一种钢桁梁弦杆三向变形监测预警装置及其安装方法

1.本发明属于桥梁监测技术领域，具体涉及一种钢桁梁弦杆三向变形监测预警装置及其安装方法。


背景技术：

2.钢桁梁桥具有较高的承载能力和跨越性，已被广泛应用到公路和铁路建设中，如武汉长江大桥、南京长江大桥、芜湖长江大桥以及大胜关长江大桥等在我国建桥史上具有里程碑意义，它们的主梁结构均采用钢桁梁结构，可见钢桁梁在我国建桥领域具有重要的地位。
3.众所周知，钢桁梁桥的主体结构由主桁、联结系、桥面系和制动联结系组成。其中，主桁作为钢桁梁桥的主要承重结构，长时间使用后，其刚度和承载能力会出现不同程度的衰减，所以对作为主桁的重要组成部分弦杆的变形监测变得尤为重要。另据研究表明，对桥梁实施精确、实时的变形监测工作，用于评估和预测桥梁的安全性，实现对桥梁安全状态的分析有助于从根本上消除桥梁的安全隐患。因此，桥梁变形监测是健康检测最重要的环节，也是解决桥梁安全隐患的重要任务。
4.目前，常用的桥梁变形测量方法有大地测量法和gps测量法等其它方法。其中，大地测量法主要应用全站仪和水准仪，测量基准点间的角度与距离，具有精度高、应用比较灵活等优点，但进行相应的观察时需要实现测点之间的通视，观测结果易受天气情况和其他外界因素的影响，容易漏测重要信号，还存在工作量大、监测周期长、采样频率低、监测点不能实现自动化测量、监测时间和点位也不能更好的实现统一等问题，且局部变形监测的可靠性差等缺点；而gps技术具有全天候、精度高、效率高等优点，但使用费用高昂。也就是说，现有技术没有针对钢桁梁弦杆变形进行监测预警的装置。
5.有鉴于此，本发明人提出一种钢桁梁弦杆三向变形监测预警装置及其安装方法，以克服现有技术的缺陷。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种钢桁梁弦杆三向变形监测预警装置及其安装方法，该变形监测预警装置结构设计合理、使用方便，能够对钢桁梁弦杆的变形进行实时、全方位（横向、竖向和纵向）的监测并得到相应的变形数据，同时对超出预期的变形进行预警，以便及时采取处理措施，规避事故的发生，保障钢桁梁桥运行的安全。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：一种钢桁梁弦杆三向变形监测预警装置，所述变形监测预警装置沿钢桁梁弦杆纵向布设且首尾相连，所述变形监测预警装置包括箱形壳体，所述箱形壳体内从左向右依次间距设置有横向变形监测机构、竖向变形监测机构以及纵向变形监测机构、且以上每个所述监测机构均包含位移放大单元和信号发射单元；其中，所述位移放大单元包括转动设置于箱形壳体上的转轴，所述转轴上同步设
置有齿轮和放大齿轮，且所述放大齿轮分度圆直径是齿轮分度圆直径的η倍，其中η≥4，所述齿轮与相对应监测机构设置的齿条啮合，所述放大齿轮与放大齿条啮合；所述信号发射单元包括天线盒、开关触发结构、排线和电路开关，所述天线盒内的天线通过排线与电路开关连接，所述电路开关安装在放大齿条齿的相对表面上，并按区域划分为若干个子开关，所述开关触发结构与电路开关任意区域子开关接触，用于通过天线盒内的天线将开关触发结构与电路开关接触产生的相应信号发射给终端设备，所述终端设备接收信号后计算放大齿条滑动距离，进而得出相对应方向的变形量，当变形量超过终端设备设定阈值时，进行预警。
8.进一步地，所述开关触发结构包括悬臂支架，所述悬臂支架的一端与箱形壳体的内表面固定连接，另一端设置有压缩弹簧，所述压缩弹簧的端部固定连接有顶锥，所述顶锥通过压缩弹簧的挤压始终与电路开关划分的子开关接触。
9.进一步地，所述电路开关划分的子开关数量与天线盒内的天线数量一一对应。
10.进一步地，所述电路开关总共划分为15个子开关，并将其编号为x1～x7、x0和x1’～x7’，且x0位于放大齿条齿的相对表面中间区域，x1～x7与x1’～x7’相对x0对称布设；相对应的所述天线盒内设置有15根天线，并将其编号为 ant-x1～ant-x7、ant-x0、ant-x1’～ant-x7’，每根天线的编号与子开关的编号一一对应。
11.进一步地，所述变形监测预警装置之间通过位移传导机构连接，所述位移传导机构包括卡接在箱形壳体纵向两侧的卡接件，每个所述卡接件两侧分别纵向设置有第一位移传导梁和第二位移传导梁，所述第一位移传导梁与横向变形监测机构和竖向变形监测机构连接，用于传递横向和/或竖向位移，所述第二位移传导梁与纵向变形监测机构连接，用于传递纵向位移。
12.进一步地，所述卡接件的上下两端均设置有与箱形壳体上下端凸起相配合的c型卡合部，且卡接件与箱形壳体的接触面均设置有用于限定两者产生相对位移的隔板。
13.进一步地，所述横向变形监测机构、竖向变形监测机构和纵向变形监测机构的构件相同、且空间布局不同，用于分别监测横向、竖向和纵向的位移；其中，所述横向变形监测机构的第一转轴垂直设置于箱形壳体的底面上，所述第一转轴的周向上同步设置有第一齿轮和第一放大齿轮，所述第一放大齿轮和与其啮合的第一放大齿条均靠近箱形壳体底面设置；所述竖向变形监测机构的第二转轴和纵向变形监测机构的第三转轴均设置于箱形壳体后表面上、且均与第一转轴垂直，所述第二转轴的周向上同步设置有第二齿轮和第二放大齿轮，所述第三转轴的周向上同步设置有第三齿轮和第三放大齿轮，所述第二放大齿轮和与其啮合的第二放大齿条以及第三放大齿轮和与其啮合的第三放大齿条均靠近箱形壳体后表面设置，且所述第二放大齿条靠近箱形壳体的顶部、第三放大齿条靠近箱形壳体底部；所述第一位移传导梁穿过箱形壳体左侧预设的孔后、其中部下方的连接杆处设置有横向第一齿条，所述横向第一齿条与第一齿轮啮合，同时所述第一位移传导梁的端部设置有竖直第二齿条，所述竖直第二齿条与第二齿轮啮合；所述第二位移传导梁穿过箱形壳体右侧预设的孔后、其端部下方设置有纵向第三齿条，所述纵向第三齿条与第三齿轮啮合。
14.进一步地，所述变形监测预警装置还包括调平机构，所述调平机构设置于箱形壳
体的顶部，用于调整所述变形监测预警装置的相对位置。
15.进一步地，所述调平机构包括底座，所述底座固定设置于箱形壳体的顶部，所述底座上设置有竖直的升降调节杆，用于调节所述变形监测预警装置的竖向位移；所述升降调节杆的顶端沿箱形壳体横向设置有固定轴，所述固定轴的一端与钢桁梁弦杆固定连接，所述固定轴中部套设有能够沿其轴向滑动的轴承，所述轴承的外圈通过连接件与升降调节杆的顶端固定连接，所述固定轴上、位于轴承的两端分别设置有垫片和调节螺母，所述调节螺母与固定轴螺纹连接，用于调节所述变形监测预警装置的横向位移。
16.一种基于上述钢桁梁弦杆三向变形监测预警装置的安装方法，包括以下具体步骤：步骤一、按照设计尺寸要求，将横向变形监测机构、竖向变形监测机构以及纵向变形监测机构对应的转轴、齿轮、放大齿轮和放大齿条分别安装在箱形壳体内相应位置，并使相应的放大齿轮与放大齿条啮合；步骤二、安装主要由天线盒、开关触发结构、排线和电路开关组成的信号发射单元，并将天线盒与电源连接；其中，天线盒和排线要求随同放大齿条滑动；步骤三、安装位移传导机构，将卡接件套设在箱形壳体的两侧，并在接触面设置隔板，同时将第一位移传导梁上设置的横向第一齿条和竖直第二齿条分别与相应的第一齿轮和第二齿轮啮合，将第二位移传导梁设置的纵向第三齿条与第三齿轮啮合；步骤四、组装好调平机构，并通过调平机构的底座与箱形壳体的顶部固定连接；步骤五、将若干个组装好的变形监测预警装置首尾相连并安装在钢桁梁弦杆上，同时将调平机构的固定轴一端固定在钢桁梁弦杆上；然后调节调平机构的竖向和横向位置，使相邻变形监测预警装置的初始相对位移为零。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、本发明一种钢桁梁弦杆三向变形监测预警装置，通过在钢桁梁弦杆上沿纵向布设多个首尾相连变形监测预警装置，每个变形监测预警装置均包括横向变形监测机构、竖向变形监测机构以及纵向变形监测机构，且该三个变形监测机构均设置有位移放大单元和信号发射单元；这样当钢桁梁弦杆发生变形时，会使得相邻变形监测预警装置发生相对位移，且该位移在竖向、横向和纵向的分量将分别通过相应的齿条推动小齿轮旋转，再经同步设置的放大齿轮被放大η倍（η为放大齿轮分度圆直径与小齿轮分度圆直径之比）；然后在经过设置在放大齿条上的信号发射单元与终端设备的配合，判断出放大齿条的滑动距离，进而计算出小齿条的位移，即得到相邻装置的相对位移。也就是说，本发明能够对钢桁梁弦杆的变形进行实时、全方位（横向、竖向和纵向）的监测，并对超出预期的变形进行预警，以便及时对其进行维护，规避风险。
18.2、本发明还可将各个变形监测预警装置的相对位移累加求和，计算出弦杆挠度随纵向距离的变化曲线以作参考。
19.3、本发明原理简单、结构可靠、易于安装，通过调平装置能够确保测量的基准，有效的保障了测量数据的准确性。
附图说明
20.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本
发明的原理。
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本发明变形监测预警装置的整体结构示意图；图2是本发明变形监测预警装置中位移放大单元的结构示意图；图3是本发明变形监测预警装置中信号发射单元的结构示意图；图4是本发明电路开关划分子开关的结构示意图；图5是本发明电路的结构示意图；图6是本发明变形监测预警装置中位移传导机构的结构示意图；图7是本发明变形监测预警装置中调平机构的结构示意图；图8是本发明变形监测预警装置在钢桁梁弦杆上的分布结构示意图。
23.其中： 1为箱形壳体；2为位移放大单元；3为信号发射单元；4为齿条；4-1为第一齿条；4-2为第二齿条；4-3为第三齿条；5为位移传导机构；6为调平机构；21为转轴；21-1为第一转轴；21-2为第二转轴；21-3为第三转轴；22为齿轮；22-1为第一齿轮；22-2为第二齿轮；22-3为第三齿轮；23为放大齿轮；23-1为第一放大齿轮；23-2为第二放大齿轮；23-3为第三放大齿轮；24为放大齿条；24-1为第一放大齿条；24-2为第二放大齿条；24-3为第三放大齿条；31为天线盒；32为开关触发结构；33为排线；34为电路开关；51为卡接件；52为第一位移传导梁；53为第二位移传导梁；54为隔板；61为底座；62为升降调节杆；63为固定轴；64为轴承；65为连接件；66为垫片；67为调节螺母；321为悬臂支架；322为压缩弹簧；323为顶锥。
具体实施方式
24.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
25.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
26.参见图1～8所示，本发明一种钢桁梁弦杆三向变形监测预警装置，该变形监测预警装置沿钢桁梁弦杆a纵向布设且首尾相连，每个变形监测预警装置包括箱形壳体1，箱形壳体1内从左向右依次间距设置有横向变形监测机构、竖向变形监测机构以及纵向变形监测机构，以上三个变形监测预警装置的原理与构件均相同，而空间布置方式不同，以监测不同方向的位移，每个监测机构均包含位移放大单元2和信号发射单元3，用于将不同方向的变形量进行放大，同时通过信号发射单元3传输给终端设备（终端设备与信号发射单元3采用无线连接），当变形量超过终端设备设定阈值时，进行预警，以及时提醒相关人员对钢桁梁弦杆采取维护措施，消除安全隐患，保障桥梁安全运行。
27.其中，如图2所示，本发明变形监测预警装置中位移放大单元2包括转动设置于箱形壳体1上的转轴21，转轴21上同步设置有齿轮22和放大齿轮23，且放大齿轮23分度圆直径是齿轮22分度圆直径的η倍，其中η≥4，齿轮22与相对应监测机构设置的齿条4啮合，放大齿
轮23与放大齿条24啮合，即经过位移放大单元2后的变形量将被放大η倍，如本实施例将η倍数设定为5，具体放大倍数可根据实际情况进行设定，也就是说将被监测钢桁梁弦杆的变形位移（图中竖向、横向位移和纵向位移同理）放大了η倍，以便于微小位移的识别和信号发射单元3（电路系统）的布置，提高监测的精度。
28.如图3所示，本发明变形监测预警装置中信号发射单元3包括天线盒31、开关触发结构32、排线33和电路开关34以及电源，电源与天线盒31电连接为其供电，天线盒31内的天线通过排线33与电路开关34连接，电路开关34安装在放大齿条24齿的相对表面上，并按区域将放大齿条24的表面划分为若干个子开关区域，开关触发结构32与电路开关34任意区域子开关接触，利用天线盒31内的天线将开关触发结构32与电路开关34接触产生的相应信号发射给终端设备，终端设备接收信号后计算放大齿条24滑动距离，进而得出相对应方向的变形量，当变形量超过终端设备设定阈值时，进行预警。
29.具体的，每个开关触发结构32均包括悬臂支架321，悬臂支架321的一端与箱形壳体1的内表面固定连接，另一端设置有压缩弹簧322，其中压缩弹簧322的一部分受迫挤压在悬臂支架321端部预设的孔内，压缩弹簧322另一部分端部固定连接有顶锥323，顶锥323通过压缩弹簧322的挤压始终与电路开关34划分的子开关接触，即顶锥323位于放大齿条24齿的相对面的正上方。
30.本发明变形监测预警装置中电路开关34划分的子开关数量与天线盒31内的天线数量一一对应，以确保每根天线发射信号唯一，避免相互之间产生干扰，影响判读结果。具体的如附图4、5所示，本发明实施例电路开关34总共划分为15个子开关，并将其编号为x1～x7、x0和x1’～x7’，且x0位于放大齿条24齿的相对表面中间区域，x1～x7与x1’～x7’相对x0对称布设；相对应的天线盒31内设置有15根天线，并将其编号为 ant-x1～ant-x7、ant-x0、ant-x1’～ant-x7’，每根天线的编号与子开关的编号一一对应，如x0对应ant-x0。通过以上设置，每根天线都与相应的子开关建立连接，当顶锥323触发某处子开关时，此线路上的天线会发射相应信号给终端设备，终端设备通过接收该天线所发射的信号即计算出变形量，工作人员根据终端设备即可知晓此处的相对位移。
31.如图1、6所示，本发明还包括连接各个变形监测预警装置的位移传导机构5，其包括卡接在箱形壳体1纵向两侧的卡接件51，每个卡接件51两侧分别沿纵向设置有第一位移传导梁52和第二位移传导梁53，第一位移传导梁52与横向变形监测机构和竖向变形监测机构连接，用于传递横向和/或竖向位移，第二位移传导梁53与纵向变形监测机构连接，用于传递纵向位移。
32.具体的，本发明实施例的卡接件51的上下两端均设置有与箱形壳体1上下端凸起相配合的c型卡合部，且卡接件51与箱形壳体1的接触面均设置有用于限定两者产生相对位移的隔板54，优选的，隔板54采用四氟乙烯板，安装时要求箱形壳体1与卡接件51紧贴。
33.本发明实施例的横向变形监测机构、竖向变形监测机构和纵向变形监测机构布局如图1所示，本发明所描述的纵向为钢桁梁桥长度方向，横向为钢桁梁桥宽度方向，竖向为钢桁梁桥高度方向。其中，横向变形监测机构的第一转轴21-1垂直设置于箱形壳体1的底面上，第一转轴21-1的周向上同步设置有第一齿轮22-1和第一放大齿轮23-1，第一放大齿轮23-1和与其啮合的第一放大齿条24-1均靠近箱形壳体1底面设置；竖向变形监测机构的第二转轴21-2和纵向变形监测机构的第三转轴21-3均设置于箱形壳体1后表面上、且均与第
一转轴21-1垂直，第二转轴21-2的周向上同步设置有第二齿轮22-2和第二放大齿轮23-2，第三转轴21-3的周向上同步设置有第三齿轮22-3和第三放大齿轮23-3，第二放大齿轮23-2和与其啮合的第二放大齿条24-2以及第三放大齿轮23-3和与其啮合的第三放大齿条24-3均靠近箱形壳体1后表面设置，且第二放大齿条24-2靠近箱形壳体1的顶部、第三放大齿条24-3靠近箱形壳体1底部；第一位移传导梁52穿过箱形壳体1左侧预设的孔后、其中部下方的连接杆处设置有横向第一齿条4-1，横向第一齿条4-1与第一齿轮22-1啮合，同时第一位移传导梁52的端部设置有竖直第二齿条4-2，竖直第二齿条4-2与第二齿轮22-2啮合；第二位移传导梁53穿过箱形壳体1右侧预设的孔后、其端部下方设置有纵向第三齿条4-3，纵向第三齿条4-3与第三齿轮22-3啮合。通过以上设置后，第一位移传导梁52可将前一个变形监测预警装置的横向与竖向位移传递给后一个变形监测预警装置，同时第二位移传导梁53能够将后一个变形监测预警装置的纵向位移传递给前一个变形监测预警装置，从而通过多个该变形监测预警装置在弦杆上首尾相连实现对钢桁梁弦杆全方位（三向）的监测预警。
34.如图1、7所示，本发明变形监测预警装置还包括调平机构6，调平机构6固定安装于变形监测预警装置的顶部，包括竖向和横向两个方向的调整，用于调整该变形监测预警装置的相对位置，使开关触发结构32的顶锥323位于子开关x0区域，以便对监测数据的处理。
35.具体的，本实施例调平机构6包括底座61，底座61固定设置于箱形壳体1的顶部，底座61上部设置有竖直的升降调节杆62（只要能够实现竖直方向的上下调节功能即可），用于调节变形监测预警装置的竖向位移；升降调节杆62的顶端沿箱形壳体1横向设置有固定轴63，固定轴63的一端与钢桁梁弦杆a固定连接，固定轴63中部套设有能够沿其轴向滑动的轴承64，轴承64的外圈通过连接件65与升降调节杆62的顶端固定连接，固定轴63上、位于轴承64的两端分别设置有垫片66和调节螺母67，调节螺母67与固定轴63螺纹连接，通过两个调节螺母67与轴承64的配合，调节变形监测预警装置的横向位移。
36.基于以上钢桁梁弦杆三向变形监测预警装置，本发明还提供了一种安装方法，包括以下具体步骤：步骤一、按照设计尺寸要求，将横向变形监测机构、竖向变形监测机构以及纵向变形监测机构对应的转轴21、齿轮22、放大齿轮23和放大齿条24分别安装在箱形壳体1内相应位置，并使相应的放大齿轮23与放大齿条24啮合；步骤二、安装主要由天线盒31、开关触发结构32、排线33和电路开关34组成的信号发射单元3，并将天线盒31与电源连接；其中，天线盒31和排线33要求随同放大齿条24滑动；步骤三、安装位移传导机构5，将卡接件51套设在箱形壳体1的两侧，并在接触面设置隔板54，同时将第一位移传导梁52上设置的横向第一齿条4-1和竖直第二齿条4-2分别与相应的第一齿轮23-1和和第二齿轮23-2啮合，将第二位移传导梁53设置的纵向第三齿条4-3与第三齿轮23-3啮合；步骤四、组装好调平机构6，并通过调平机构6的底座61与箱形壳体1的顶部固定连接；步骤五、将若干个组装好的变形监测预警装置首尾相连并安装在钢桁梁弦杆a上，同时将调平机构6的固定轴63一端固定在钢桁梁弦杆a上；然后调节调平机构6的竖向和横向位置，如图8所示，使相邻变形监测预警装置的初始相对位移为零。
37.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发
明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
38.应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。