CN107884106B - 一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置及检测方法，包括顶板、波纹管、底板、引压管和压力传感器，波纹管的两端分别密封连接顶板和底板，波纹管、顶板和底板之间围成用于填充惰性液体的密封腔，在密封腔内设置有引压管的一端，引压管的另一端与压力传感器连接，通过测量数值计算桥梁支座竖向力，采用该装置及方法测量无需重新设计支座结构，安装方式简单，解决支座竖向测力难题，为桥梁监测提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程领域，具体说的是一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置及检测方法。
背景技术
随着我国高速公路、铁路桥梁建设逐年增加，桥梁各种荷载包括静、动和冲击荷载等竖向荷载的测试和监测对桥梁的运行具有重要现实意义。实现桥梁支座即桥梁竖向反力监测数据的采集，可为桥梁的健康监测提供技术依据。
目前桥梁支座竖向反力测量装置较少，常规的做法是在支座内部安装检测元件或装置，如《一种球型多向测力支座》（专利号CN102912772 A）通过在支座的承压楔形部件侧向设置标准传感器实现测力；《一种竖向智能测力支座》（专利号CN102032959 A）主要选用特殊形状部件设置电阻应变片实现测力；《一种竖向测力型桥梁支座及其测力方法》（专利号：CN106192739A）通过在中座板和下座板之间安装测力传感器实现测力。上述测定支座反力的方法需要重新设计支座的结构，通过检测所选点的载荷间接地获得支座的载荷，测量点的选择是否合理直接影响测量精度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置及检测方法，采用该装置及方法测量无需重新设计支座结构，安装方式简单，解决支座竖向测力难题，为桥梁监测提供技术支持。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置，设置在桥梁支座下方，包括顶板、波纹管、底板、引压管和压力传感器，波纹管的两端分别密封连接顶板和底板，波纹管、顶板和底板之间围成用于填充惰性液体的密封腔，在密封腔内设置有引压管的一端，引压管的另一端与压力传感器连接。
本发明所述的密封腔内还连通有进出口管。
本发明所述的引压管上设有阀门。
本发明所述的进出口管上设有阀门。
本发明所述的顶板和底板之间设有用于测量顶板与底板之间间距的位移传感器。
本发明所述的顶板和底板之间设用轴向导向结构。
本发明所述的轴向导向结构由设置在顶板中心的凹槽和与凹槽相匹配并设置在底板中心的凸块组成。
本发明所述的轴向导向装置由设置在底板中心的凹槽和与凹槽相匹配并设置在顶板中心的凸块组成。
利用单波纹管竖向力检测装置进行桥梁支座竖向载荷检测的方法，包括以下步骤：
步骤一、安装前在压力为0的密封腔内第一次充入惰性液体至腔体完全充满，此时顶板与底板的轴向间隙为0；
步骤二、将顶板固定连接在桥梁支座的下方，底板与基础固定连接，完成固定；
步骤三、桥梁支座压设在顶板，第二次向密封墙内注入惰性液体，顶板沿装置轴向方向移动，当顶板移动一段距离后停止注入惰性液体，，压力传感器得到此时密封腔内惰性液体的压力P，由，得到桥梁支座竖向载荷F，其中，D为波纹管内径，H为波纹管波高，K为波纹管轴向刚度，x为波纹管轴向位移。
进一步，由位移传感器测出第二次惰性液体充入前及未安装前顶板与底板之间的间距H0，由位移传感器实时测出第二次惰性液体充入后顶板与底板之间的间距H1，得到顶板与底板分离的间隙为ΔH= H1-H0；设定Δhmin为顶板与底板接触前的间隙最小值，当ΔH<Δhmin时，需向密封腔内补充惰性液体；设定Δhmax为顶板与底板接触前的间隙最大值，应确保ΔH≤Δhmax，防止顶板与底板分离过大导致导向结构失效而无法承受侧向载荷。
本发明有益效果是：本方案通过检测密封腔体内的惰性液体压力与波纹管的轴向位移计算获得支座竖向载荷，测量方法简单直观，能够直接更准确地获得支座的竖向载荷，避免了因测量点选择不合理而引入的测量误差；另外本方案无需更改现有支座的结构，安装、更换操作便捷。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为波纹管的结构示意图；
图3为本发明的顶板和底板的结构示意图；
图中：1、顶板，2、底板，3、波纹管，4、引压管，5、阀门，6、压力传感器，7、惰性液体，8、拉杆，9、螺母，10、位移传感器，11、进出口管。
具体实施方式
一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置，在运输及安装前由顶板1、底板2、波纹管3以及螺栓螺母9、拉杆8等组成。拉杆8与螺母9将顶板1、底板2、波纹管3拉紧安装为一体，在安装使用时，将螺栓及拉杆取下，再将由顶板、底板和波纹管组成的密封腔内充满液压油或者硅油等不易压缩且具有一定流动性的惰性液体，顶板与桥梁支座连接，底板与基础固定连接，当载荷通过支座作用于顶板时，由于波纹管刚度已知且其轴向变形可测，通过引压管外接压力传感器测得密封腔内部静压力，由于静压力作用面积已知，即可通过计算获得支座所承受的竖向载荷。
如图1所示，一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置，在使用时设置在桥梁支座下方，包括顶板1、波纹管3、底板2、引压管4和压力传感器6，波纹管3的两端分别密封连接顶板1和底板2，顶板1与底板2的形状不限，优选圆形及方形，保证波纹管两端的密封即可，顶板1受到垂直的力时沿波纹管3轴线方向移动向下移动，波纹管3、顶板1和底板2之间围成用于填充惰性液体7的密封腔，在密封腔内设置有引压管4的一端，引压管4的另一端与压力传感器6连接，压力传感器用来测量密封腔内惰性液体的压力。
密封腔内还连通有进出口管11，可通过进口出管11向密封腔内充入或流出惰性液体。
引压管4上设有阀门，用于关闭引压管管路。
进出口管11上设有阀门，进于关闭进出口管的管路通道。
顶板1和底板2之间设有用于测量顶板1与底板2之间间距的位移传感器10，位移传感器可实时测量顶板1与底板2之间的间距，间距的改变即为顶板1的底面与底板的顶面之间间隙的改变。
顶板1和底板2之间设用轴向导向结构，该结构不影响密封腔内压力，只需要导向作用，防止顶板受到压力不是垂直向后倾斜影响测量数据，使装置受力严格的按波纹管轴线方向移动，进一步使测量更为准确。
如图3所示，轴向导向结构如下所述，不限制于该下所述的两种形式。
A、轴向导向结构由设置在顶板1中心的凹槽和与凹槽相匹配并设置在底板2中心的凸块组成。
B、轴向导向装置由设置在底板2中心的凹槽和与凹槽相匹配并设置在顶板1中心的凸块组成。
利用单波纹管竖向力检测装置进行桥梁支座竖向载荷检测的方法，包括以下步骤：
步骤一、安装前在压力为0的密封腔内第一次充入惰性液体至腔体完全充满，此时凹槽与凸块的轴向间隙为0；
步骤二、将顶板固定连接在桥梁支座的下方，底板与基础固定连接，完成固定；
步骤三、桥梁支座压设在顶板，第二次向密封墙内注入惰性液体，顶板沿装置轴向方向移动，当顶板移动一段距离后停止注入惰性液体，压力传感器得到此时密封腔内惰性液体的压力P，由，得到桥梁支座竖向载荷F，其中，D为波纹管内径，H为波纹管波高，K为波纹管轴向刚度，x为波纹管轴向位移。
由位移传感器测出惰性液体第二次充入前及未安装前顶板与底板之间的间距H0，由位移传感器实时测出第二次惰性液体充入后顶板与底板之间的间距H1，得到顶板与底板分离的间隙为ΔH= H1-H0；设定Δhmin为顶板与底板接触前的间隙最小值，当ΔH<Δhmin时，需向密封腔内补充惰性气体，防止顶板与底板直接接触，影响测量结果；设定Δhmax为顶板与底板接触前的间隙最大值，应确保ΔH≤Δhmax，防止顶板与底板分离过大导致导向结构失效而无法承受侧向载荷。
实施例1
本发明包括顶板1、底板2、波纹管3、引压管4、压力传感器6、位移传感器10、拉杆8、螺母9、进出口管11等组成。如图1所示，顶板1、底板2以及波纹管3组成了一个密封腔，腔内充满液压油等惰性液体。压力传感器通过引压管与密封腔内相连通，可以检测惰性液体静压力。位移传感器安装于波纹管外侧的顶板与底板之间检测顶板与底板之间的间距，并用于计算波纹管内的顶板与底板之间的间隙。进出口管11与密封腔连通，可以通过进出口相密封腔注入或者导出内部液体。如图3所示，顶板下部与底板上部，具有轴向导向功能，同时能够承受侧向载荷。
本装置出厂时内部充满惰性液体，顶板与底板在拉杆螺母的作用下相互接触，此时内部液体压力为零，装置高度为与原始高度为H0；安装就位后，解除拉杆螺母的锁定，通过进出口管向密封腔体内补充注入惰性液体，腔体内压力逐渐升高，顶板与底板逐渐分离，此时顶板与底板之间的间距为H1。顶板与底板分离的距离（即间隙）为ΔH= H1-H0，ΔH应满足下述条件：
Δhmin<ΔH<Δhmax
Δhmin为顶板与底板间隙最小值，当ΔH小于该值时，顶板与底板可能存在直接接触，竖向载荷并非完全由密封腔内液体承担，影响测量精度，ΔH需大于该值。实际应用中，一旦发现ΔH<Δhmin，需向密封腔内补充惰性液体。
Δhmax为顶板与底板间隙最大值，为确保密封腔在发生泄漏时装置高度不会发生较大变化，ΔH需小于该值；并且可以防止顶板与底板分离过大导致导向结构失效而无法承受侧向载荷。
此时腔体内静压力与装置竖向载荷相平衡，装置的竖向载荷计算如下式所示。
式中：P为液体压力，D为波纹管内径，H为波纹管波高（如图2所示），K为波纹管轴向刚度，x为波纹管轴向位移。
Claims (9)
1.一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置，设置在桥梁支座下方，其特征在于：包括顶板（1）、波纹管（3）、底板（2）、引压管（4）和压力传感器（6），波纹管（3）的两端分别密封连接顶板（1）和底板（2），波纹管（3）、顶板（1）和底板（2）之间围成用于填充惰性液体（7）的密封腔，在密封腔内设置有引压管（4）的一端，引压管（4）的另一端与压力传感器（6）连接;
利用所述的单波纹管竖向力检测装置进行桥梁支座竖向载荷检测的方法，包括以下步骤：
步骤一、安装前在压力为0的密封腔内第一次充入惰性液体至腔体完全充满，此时顶板和底板的轴向间隙为0；
步骤二、将顶板固定连接在桥梁支座的下方，底板与基础固定连接，完成固定；
步骤三、桥梁支座压设在顶板，第二次向密封墙内注入惰性液体，顶板沿装置轴向方向移动，当顶板移动一段距离后停止注入惰性液体，压力传感器得到此时密封腔内惰性液体的压力P，由，得到桥梁支座竖向载荷F，其中，D为波纹管内径，H为波纹管波高，K为波纹管轴向刚度，x为波纹管轴向位移。
2.如权利要求1所述的一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置，其特征在于：所述的密封腔内还连通有进出口管（11）。
3.如权利要求1所述的一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置，其特征在于：所述的引压管（4）上设有阀门。
4.如权利要求2所述的一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置，其特征在于：所述的进出口管（11）上设有阀门。
5.如权利要求1所述的一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置，其特征在于：所述的顶板（1）和底板（2）之间设有用于测量顶板（1）与底板（2）之间间距的位移传感器（10）。
6.如权利要求1所述的一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置，其特征在于：所述的顶板（1）和底板（2）之间设用轴向导向结构。
7.如权利要求6所述的一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置，其特征在于：所述的轴向导向结构由设置在顶板（1）中心的凹槽和与凹槽相匹配并设置在底板（2）中心的凸块组成。
8.如权利要求6所述的一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置，其特征在于：所述的轴向导向装置由设置在底板（2）中心的凹槽和与凹槽相匹配并设置在顶板（1）中心的凸块组成。
9.如权利要求1所述的一种桥梁支座用的单波纹管竖向力检测装置，其特征在于：由位移传感器测出第二次惰性液体充入前及未安装前顶板与底板之间的间距H0，由位移传感器实时测出第二次惰性液体充入后顶板与底板之间的间距H1，得到顶板与底板分离的间隙为ΔH= H1-H0；设定Δhmin为顶板与底板接触前的间隙最小值，当ΔH<Δhmin时，需向密封腔内补充惰性液体；设定Δhmax为顶板与底板接触前的间隙最大值，应确保ΔH≤Δhmax，防止顶板与底板分离过大导致导向结构失效而无法承受侧向载荷。
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