人们广泛欢迎的要数悬锤法。这种方法操作简单、设备简单, 并且具有低成本和高质量的优势, 广泛应用在各种桥梁结构的测试中。但是其测量的挠度仅限于静挠度, 而无法实现动挠度的测量, 因此也存在一定弊端;光电法主要是应用CCD的光电耦合仪器来进行测量, 由于本身测量仪器的高成本和高价格直接制约了光电法的使用条件, 例如:在阴雨天气尽量少用或不用光电法, 以免造成更大的偏差;水准仪直接测量法是利用水准仪器或标尺依据桥梁外力加载的前后情况, 通过标尺中显示的数量差从中得出静挠度的数值。这种方法一般适合桥墩空间很大的公路桥梁, 对于桥墩空间较小的桥梁实施起来就相对困难。随着我国科技水平的不断发展, 应用在桥梁结构挠度测量中的方法也逐渐增多, 例如:GPS观测法、精密水准法、全站仪器观测法以及专业的挠度观测法等。这种新技术和新方法都是建立在原先测量方法的基础上进行改进和完善的, 具有相当程度的优势。但是在完善的同时, 一般都忽略了对测量天气的考虑, 所以这些方法的使用也在一定程度上受到测量天气的限制, 致使测量质量和测量效率都产生相应下降。

4总结

桥梁结构试验检测应变和挠度的测量方法既要考虑到实际的适用情况, 又要根据实际的测量条件作出相应的变化。这就需要专业的工作人员不断研究和发展, 开发出更适合桥梁结构试验检测的新方法, 为我国桥梁结构的质量和安全提供坚实可靠的保证, 以促进我国现代化建设的发展。

摘要：应变与挠度作为桥梁结构试验检测的两个物理量, 对于整体桥梁结构试验检测起到了至关重要的作用。本文旨在研究桥梁结构试验检测应变和挠度测量方法, 从应变电测技术、光纤应变测试方法、钢弦式应变测量传感器以及新型的挠度测量方法的角度详细进行阐述, 为我国桥梁检测的发展提供一些可行性的思路。

关键词：应变,挠度测量,桥梁结构,试验检测,方法

参考文献

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[2]杨莹浩.桥梁结构挠度测量方法研究[D].西安:长安大学, 2009.

[3]曹少飞.桥梁结构试验检测应变和挠度测量新方法研究[J].桥梁工程, 2010, (3) .

[4]杜晚霞, 邓苗毅.桥梁结构挠度测量装置及方法[J].江苏桥梁, 2005, (12) .

[5]杜飞子, 于强.桥梁结构的挠度测量装置以及方法[J].桥梁建设, 2010, (12) .

[6]王子秋, 孙思思.分析桥梁结构试验检测应变与挠度测量方法[J].桥梁工程建设管理, 2010, (12) .

挠度检测 篇2

1桥梁挠度检测技术现状

桥梁的挠度测量方法有传统的和当前流行的两类,传统的测量方法包括精密水准仪法和全站仪法,当前比较流行的方法包括光电成像法,倾角仪法和连通管法等,各种方法的局限和优势见表1。

通过表1格能很清晰的看到光电成像法的优势,结合现在计算机图形学的技术实现桥梁挠度的多点实时监测是现实的,文章提出的基于单目视觉和的挠度测量方法在保证精度的前提下可以满足多点测量的要求。

2基于单目视觉的挠度测量原理

如图1,单目视觉测量系统可以用中心透视投影的原理解释,既是针孔模型,被测量的物体(本文使用自制标志件)表面反射的光线经过一个针孔投射到成像平面上,物像点的大地实际坐标(x,y,z)和对应的相机成像面的坐标(x',y',z')。

在几何光路中构成一定的关系,实际的坐标经过一次的旋转和第二次的平移可以得到其在相机坐标平面的坐标。设三维正交矩阵T1和三维列向量T2分别是旋转和变换的矩阵,则实际坐标和成像面的坐标的对应变换关系如下公式(1)

公式(3)中若已知成像点的计算机图像坐标(xp,yp)和相机的内外参数还需要固定大地坐标系的一个坐标轴,两个方程解两个未知量可得成像点的大地坐标的x和y值,文章设计的基于单目视觉的桥梁挠度检测系统既是通过这种方法最终取得坐标计算挠度值的。

3基于单目视觉的桥梁挠度检测系统

3.1系统的组成

该系统主要由工业面阵CCD、长焦镜头、30mm*30mm的正方形标靶和一套桥梁挠度检测系统软件组成。该系统标靶与桥梁待测点刚性连接,当桥梁待测点产生位移时,与之连接的标靶也随之产生相应的移动。通过工业CCD和长焦镜头高频采集标靶上的数字化图像,CCD和镜头通过三脚架固定与计算机相连,计算机对采集到的图像进行同步处理,计算出图像中标靶A、B、C、D四点的中心坐标的位移,通过换算就可以得到标靶四个点中心点的实际位移,进而得到待测点的实际位移,从而得到桥梁的挠度变化值。以图1为系统原理示意图,图2为该系统所使用的标靶图案标识。

3.2系统的工作原理

3.2.1整个系统的标定

在标靶上有四个标识点,事先我们知道这四个标识点的实际距离和实际坐标,通过计算采集的图像四个标识点的像素距离,得到像素距离和实际距离的转换参数,以便将测量得到的标识点的像素位移转换为实际距离。

转换参数(mm/pixel)=实际距离(mm)/像素距离(pixel)

测量待测点的位移时,可以用四个标识点的中心坐标位移量作为待测点的位移,计算精度更高,实时性比较好。通过计算机实时预览、抓拍、连续保存图片,经过后续处理能够观测待测点的静态位移和动态位移,观测实时数据和曲线。

3.2.2图像处理和挠度数据输出

实际工作环境下,CCD相机捕捉的图像由于受到环境影响(光照,空气折射率),图像会出现失真和噪声,基于HANLLCON开发图像预处理程序去除图像噪声,然后进行图像分割,标志件识别和定位,最终计算出坐标的变化值,既是挠度值。如图3是标志件图像预处理的效果图。

4试验验证

选取真实的桥梁,放置10个标志件,对于每个标志件都连续测量五次,每次时间的间隔为1ms,实验所得的数据汇总如表2。

表中X,Y分别代表被测的标志件的A、B、C、D四个点的坐标平均值,既是标志件中心点的坐标,由实验的数据结果来看,在1000HZ的采样频率下,仍然能够保证1mm的精度,并且在每个点5次采样中每次的数据差距不大,说明进行重复性测量时重复性精度高。

5结论

该桥梁动态挠度检测系统能够以极高频率对桥梁上的多点进行挠度的动态测量,从而可以将桥梁结构的细微变形测量的时间刻度缩小至1毫秒以下,可以更加微观的反映桥梁在动态载荷下的结构变形情况,尤其对于冲击性载荷的快速加载与卸载过程的真实还原有开创性和突破性的技术意义。

参考文献

[1]陈学友.基于摄像测量变形识别方法研究[D].南京:南京航空航天大学,2011:1-10.

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[4]周逸.桥梁挠度线型快速测量系统研发[D].重庆:重庆交通大学,2011:3-6.

[5]高雷雨.基于激光图像测量法的桥梁挠度监测系统稳定性研究[D].重庆:重庆交通大学,2010:9-13.

[6]陈洪涛.基于机器视觉的运动参数测试方法的研究[J].机械与电子,2007(10):49-52.

[7]陈洪涛.利用机器视觉的运动参数测试方法的研究[D].长春:吉林大学,2006:15-16.

挠度检测 篇3

1 简支梁的挠度计算

结构力学中, 均布荷载作用的简支梁跨中挠度fmax计算公式表示为:

均布荷载作用的简支梁跨中弯矩计算公式表示为:

将式 (2) 代入式 (1) 得:

2 梁截面刚度的计算

根据规范内容, 在等截面构件中, 假定各同号弯矩区段内刚度相等, 并取该区段内最大弯矩处的刚度。当计算跨度内的支座截面刚度不大于跨中截面刚度的2倍或不小于跨中截面刚度的1/2时, 该跨也可按等截面刚度构件计算, 其构件刚度可取跨中最大弯矩面的刚度。在计算挠度时, 将截面抗弯刚度EI替换为考虑长期作用影响的刚度B。

根据GB 50010-2010混凝土结构设计规范公式7.2.2-2:

采用荷载准永久组合时矩形梁长期作用影响的刚度:

其中:

由式 (3) 得:

其中, fmax为简支梁跨中最大挠度;q为梁上均布荷载准永久组合值;l为梁计算跨度;EI为梁截面抗弯刚度;Mk为按荷载准永久组合计算的弯矩;B为梁考虑长期作用影响的刚度;Bs为按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土受弯构件的短期刚度;θ为考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数;Es为钢筋弹性模量;As为受拉区纵向普通钢筋截面面积;h0为截面有效高度;φ为裂缝间纵向受拉普通钢筋应变不均匀系数;αE为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量比值;ρ为纵向受拉钢筋配筋率;γf'为受压翼缘截面面积与腹板有效截面面积的比值;ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值;ρte为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率;σs为按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉普通钢筋应力。

3 梁的控制截面弯矩

假设正常使用极限状态与承载力使用极限状态同时出现[2], 则有:

由式 (8) 得:

其中, M为截面弯矩设计值;γQ为荷载分项系数;γs为内力臂系数。

4 挠度计算公式

将式 (1) 代入式 (2) , 式 (13) 得:

其中, θ为根据GB 50010-2010混凝土结构设计规范, 按简支梁取2;γf'为按矩形梁取0。

设:fy, ftk, Es, Ec, f/l0为已知条件,

曲线坐标:

设:跨高比l0/h0为y轴, 纵向受拉钢筋配筋率ρ为x轴。

则由式 (14) 得到:

经变换得出曲线公式:

5 梁截面配筋率取值范围

式 (15) 中配筋率ρ为自变量, 为了使图表适用范围比较实用, 将配筋率取值范围设置为受弯构件纵向钢筋常用配筋率范围, 即0.2%~2%。

6 图表

图1为根据曲线公式得到的两种已知条件下的跨高比与配筋率关系曲线图。

7 结语

通过以上图表, 设计人员可较快速、准确的确定在合理配筋范围内简支梁的跨高比, 从而确定梁高。该图表公式取自规范, 因此数据更具参考性。本文仅以两端简支梁为例, 考虑不同材料组合和挠度控制条件, 列出两种梁的跨高比曲线, 工程师还可以根据具体工程来确定具体条件参数, 列出更多曲线图作为设计时的参考。

参考文献

[1]GB 50010-2010, 混凝土结构设计规范[S].

弹簧架式丝杠挠度补偿结构 篇4

大型工作台移动设备如大型龙门铣、大型专机 (双面辊轧铣) 等设备, 经常会用到长距离丝杠 (如8m以上的) , 这种情况下丝杠的挠度补偿对于整体设备的精度影响就不容忽视, 而传统的液压缸直接进行支撑的方法安装难度较大, 容易对设备精度带来干扰, 为此我们对传统支撑方式进行一定的改进, 进而达到对精度影响减小、降低装配难度的目的。

2 传统液压缸直接支撑的弊端分析

传统的丝杠挠度补偿系统多数是通过液压缸带动杠杆机构对丝杠进行直接支撑的形式来进行补偿 (如图1) , 这样的设计手段可以达到补偿的效果, 但是在安装与加工的过程中增加了很多的成本与难度, 比如油缸行程的精确设定以及安装的精确定位。同时安装后精度不容易检测, 假设安装精度略微差一些, 而且当补偿系统与丝杠同时工作的情况下, 长时间后会对丝杠造成一定量的磨损从而影响设备精度。为了支撑丝杠且不增加阻力, 通常选择轴承支撑轮, 而轴承钢的硬度一般要大于丝杠用钢, 这样在安装有误差的情况下 (如两个支撑轴承的轴线与丝杠轴线不平行) , 两者接触不平稳, 就会出现研磨现象, 导致丝杠受损从而影响设备精度。另外, 如果油缸压力及行程不易控制, 压力或行程过大都可能导致将丝杠向上拱起或者将轴承压研, 都将会严重影响设备精度。

3 弹簧架支撑的结构方式

整体结构的变化不大, 动作方式也不需要改变, 仍由油缸带动杠杆来支撑丝杠和躲避工作台移动时的丝母座, 主要对杠杆的丝杠支撑端进行了改动 (图2) , 将原有的一体化结构分解成为:轴承架1、销轴2、支撑杆3、弹簧4、传动杠杆5共五部分 (图3) , 支撑丝杠的轴承安装方法不变, 具体方法为: (1) 前期对丝杠进行有限元分析, 找到精确支撑点及变形量大小, 通过计算得出所需弹簧的规格; (2) 将轴承架1与支撑杆3用销轴2进行连接并采用间隙配合, 这样轴承架1就有了一个以销轴为圆心摆动的自由度, 可以用于解决安装时支撑架1中心与丝杠中心线不在同一垂直平面的问题。而且改用弹簧结构进行支撑, 依靠弹簧自身具有伸缩弹性的特征, 在进行挠度补偿的时候, 可以使支撑轮与丝杠更好地接触, 达到减小丝杠变形量、增加运动稳定性的目的, 还可以一定程度上减小支撑轴承与丝杠中心线不共线带来的磨损; (3) 支撑杆与穿过传动杠杆可采用较大间隙, 并保持上下滑动的运动关系, 中间加上弹簧来限制支撑杆的移动, 这样在受力较大的情况下, 整个轴承架部分相对于传动杠杆就有了可以上下移动的自由度, 充分利用弹簧的可压缩特性, 避免因油缸压力偏大使支撑轮与丝杠接触过紧而与丝杠之间发生研磨的现象。同时在安装的时候即使油缸行程略大也不会影响使用, 一定程度上降低了安装难度; (4) 弹簧4卡在轴承架1与传动杠杆前端开的凹槽中 (凹槽可以设计略深一些) , 这样在整个运动过程中无论轴承架1向哪个方向摆动或者支撑杆3的上下位移都不会使得弹簧变位, 更好地达到预期的效果。

1.轴承架2.销轴3.支撑杆4.弹簧5.传动杠杆

4 结语

在线监测桥梁挠度的实用方法 篇5

常用的挠度在线监测方法包括:连通管光电液位测量挠度方法[1]、位移传感器挠度测量方法[2]、基于图像处理技术的非接触式光电挠度测量方法、采用GPS测量挠度的方法、激光挠度测量方法、采用全站仪测量挠度的方法、基于压力变送器的桥梁挠度测试方法。

上述方法中,GPS造价较高,其它方法易会受环境因素(包括环境温度、能见度等)的制约或限于静挠度测量,因此影响了其在桥梁健康监测系统中的推广应用。

考虑到桥梁在活载作用下的变形是光滑连续的,桥梁主梁挠度与截面倾角存在导数对应关系,因此可以利用倾角传感器测试结构挠度。目前已有一些学者给出了由倾角计算挠度的理论方法,但位移模式的具体确定方法未见详述,本文将针对这一问题进行相关研究。

1 算法理论

假设桥梁主梁的挠度曲线连续可导,则挠度曲线对位置的导数等于截面转角的正切值。设挠度曲线为,截面转角曲线为θ=θ(x),则挠度与截面转角的关系可表达为式1:

下面给出由截面倾角计算挠度的实用方法。考虑到主梁变形规律结构力学原理,因此挠度曲线可近似表达为线性无关的多个位移模式的线性组合,如式2所示。选择合适的位移模式,可保证其确定的位移曲线y(x)满足结构边界条件,并且位移曲线形式满足结构力学变形规律。

式中α2——组合系数;

φ1(x)——位移模式曲线;

假设主梁上布置了m个倾角传感器,其位置为xk,k-1:m即可得到m个截面倾角值θ(xk),k=1:m。将式2代入式1可得式3:

将实测倾角值代入式3可得式4:

式4为已α1为未知数的线性方程组,方程个数为m,未知数个数为n,当m>n时,方程有最小二乘解。当计算出α1后,由式2即可得到挠度曲线。

2 位移模式曲线的确定方法

上述算法的关键是确定唯一模式,使之确定的挠度曲线满足结构边界条件和结构力学变形规律。挠度是由结构外荷载引起的,而且对于不同的梁式结构,其挠度特征也不相同,因此考虑到荷载作用在结构线性变形阶段满足叠加原理,本文认为可采用有限个特征荷载作用于待测结构产生的特征挠度曲线作为位移模式曲线。

特征荷载的选取原则如下:在倾角传感器数量有限的情况下,可采用分段单位均布荷载作为特征荷载;而在倾角传感器数量较多的情况下,则可相应增加单位集中力荷载和单位集中弯矩荷载作为特征荷载,从而提高挠度计算的精度。

特征挠度曲线的计算需借助结构的有限元模型,这样计算出的特征挠度曲线就自然满足了结构边界条件和和结构力学变形规律。

3 仿真分析

3.1 仿真流程

为了测试上述挠度计算方法,设计了如下仿真流程:1首先建立测试结构有限元模型,该模型用于计算理论挠度曲线;2施加随机荷载于有限元模型,计算出对应的挠度曲线,以此作为理论挠度曲线;3由理论挠度曲线计算出仿真测点位置处的理论截面转角值,加入5%的随机噪声干扰;4由加入随机干扰后的截面转角值计算得出挠度曲线;5将计算挠度曲线与理论挠度曲线进行对比分析,并进行单次误差分析;6将上述1-5过程循环计算100次,每次采用不同的随机荷载加载;7进行总体误差分析,给出仿真结论。

3.2 仿真模型

以某钢桁梁桥有限元模型作为仿真模型。该模型为3跨连续桁架,每跨等效布置4个仿真测点,共10个测点,其中4、5号墩位置处只需分别布置1个测点,为相邻跨共用。桥型及倾角传感器布设位置如图1所示。

3.3 仿真分析结果

以理论计算的倾角值加入5%的随机噪声做为输入,利用方法计算挠度曲线。计算挠度曲线与理论挠度曲线的对比结果如图2所示。由计算结果可知除支座附近外,其余位置相对误差基本在2%左右。支座位置虽然相对误差大,但绝对误差很小,基本在0.2mm以内。通过对100次仿真实验结果的统计分析可知,各测点平均相对误差在3%左右,各测点平均绝对误差在0.25mm左右。综上所述,所述方法精度完全满足工程需要。

4 结论

总结了目前桥梁挠度测量的几种方法,提出利用倾角仪测试挠度的实用方法,该方法利用结构有限元模型计算单位荷载在不同位置作用时的挠度曲线,以此挠度曲线作为基准位移模式,而真实挠度为基准位移模式的线性组合。通过在钢桁梁桥有限元模型上的仿真分析可知,在倾角测试值加入5%的噪声干扰的情况下,挠度计算平均相对误差仍然在3%以内,完全满足实际工程需求。

摘要：桥梁截面转角与挠度具有对应关系,因此利用倾角监测可进行桥梁挠度在线监测。由倾角值计算挠度的方法描述如下:以桥梁有限元模型计算得到的挠度曲线作为基准位移模式,以位移模式的线性组合来计算真实挠度;线性组合系数采用最小二乘拟合法确定,有效地减少了测试误差的影响。有限元仿真分析表明该方法精度满足工程要求,计算速度快,适合在线挠度监测。

关键词：桥梁,挠度,倾角,位移模式,最小二乘拟合

参考文献

[1]杨建春,陈为民.连通管式光电挠度测量系统及其大桥监测应用[J].光电子.激光,2006,17(3):343-346.

桥梁结构挠度测试现状与展望 篇6

桥梁的挠度变形是桥梁健康状况评价的重要参数, 因此成为桥梁检测试验和健康监测的重要指标。桥梁挠度的测量主要是对桥跨在恒载和活载情况下的挠度进行测量。因此在桥梁检测、危桥改造以及新桥验收等方面都需要准确测量桥梁的静、动态挠度值。随着桥梁健康监测技术的进步, 人们研究了许多用于位移及挠度测量的方法。虽然测试的手段很多, 相比过去也有了很大的突破, 但每种方法都有其局限性, 或成本高, 或精度低, 或维护困难, 或安装不方便不适合长期使用。

2 国内外桥梁挠度测试方法研究现状

2.1 百分表法

百分表是一种精度较高的比较量具, 它只能测出相对数值, 不能测出绝对数值, 主要用于测量形状和位置误差, 测量精度为0.01 mm, 在桥梁工程中主要用于测量桥梁的挠度。测量时首先在桥下搭设固定支架, 将百分表安装在表架上面, 然后再将整个体系安装到桥梁的待测部位, 因此这种测量挠度的方法只适合干涸的河流或者水较浅的河流上的桥梁, 并且桥面距地面不动岩距离不能太大。目前除了传统的机械式的百分表以外, 还研制了电子位移计, 数显式百分表以及光栅式百分表。千分表的测量精度为0.001 mm, 常用的量程有1 mm和3 mm, 其结构及测试挠度的方法与百分表类似, 千分表只不过是多了一组放大齿轮。

2.2 GPS挠度观测

全球定位系统GPS (Global Position System) , 是一种可以授时和测距的空间交汇定点的导航系统, 可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置, 三维速度和时间信息。通常情况下, 利用GPS观测静态挠度可以达到毫米级, 但是需要的时间较长, 另外根据大量的实测资料, 利用GPS监测动态的挠度可以达到厘米级的精度, 因此还可以用来监测大型的悬索桥等柔性桥梁的动态挠度。

2.3 连通管液位式挠度测量

静力水准方式测量桥梁挠度的基本原理就是利用液体在连通的管道内, 由于重力的作用, 在不同的位置高度会相同。对于最小的静力水准系统至少需要两个静力水准仪, 一个布置在参考点, 即挠度不会变化的点通常是桥墩或桥头, 另一个布置在待测点。两个静力水准仪通过液管连接在一起, 并加入适当的液体使得液面高度处于量程的中间位置。这样当待测点发生挠度时, 两个静力水准的液面相对于其筒体的位置就会变化, 测试这种变化就可以计算出待测点相对于参考点的位移, 从而达到测试桥梁挠度的目的。

如图1所示, 在平衡状态, 每个静力水准计的液面必然处于同一水平面上, 但当其中一点或几点产生相对竖向位移时, 在液体压差的作用下, 静力水准计的液面必然在新的水平面上达到平衡, 从而导致某些液位计的液面或液体深度发生改变, 通过测量某个点的液体深度及基准点的液体深度就可以计算出相应点的挠度值。

付军等[1]提出一种基于压力变送器的桥梁挠度监测系统 (它也是连通管挠度测量系统的一种) , 我们都知道液体的压强与深度有关系, 假设液体的压强为p, 密度为ρ, 深度为h, 重力加速度为g, 则有p=ρgh, 由此可知, 已知p和ρ则可以求出h, 因此压力变送器通过测量连通管内液体的压力差确定液位的升降值, 避免液体的粘滞阻力对系统的影响, 可以实现变形的动态测量。

2.4 加速度传感器法

理论上加速度进行两次积分就是我们需要的位移, 现实应用中该法一般采用微机进行A/D变换, 具有较高的分辨能力, 可进行多点测量;缺点是下限频率只达到1 Hz～2 Hz, 动载速度稍快 (>15 km/h) 时, 加上桥梁自身的振动频谱丰富, 传感器自身的灵敏度[2]等原因使得动态挠度曲线失真。近来有人试图采用软件滤波法进行修正, 但由于限定条件多而形成多边界, 难以实现。严普强等人虽然使用地震低频传感器测试铁路桥动挠度取得了不错的效果[3], 但由于铁路桥零点确定, 信号的处理可以反演出桥梁的动挠度, 当在车辆川流不息的公路桥上测试时, 信号的反演会遇到困难, 同时该法还不能进行静态挠度测量。

2.5 倾角仪测量挠度

杨学山等[4,5]给出了一种利用QY倾角仪测量桥梁挠度的方法。QY型倾角仪是在回转摆上利用电容传感技术和无源伺服技术构成的高灵敏度抗振动干扰的倾角测量仪器。该仪器可用于公路桥梁、城市立交桥梁和铁路桥梁的倾角和挠度测量。

该方法采用最小二乘法拟合得到该跨桥梁的挠度曲线, 最后将各跨桥梁的挠度曲线累加在一起, 得到所测桥梁的挠度曲线方程, 采用倾角仪测量桥梁挠度不需现场测量基准及不受日光、雨、雾等影响, 测量范围较大, 可实现一维/二维测量, 适合大、中型刚构结构桥梁的挠度测量。

2.6 光学类挠度测量方法

2.6.1 测量机器人法

测量机器人也就是全站仪法, 一般由棱镜及主机组成。在测量时, 将棱镜安装于桥梁被测点, 它可以自动确定空间任意一点的位置坐标。测量机器人测定一个目标棱镜空间位置后, 会自动切换到下一个目标棱镜, 在测得该目标的距离、水平角和垂直角确定位置后, 继续切换到下一个目标, 这样循环扫描便可依次获得不同时刻各个点的空间坐标。各点在竖直方向不同时刻空间位置变化即反映出桥梁挠度的变化。

2.6.2 激光挠度仪和光电挠度测量方法

激光图像挠度测量是利用激光良好的方向性, 通过固定在桥梁被测点的激光器随着桥梁不同程度的变形, 通过激光反映到光电接收器上, 因此, 只要获取光斑变化就可得到桥梁挠度。

光电成像挠度测量是在桥梁的测点上安装一个标靶, 并在靶上制作一个光学标志点 (光标) 。通过光学镜头把标志点成像在CCD接收面阵上, 当桥梁产生挠度时, 标靶也随之移动。通过测出靶上光标点在CCD接收面上成像位置的变化值, 就可计算出桥梁实际的挠度值。上述两种方法都可以测量桥梁的动静态挠度, 在荷载试验中也已经广泛的应用, 徐耀宇等人利用北京光电所生产的BJQN-4型光电桥梁挠度检测仪在金刚桥的成桥试验中测量桥梁的动挠度, 取得很好的效果[6];潘权等[7]利用光电测试系统在东营黄河公路大桥进行动载试验测试动挠度曲线, 从而分析了桥梁的动态性能;重庆大学陈伟民等[8]开发的激光图像挠度测量系统成功地应用于渝长高速公路上的红槽坊立交桥健康监测的挠度测量中, 获得了很多有意义的数据, 为其他同类型的桥梁成功应用奠定了基础, 与此同时, 韩国的Sangho B[9]和美国的Whiteman T[10]用光电成像技术进行了预应力混凝土桥和连续刚构桥的变形研究。另外随着技术的进步, 出现了代替传统水准仪的电子水准仪, 由于其精度高也被用于桥梁的挠度测量中。东南大学的王磊[11]应用百分表做对比得出电子水准仪测量挠度的结果是可信的, 完全可以用来测量桥梁的挠度。

3 结语

桥梁挠度的测试方法越来越多, 越来越先进, 应用也愈来愈广, 但这些方法到目前为止, 还没有任何一种方法能够满足不同桥型的不同测量要求。桥型的多样化以信息化的发展, 人们对桥梁挠度测量要求不断提高, 决定了未来桥梁挠度监测的发展方向。未来, 随着桥梁健康监测技术的进一步成熟, 人们对桥梁, 尤其是大型桥梁的安全不仅要求在施工过程中进行严格的控制, 而且, 更加注重桥梁运营过程中的长期自动监测, 也要求必须有更好更稳定的挠度测量方法的出现来满足桥梁实时监测的需要, 尤其是动态挠度的测试。高精度, 高度集成, 自动化的长期测量是以后挠度测试系统发展的方向。

摘要：鉴于桥梁的挠度变形是桥梁健康状况评价的重要参数, 介绍了桥梁挠度测试的原理、性能特点及应用范围, 并对其测量精度、适用桥型等特点进行了研究, 最后指出未来桥梁挠度测试技术的发展趋势。

桥梁工程长期挠度成因及控制措施 篇7

1 传统预应力设计存在的问题

1.1 图式

传统预应力混凝土梁桥配索设计, 所选基本结构是桥梁最终状态———运营状态的连续梁图式。先假定在支架上浇筑箱梁按一次落架计算连续梁恒载弯矩Mg。其特点是恒载弯矩图比较缓和, 与悬臂梁弯矩M0相较, 正负弯矩绝对值均更小。再计入活载、温度、混凝土收缩等因素, 作出运营状态的总弯矩∑M包络图, 由此配好连续梁内的预应力索。设计的原则是控制不出现拉应力并预留一定的压应力储备。在传统的设计观点中, 对恒载和变化荷载是同等对待的。预应力的设计既要考虑恒载又要同时考虑变化荷载的作用, 这样使得预应力的设计不能完全针对起主导作用的恒载, 也不可能实现零弯矩, 所以产生施工中挠度是必然的。

1.2 预拱度

为了控制悬臂施工中梁顶面的标高符合设计线形, 设计被迫采用设置预拱度的方法。即将梁的下挠值f反方向加在预制厂的梁底模板上, 使梁面有一个抬高量δ, 这个预抬高称“安装标高”。施工线形中实际包含了三种预拱度:恒载预拱度、活载预拱度和徐变下挠预拱度。恒载预拱度是指在桥梁的架设过程中预先将梁部结构设置一向上的拱度 (计算挠度的反向值) , 此外施工预拱度还包括桥面和砼长期收缩徐变挠度。一般设置施工预拱度的曲线线形和数值, 是将从施工开始到完工后一年左右时间中, 每一节点的弹性和徐变总挠度的数据值反向设置。活载预拱度则是考虑到使梁在运营状态时也能保持设计线形状态, 一般在线路设计线形上叠加一活载的反向挠度值, 也有的设计者直接将这部分活载挠度考虑到了基本设计线形之上。

2 大跨梁桥的恒载

众所周知恒载 (含一期恒载及其二期恒载) 是大跨梁桥的主要矛盾, 其弯矩Mg占到总弯矩ΣM的80%以上, 更是使结构产生长期挠度的主要方面。由于传统的预应力设计不是全部针对恒载而设置, 它没有抓住这个主要矛盾, 就不能解决长期下挠问题。但由于恒载形成经过双悬臂施工、连续梁合拢、桥面浇筑以及运营等四个阶段, 因此, 在大跨梁桥中也要分阶段设计预应力, 使其满足不同阶段恒载“零弯矩”的要求。

3 体外索的引进

(1) 连续梁 (刚构) 合拢后, 接着施工桥面系g2 (二期恒载) 进入运营阶段, 还要承受均布活载gp=1.05 (t/车道) 。这两者统称为连续梁图式的后期均布恒载∑gp, 它将产生不小的跨中挠度ft, 这也是大跨梁桥长期下挠∑f的一个主要组成部分。

1) 传统的“预抬高”和“预应力零弯矩法”都只能解决合拢前的跨中标高问题, 使其施工挠度绝对值尽量少发生在跨中。但这两种手段都不能阻止ft的产生。2) 为了控制长期挠度fp的发展, 在箱梁内设置了体外索R, 如果设计恰当, 能使它所产生的弯矩MR恰好和后期均布荷载 (∑Pp) 所产生的Mgp相反, 则实现了运营状态的零弯矩。

(2) 要使体外索产生比较明显的效果, 跨中的梁高Ds应该有一定的高度。Ds愈大体外索弯矩MR愈大, 效果愈好;Ds愈小则MR值小, 效果不明显。通过分析可得到一个新概念:即体外索是解决桥面均布荷载产生长期下挠的一个重要方法。

4 抗弯刚度EJ的选择

(1) 梁EJ.在Me值一定的情况下控制ft拱度的关键因素是增大主梁抗弯刚度EJ。其中E是箱梁砼弹性模量, J是截面惯性矩 (J=b D3/12) , 与截面高度D3成正比。所以要保证跨中一定的梁高Ds、增大惯性矩J, 那么后期挠度ft值就会急剧减少, 这比其它方法见效得多。以连续刚构为例, 跨中不同梁高在g2=7 (t/m) (桥面重) 及g=2.04 (t/m) 均布活载的共同作用下∑g=7+2=9 (t/m) 。

(2) 跨中梁高及线型选择。苏通大桥跨中梁高D=4.50 m是按传统方法确定的, 高度偏矮, 不能实现体外索张拉使后期荷载g=9 (t/m) 所产生的弯矩为零。因此, 考虑加大到D=7.25 m时, 能使挠度减少26%。由此可见, 目前箱梁底板惯用抛物线型确定梁高的方法将跨中部分梁的惯性矩削弱过大, 造成抗弯刚度EJ不足。如果跨中0.4 L部分梁高采用直线形, 加大EJ则对减少ft有良好的效果。

(3) 跨中部分箱梁采用预制拼装。众所周知, 箱梁砼的弹性模量E是随时间增长而加大的。目前在悬臂施工中由于加入早强剂使其强度三天就能达到设计强度要求, 但弹性模量没有达到。这也是造成挠度增大的一个重要原因。因此苏通大桥要求砼养护7~10天才能张拉预应力, 但影响工期。一个较好的解决办法是跨中部箱梁采用预制拼装新工艺, 将跨中直线设梁体在预制场存放3~6个月, 使其砼收缩徐变提早完成, 弹性模量E也可提高10~30%。这样使运营中长期下挠值ft也相应减少10~30%。

摘要：以桥梁工程长期挠度为研究主体, 详细论述了传统预应力设计观点存在问题, 大跨梁桥的恒载, 体外索的引进, 抗弯刚度EJ的选择四个问题。

关键词：桥梁工程,长期挠度,成因及控制,抗弯刚度

参考文献

[1]徐金声, 薛立红.预应力混凝土受弯构件长期反拱和挠度的合理估算方法[J].建筑结构, 2011, (1) .

[2]曾爱.假载法进行预拱度设置的方法[J].山西科技, 2010, (6) .