本實(shí)用新型屬于橋梁撓度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種磁懸浮式橋梁撓度測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

在當(dāng)今土木工程行業(yè)中，撓度測(cè)量廣泛地應(yīng)用于建筑、鐵路、橋梁、交通、大壩等結(jié)構(gòu)上。結(jié)構(gòu)的撓度測(cè)試是工程人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，了解結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)以及保證結(jié)構(gòu)安全的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。例如，在大跨度橋梁的施工過(guò)程以及營(yíng)運(yùn)過(guò)程的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)、橋梁荷載試驗(yàn)當(dāng)中，對(duì)關(guān)鍵截面的橋梁撓度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè)量，是評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的重要指標(biāo)和依據(jù)。

常見的撓度測(cè)試方法有水準(zhǔn)測(cè)量、位移計(jì)法、靜力水準(zhǔn)法、雷達(dá)法等，這些方法均需要在橋外設(shè)置固定點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量橋上測(cè)點(diǎn)相對(duì)于橋外固定點(diǎn)的高程或位移變化來(lái)得到橋梁的撓度。位移計(jì)法等接觸式測(cè)量方法精度高，測(cè)試便捷，但當(dāng)橋梁跨越江、河、山澗等障礙物，或跨越城市道路時(shí)，由于不能布設(shè)固定支架，存在接觸式位移測(cè)量?jī)x器(如位移計(jì)等)無(wú)法安裝的困難。非接觸式位移監(jiān)測(cè)儀器(如靜力水準(zhǔn)儀、雷達(dá)等)和水準(zhǔn)測(cè)量方法，可實(shí)現(xiàn)絕大部分橋梁的撓度測(cè)試，但在長(zhǎng)大橋梁的撓度測(cè)試當(dāng)中，存在比較明顯的缺點(diǎn)：靜力水準(zhǔn)儀方法存在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間長(zhǎng)、成本高、對(duì)大縱坡橋梁應(yīng)用困難；而雷達(dá)方法在長(zhǎng)大橋梁上的精度無(wú)法滿足、測(cè)試效率低；水準(zhǔn)測(cè)量需要逐站傳遞高程，長(zhǎng)大橋梁由于測(cè)點(diǎn)多，距離遠(yuǎn)，一次水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，人力成本高，同時(shí)人為因素影響大。為此，要精準(zhǔn)、快速測(cè)試長(zhǎng)大橋梁撓度變得十分困難，也是目前橋梁檢測(cè)工程領(lǐng)域的一大技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種磁懸浮式橋梁撓度測(cè)量裝置，以實(shí)現(xiàn)高精度、便捷地測(cè)量橋梁撓度，該裝置及方法廣泛適用于橋梁荷載試驗(yàn)、健康監(jiān)控等技術(shù)領(lǐng)域。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

磁懸浮式橋梁撓度測(cè)量裝置，主要由高精度微型直線電機(jī)、外套筒和可調(diào)節(jié)水平的安裝底座組成；高精度微型直線電機(jī)豎直向安裝于外套筒內(nèi)，外套筒置于安裝底座上；高精度微型直線電機(jī)上安裝有懸浮質(zhì)量塊，高精度微型直線電機(jī)頂部安裝有測(cè)距儀，高精度微型直線電機(jī)具有控制器并由控制器控制為懸浮質(zhì)量塊提供等于其重力的恒定懸浮力。

高精度微型直線電機(jī)為電磁式圓筒直線電機(jī)，最大行程大于10cm，最大負(fù)載為懸浮質(zhì)量塊重力的2倍以上。

安裝底座具有三個(gè)腳螺旋及一個(gè)圓水準(zhǔn)泡。

控制器包含懸浮質(zhì)量塊位置檢測(cè)反饋系統(tǒng)。

測(cè)距儀選用精度為0.01mm級(jí)的高精度測(cè)距儀，測(cè)量頻率大于10Hz。

高精度微型直線電機(jī)和測(cè)距儀由供電電池提供電源。

針對(duì)現(xiàn)有橋梁撓度測(cè)試方法存在的問(wèn)題，發(fā)明人設(shè)計(jì)制作了一種磁懸浮式橋梁撓度測(cè)量裝置，主要由高精度微型直線電機(jī)、外套筒和可調(diào)節(jié)水平的安裝底座組成；高精度微型直線電機(jī)豎直向安裝于外套筒內(nèi)，外套筒置于安裝底座上；高精度微型直線電機(jī)上安裝有懸浮質(zhì)量塊，高精度微型直線電機(jī)頂部安裝有測(cè)距儀，高精度微型直線電機(jī)具有控制器并由控制器控制為懸浮質(zhì)量塊提供等于其重力的恒定懸浮力。該測(cè)量裝置基于磁懸浮原理，利用高精度微型直線電機(jī)為懸浮質(zhì)量塊提供恒定豎向力，使質(zhì)量塊懸浮的絕對(duì)高度保持不變，形成撓度測(cè)試當(dāng)中的固定點(diǎn)(即自身內(nèi)部實(shí)現(xiàn)固定點(diǎn)設(shè)置)，直線電機(jī)、外套筒和底座則隨著橋梁變形豎向移動(dòng)，測(cè)量懸浮質(zhì)量塊與外套筒相對(duì)豎向距離的變化，即可得到橋梁的撓度。將本實(shí)用新型用于橋梁撓度測(cè)試，無(wú)需設(shè)置外部固定點(diǎn)，即可精確測(cè)量出橋梁的絕對(duì)撓度；且可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)撓度測(cè)量，并廣泛適用于橋梁荷載試驗(yàn)、健康監(jiān)控等技術(shù)領(lǐng)域。據(jù)此，發(fā)明人還建立了相應(yīng)測(cè)量方法。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的突出優(yōu)勢(shì)具體在于：

(1)通過(guò)磁懸浮原理，在裝置內(nèi)部形成撓度測(cè)試固定點(diǎn)，無(wú)需如傳統(tǒng)測(cè)量方法在橋梁以外設(shè)置固定點(diǎn)，因而不存在高程傳遞問(wèn)題，簡(jiǎn)化了撓度測(cè)試過(guò)程，在長(zhǎng)大橋梁當(dāng)中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯；

(2)本實(shí)用新型測(cè)量裝置直接安裝于測(cè)試點(diǎn)處的橋面之上，無(wú)需任何固定支架，無(wú)需任何安裝工具，可通過(guò)自帶的調(diào)節(jié)底座調(diào)節(jié)水平，現(xiàn)場(chǎng)安裝及操作十分便捷，提高了橋梁撓度測(cè)試效率；

(3)本實(shí)用新型選用高精度直線電機(jī)及測(cè)距儀，可實(shí)現(xiàn)0.1mm精度的撓度測(cè)量，滿足了工程的需要，并且儀器密封于外套筒內(nèi)，不受外界環(huán)境因素的干擾；

(4)可實(shí)現(xiàn)橋梁動(dòng)態(tài)撓度測(cè)試。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型磁懸浮式橋梁撓度測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型磁懸浮式橋梁撓度測(cè)量裝置中懸浮質(zhì)量塊的受力示意圖。

圖3是本實(shí)用新型磁懸浮式橋梁撓度測(cè)量裝置使用狀態(tài)參考圖。

圖中：1高精度微型直線電機(jī)，2懸浮質(zhì)量塊，3控制器，4測(cè)距儀，5外套筒，6腳螺旋，7圓水準(zhǔn)泡，8安裝底座，9供電電池。

具體實(shí)施方式

1.基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，磁懸浮式橋梁撓度測(cè)量裝置，主要由高精度微型直線電機(jī)1、外套筒5和可調(diào)節(jié)水平的安裝底座組成；高精度微型直線電機(jī)豎直向安裝于外套筒內(nèi)，外套筒置于安裝底座8上；高精度微型直線電機(jī)上安裝有懸浮質(zhì)量塊2，高精度微型直線電機(jī)頂部安裝有測(cè)距儀4，高精度微型直線電機(jī)具有控制器3并由控制器控制為懸浮質(zhì)量塊提供等于其重力的恒定懸浮力。

其中，高精度微型直線電機(jī)為電磁式圓筒直線電機(jī)，最大行程大于10cm，最大負(fù)載為懸浮質(zhì)量塊重力的2倍以上。安裝底座具有三個(gè)腳螺旋6及一個(gè)圓水準(zhǔn)泡7，三個(gè)腳螺旋可獨(dú)立調(diào)節(jié)，使圓水準(zhǔn)泡居中，高精度微型直線電機(jī)處于垂直狀態(tài)。控制器包含懸浮質(zhì)量塊位置檢測(cè)反饋系統(tǒng)，對(duì)懸浮質(zhì)量塊恒定懸浮力控制精度小于0.1N，對(duì)懸浮質(zhì)量塊位置控制精度小于0.01mm。測(cè)距儀選用精度為0.01mm級(jí)可動(dòng)態(tài)測(cè)量的高精度測(cè)距儀，測(cè)量頻率大于10Hz，用于測(cè)量懸浮質(zhì)量塊的相對(duì)距離變化。高精度微型直線電機(jī)和測(cè)距儀由供電電池9提供電源。

2.工作原理

如圖2和圖3所示，磁懸浮式橋梁撓度測(cè)量裝置直接安裝于橋面上，控制器控制直線電機(jī)在直線電機(jī)的有效行程內(nèi)為懸浮質(zhì)量塊提供等于質(zhì)量塊重力的恒定懸浮力F。此時(shí)，懸浮質(zhì)量塊只受到豎直向下的自身重力G和直線電機(jī)提供的豎直向上的恒定懸浮力F兩個(gè)力的作用，當(dāng)懸浮力始終與質(zhì)量塊自身重力相等時(shí)(F＝G)，質(zhì)量塊處于一個(gè)豎向平衡狀態(tài)，質(zhì)量塊懸浮的絕對(duì)高程H始終保持不變，形成撓度測(cè)試用固定點(diǎn)。當(dāng)固定于橋面上的直線電機(jī)、外套筒隨著橋梁的變形產(chǎn)生豎向的位移f，由于質(zhì)量塊處于受力平衡狀態(tài)，其懸浮的絕對(duì)高程并不隨直線電機(jī)改變，只是質(zhì)量塊與外套筒的豎向相對(duì)位置發(fā)生改變，相對(duì)位置的改變量與外套筒豎向的位移量是相等的，即與橋梁的撓度相等。通過(guò)安裝于直線電機(jī)頂部的測(cè)距儀測(cè)量出變形前后質(zhì)量塊與外套筒相對(duì)位置的變化量ΔL，即可得到橋梁的撓度。如變形前質(zhì)量塊與外套筒頂部的距離為L(zhǎng)₁，橋梁變形后質(zhì)量塊與外套筒頂部的距離為L(zhǎng)₂，則橋梁的撓度即為f＝ΔL＝L₁-L₂。同時(shí)，利用動(dòng)態(tài)測(cè)距儀連續(xù)測(cè)量，即可實(shí)現(xiàn)橋梁動(dòng)態(tài)位移的測(cè)試。

3.操作步驟

(1)進(jìn)行撓度測(cè)量前，在撓度測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橋面位置，固定安裝磁懸浮式橋梁撓度測(cè)量裝置；

(2)通過(guò)調(diào)節(jié)安裝底座三個(gè)腳螺旋的旋出量，使圓水準(zhǔn)泡中的氣泡居中，此時(shí)底座上表面處于水平狀態(tài)，而高精度微型直線電機(jī)處于垂直狀態(tài)；

(3)打開控制器電源，通過(guò)控制器將懸浮質(zhì)量塊位置調(diào)節(jié)至高精度微型直線電機(jī)行程中部位置，保持懸浮力使懸浮質(zhì)量塊處于靜止懸浮狀態(tài)，并設(shè)置高精度微型直線電機(jī)中推力保持該狀態(tài)不變，測(cè)得懸浮質(zhì)量塊絕對(duì)高程為H；

(4)測(cè)量此時(shí)懸浮質(zhì)量塊相對(duì)于外套筒頂部的垂直距離L₁；

(5)進(jìn)行橋梁加載試驗(yàn)，橋梁在測(cè)點(diǎn)位置產(chǎn)生向下的撓度f(wàn)；此時(shí)固定于橋面的安裝底座帶動(dòng)外套筒和高精度微型直線電機(jī)豎直向下移動(dòng)f，而懸浮質(zhì)量塊始終處于受力平衡狀態(tài)，絕對(duì)位置并未隨高精度微型直線電機(jī)向下移動(dòng)而改變，即懸浮絕對(duì)高程仍為H；

(6)測(cè)量此時(shí)懸浮質(zhì)量塊相對(duì)于外套筒頂部的垂直距離L₂；

(7)計(jì)算橋梁的撓度為f＝ΔL＝L₁-L₂。

4.應(yīng)用實(shí)例

對(duì)某連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)，需測(cè)試加載過(guò)程中的主梁撓度，該橋的跨徑組合為85m+160m+85m。該橋總長(zhǎng)330m，并且跨越大河，無(wú)法布置位移計(jì)等傳統(tǒng)撓度測(cè)試儀器。而采用水準(zhǔn)儀測(cè)量方法，需從橋外固定水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)測(cè)回觀測(cè)，測(cè)試一次的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2個(gè)小時(shí)，嚴(yán)重影響荷載試驗(yàn)工作效率。此外，此類橋梁對(duì)溫度變化較為敏感，2個(gè)小時(shí)后撓度已隨溫度的改變而發(fā)生變化，水準(zhǔn)儀的測(cè)試值無(wú)法真實(shí)反映橋梁因加載引起的橋梁變形。

為此，使用前述磁懸浮式橋梁撓度測(cè)量裝置，參照上述操作步驟進(jìn)行。

在進(jìn)行撓度測(cè)試前，在該橋160m跨的跨中對(duì)應(yīng)的橋面位置，固定安裝磁懸浮式橋梁撓度測(cè)量裝置。通過(guò)調(diào)節(jié)底座三個(gè)腳螺旋的旋出量，使圓水準(zhǔn)泡中的氣泡居中，此時(shí)底座上表面處于水平狀態(tài)，而直線電機(jī)處于垂直狀態(tài)。打開控制器電源，通過(guò)控制器將懸浮質(zhì)量塊位置調(diào)節(jié)至直線電機(jī)行程中部位置，保持懸浮力，使懸浮質(zhì)量塊處于靜止懸浮狀態(tài)，并設(shè)置直線電機(jī)中推力保持此狀態(tài)不變，懸浮絕對(duì)高程H保持不變。測(cè)量此時(shí)懸浮質(zhì)量塊相對(duì)于外套筒頂部的垂直距離L₁＝51.6mm，進(jìn)行橋梁加載試驗(yàn)，橋梁在測(cè)點(diǎn)位置產(chǎn)生向下的撓度，測(cè)量此時(shí)懸浮質(zhì)量塊相對(duì)于外套筒頂部的垂直距離L₂＝38.1mm，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)處橋梁的撓度為f＝ΔL＝L₁-L₂＝13.5mm。