一种利用3D扫描方法的桥梁受力探测系统及模拟装置

技术领域

本发明属于工程施工技术领域，特别是涉及一种利用3D扫描方法的桥梁受力探测系统及模拟装置。

背景技术

在桥梁施工过程中，为了提前预知修建的桥梁构筑物在施工过程和实际应用时会产生哪些结构影响，通常会对构筑物进行结构间的受力分析，以避免施工过程中产生的某些不利因素；现有的受力探测分析方法通常是采用有限元软件仿真分析技术，这种技术虽然发展较快且已经相对成熟，但由于桥梁主梁材料和结构的特殊性，有限元软件在模拟主梁材料的力学性能上存在一定偏差；因此，在实际工作中，模型加载物理试验，仍是桥梁结构力学测试最直接、最准确的方法，对于桥梁结构的力学研究大都采用模型试验的物理验证方法，对桥梁结构构造进行模拟数据验证；同时由于桥梁等构筑物内部结构复杂多样，单纯地凭借图纸去还原模拟桥梁结构数据往往存在较大的误差，而3D扫描技术恰恰能够避免；因此，我们结合现有技术，设计了一种利用3D扫描方法的桥梁受力探测系统及模拟装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用3D扫描方法的桥梁受力探测系统及模拟装置，解决现有的有限元软件在模拟主梁材料的力学性能上存在一定偏差以及单纯地凭借图纸去还原模拟桥梁结构数据往往存在较大的误差的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种利用3D扫描方法的桥梁受力探测系统，包括数据采集模块、中控管理系统和实验分析模块，所述数据采集模块包括3D扫描仪、高频摄像机和红外热像仪，中控管理系统包括微型计算机、数模转换芯片、驱动电源和模拟水源，实验分析模块包括模拟装置、混凝土灌注模块和构件搭建模块；其中所述数据采集模块将采集到的桥梁实时的结构动态数据经数模转换芯片转换成数字信号后传输至微型计算机的处理器内，其中微型计算机内置数据处理软件和三维建模软件，将接收到的数字信号转换成数字信息和三维模型图纸显示出来；

上述技术特征中，3D扫描仪用于扫描桥梁桥体的结构组成及结构间的连接关系数据，高频摄像机用于拍摄桥梁桥体在动态负载和承受流水狂风等动态因素影响时的振动状态数据，红外成像仪用于采集桥梁桥体内部结构受压时的热量变化数据，三者测量数据相互综合即可完整呈现桥梁桥体在动态负载或承受动态因素影响时的结构变化数据；同时，本技术方案采用的桥梁受力探测及分析方式为，先探测桥梁实体结构数据，通过结构数据构建桥梁微缩模型，再利用实验分析模块对桥梁微缩模型施加等比例削弱版的动态影响因素，并利用数据采集模块采集桥梁微缩模型的动态结构数据，最后利用中控管理系统中的微型计算机对桥梁实体和模型的两组数据进行对比分析；在实际工作中，高频摄像机和红外成像仪还可利用XTDIC全场应变测量系统代替，可对桥梁结构在加载时的位移变化、裂纹扩张等情况进行较为准确的监测，即使用XTDIC系统连续拍摄数字图像，精确测量结构表面全场位移情况，从而获取箱梁全场的应变测量响应以及裂纹的张开情况，得到箱梁加载过程中全场变形、应变及裂纹宽度张开情况的准确试验数据；同时在XTDIC三维全场应变测量系统环境下，本技术方案对大桥主梁结构进行模型试验，通过在不同工况载荷作用下模型构件应力测试，实时测量模型构件的表面形貌、位移以及应变，分析主梁构件的应力和位移变化规律，进而研究主梁构件的应力分布、承载能力和传力机理等，以便于对桥梁主梁结构安全性和合理性做出参数评价。

所述混凝土灌注模块包括混凝土灌浆机、灌浆模具和连接件，构件搭建模块包括举升机和氩弧焊机；其中，工作人员根据所述微型计算机显示出的桥梁数字信息和三维模型图纸，利用包括混凝土灌浆机、灌浆模具和连接件搭建桥梁微缩模型；所述模拟装置对桥梁微缩模型施加包括水流、压力或拉力的动态变量，再通过数据采集模块将桥梁微缩模型的相关结构动态数据收集并传输至中控管理系统，微型计算机再将桥梁微缩模型的数据信息与桥梁实体的数据信息进行比较和分析。

一种利用3D扫描方法的桥梁受力探测模拟装置，包括模拟实验箱、恒流泵、桥梁微缩模型、负载模拟轴和传动箱，所述模拟实验箱为方形槽盒结构，其中一组相对两侧面均卡接固定有延长箱，另一组相对两侧面均卡接固定有工作箱，且所述工作箱和延长箱均与模拟实验箱连通；其中一所述工作箱一侧面栓接连通有注流管，另一工作箱一侧面栓接连通有排流管，所述排流管与注流管之间焊接连通有回流管，且回流管贯穿连通传动箱，并环绕于模拟实验箱的外部；所述注流管贯穿连通至恒流泵的内部，并与模拟水源连通；

结合前述技术特征，在使用模拟装置时，通过启动恒流泵能够将模拟水源中的水流通过注流管注入模拟实验箱中，而后通过排流管和回流管排出并回流至注流管处，实现模拟实验环境内部的水流循环，避免资源浪费。

所述桥梁微缩模型包括梁板、连接工件、牵拉墩、牵拉梁、牵拉索和支撑墩，其中若干梁板与若干连接工件交替组装构成桥面结构，且连接工件为“工”字形横梁结构，并设置于相邻两梁板之间；所述支撑墩栓接固定于梁板与模拟实验箱的底板之间；所述桥面结构中央位置上表面与牵拉墩栓接固定，且牵拉梁焊接固定于相对两牵拉墩之间；所述牵拉梁与若干梁板之间均通过牵拉索栓接固定；若干所述负载模拟轴设置于相对两牵拉墩之间，且负载模拟轴的相对两端均与延长箱旋转卡合；所述负载模拟轴周侧面滑动套接有负载杆，负载杆下端旋转轴接有滚压轮，且滚压轮的下缘与桥面结构上表面接触；其中滚压轮用于对桥面结构施加负载压力，模拟了桥面上方的行车实况。

所述桥面结构与模拟实验箱的底板之间还栓接固定有若干辅助墩，所述辅助墩周侧面旋转卡合有调节套，调节套周侧面焊接有限流板组；所述模拟实验箱下表面镶嵌有若干传动盒，所述传动盒内表面旋转轴接有调节轴和从动轴，其中调节轴与从动轴之间通过安装链轮链条构成链轮链条传动结构；所述调节轴设置于模拟实验箱的内部，且其相对两端均设置有调节蜗杆；所述调节套的下端焊接有从动蜗轮，且调节蜗杆与从动蜗轮啮合；所述模拟实验箱的下表面还栓接固定有驱动电机，驱动电机的输出轴一端机械连接有驱动蜗杆，且驱动蜗杆旋转贯穿传动盒；所述从动轴周侧面焊接有传动蜗轮，且传动蜗轮与驱动蜗杆啮合；

结合前述结构，当驱动电机启动时，利用驱动蜗杆带动传动蜗轮旋转，进而利用链轮链条传动结构带动调节轴旋转，并继续通过蜗轮蜗杆传动结构带动调节套和限流板组旋转，从而实现对恒定水流的限流或阻流，能够根据实际要求调整水流速度。

优选地，所述传动箱为壳体结构，其内表面旋转轴接有涡轮扇，且回流管内部的流体与涡轮扇相互配合；所述负载模拟轴的一端焊接有传动轮，且若干传动轮之间通过安装传动皮带构成皮带轮传动结构；其中一所述负载模拟轴与涡轮扇的旋轴之间通过安装链轮链条构成链轮链条传动结构，所述负载模拟轴与负载杆之间通过开设螺纹槽构成往复丝杠结构；

结合前述结构，在模拟实验箱中的水流进行回流时，水流冲击涡轮扇，并通过链轮链条传动结构带动负载模拟轴旋转，进而利用往复丝杠结构带动负载杆沿负载模拟轴往复滑动，从而实现滚压轮对桥面结构的反复滚压。

优选地，所述负载杆为伸缩杆结构，包括固定套和压杆；所述压杆上表面焊接有压板，且压板设置于固定套内部，并与固定套内表面粘连有压簧；所述固定套内表面粘连有驱动块，其中驱动块为电磁体，压板为永磁体，且在驱动块通电时与压板磁性相斥；

结合前述结构，当对驱动块施加不同大小的电流时，其产生不同大小的磁场，进而利用磁斥力下压压板和压杆，从而使滚压轮对桥面结构施加不同大小的压力。

优选地，所述牵拉索为复合套索结构，包括连接套和牵引索，且牵引索滑动嵌套于连接套的内部；所述牵拉梁内部安装有拉力传感器，所述连接套的一端与牵拉梁焊接固定；所述牵引索一端与梁板栓接固定，另一端焊接有拉簧，且拉簧与拉力传感器焊接固定；当桥梁微缩模型受到水流冲击、负载增大等外部动态因素的影响时，桥面结构中的梁板同时产生对应的振动，进而利用牵引索对拉力传感器施加不同的拉力。

优选地，所述限流板组包括截流板和阻流板，两者相互垂直安装；所述限流板组的数量包括四组，其中相邻两组限流板组以桥面结构中央位置横向对称排布，相对两组限流板组以桥面结构中央位置纵向对称排布；相邻两所述截流板之间存在空隙；所述阻流板为齿板结构，且相对两所述阻流板之间相互咬合；结合前述结构，通过启动驱动电机，能够利用限流板组对恒定水流造成不同效果的限流或阻流影响，进而实现对模拟实验箱内部水流流速的调节。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过设置包含3D扫描仪、高频摄像机和红外成像仪的数据采集模块，能够从多方面对桥梁桥体在动态负载或承受动态因素影响时的结构变化数据进行采集；同时在本受力探测系统中，数据采集模块还对桥梁微缩模型的相关数据进行采集，而后将其与桥梁实体的数据进行对比分析，使得分析结果更加准确和科学；

本发明还通过设计包含桥梁微缩模型的受力探测模拟装置，以模型加载物理实验的方式对桥梁受力状况及内部结构间的动态变化进行科学探测，使得探测结果与实际情况之间的偏差降到最低。大大提高了受力探测分析的准确性。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种利用3D扫描方法的桥梁受力探测模拟装置的组装结构图；

图2为本发明的一种利用3D扫描方法的桥梁受力探测模拟装置的俯视图；

图3为图2中剖面A-A的结构示意图；

图4为图3中B部分的局部展示图；

图5为图3中剖面C-C的结构示意图；

图6为图5中E部分的局部展示图；

图7为图5中F部分的局部展示图；

图8为图3中剖面D-D的结构示意图；

图9为图8中G部分的局部展示图；

图10为图8中剖面H-H的结构示意图；

图11为图10中J部分的局部展示图；

图12为图8中剖面I-I的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、模拟实验箱；2、恒流泵；3、负载模拟轴；4、传动箱；5、延长箱；6、工作箱；7、注流管；8、排流管；9、回流管；10、梁板；11、连接工件；12、牵拉墩；13、牵拉梁；14、牵拉索；15、支撑墩；16、负载杆；17、滚压轮；18、辅助墩；19、调节套；21、传动盒；22、调节轴；23、从动轴；24、调节蜗杆；25、从动蜗轮；26、驱动电机；27、驱动蜗杆；28、传动蜗轮；29、涡轮扇；30、传动轮；31、固定套；32、压杆；33、压板；34、压簧；35、驱动块；36、连接套；37、牵引索；38、拉力传感器；39、拉簧；40、截流板；41、阻流板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-图12所示，本发明为一种利用3D扫描方法的桥梁受力探测系统，包括数据采集模块、中控管理系统和实验分析模块，数据采集模块包括3D扫描仪、高频摄像机和红外热像仪，中控管理系统包括微型计算机、数模转换芯片、驱动电源和模拟水源，实验分析模块包括模拟装置、混凝土灌注模块和构件搭建模块；其中数据采集模块将采集到的桥梁实时的结构动态数据经数模转换芯片转换成数字信号后传输至微型计算机的处理器内，其中微型计算机内置数据处理软件和三维建模软件，将接收到的数字信号转换成数字信息和三维模型图纸显示出来；

上述技术特征中，3D扫描仪用于扫描桥梁桥体的结构组成及结构间的连接关系数据，高频摄像机用于拍摄桥梁桥体在动态负载和承受流水狂风等动态因素影响时的振动状态数据，红外成像仪用于采集桥梁桥体内部结构受压时的热量变化数据，三者测量数据相互综合即可完整呈现桥梁桥体在动态负载或承受动态因素影响时的结构变化数据；同时，本技术方案采用的桥梁受力探测及分析方式为，先探测桥梁实体结构数据，通过结构数据构建桥梁微缩模型，再利用实验分析模块对桥梁微缩模型施加等比例削弱版的动态影响因素，并利用数据采集模块采集桥梁微缩模型的动态结构数据，最后利用中控管理系统中的微型计算机对桥梁实体和模型的两组数据进行对比分析；在实际工作中，高频摄像机和红外成像仪还可利用XTDIC全场应变测量系统代替，可对桥梁结构在加载时的位移变化、裂纹扩张等情况进行较为准确的监测，即使用XTDIC系统连续拍摄数字图像，精确测量结构表面全场位移情况，从而获取箱梁全场的应变测量响应以及裂纹的张开情况，得到箱梁加载过程中全场变形、应变及裂纹宽度张开情况的准确试验数据；同时在XTDIC三维全场应变测量系统环境下，本技术方案对大桥主梁结构进行模型试验，通过在不同工况载荷作用下模型构件应力测试，实时测量模型构件的表面形貌、位移以及应变，分析主梁构件的应力和位移变化规律，进而研究主梁构件的应力分布、承载能力和传力机理等，以便于对桥梁主梁结构安全性和合理性做出参数评价。

混凝土灌注模块包括混凝土灌浆机、灌浆模具和连接件，构件搭建模块包括举升机和氩弧焊机；其中，工作人员根据微型计算机显示出的桥梁数字信息和三维模型图纸，利用包括混凝土灌浆机、灌浆模具和连接件搭建桥梁微缩模型；模拟装置对桥梁微缩模型施加包括水流、压力或拉力的动态变量，再通过数据采集模块将桥梁微缩模型的相关结构动态数据收集并传输至中控管理系统，微型计算机再将桥梁微缩模型的数据信息与桥梁实体的数据信息进行比较和分析。

一种利用3D扫描方法的桥梁受力探测模拟装置，包括模拟实验箱1、恒流泵2、桥梁微缩模型、负载模拟轴3和传动箱4，模拟实验箱1为方形槽盒结构，其中一组相对两侧面均卡接固定有延长箱5，另一组相对两侧面均卡接固定有工作箱6，且工作箱6和延长箱5均与模拟实验箱1连通；其中一工作箱6一侧面栓接连通有注流管7，另一工作箱6一侧面栓接连通有排流管8，排流管8与注流管7之间焊接连通有回流管9，且回流管9贯穿连通传动箱4，并环绕于模拟实验箱1的外部；注流管7贯穿连通至恒流泵2的内部，并与模拟水源连通；

结合前述技术特征，在使用模拟装置时，通过启动恒流泵2能够将模拟水源中的水流通过注流管7注入模拟实验箱1中，而后通过排流管8和回流管9排出并回流至注流管7处，实现模拟实验环境内部的水流循环，避免资源浪费。

桥梁微缩模型包括梁板10、连接工件11、牵拉墩12、牵拉梁13、牵拉索14和支撑墩15，其中若干梁板10与若干连接工件11交替组装构成桥面结构，且连接工件11为“工”字形横梁结构，并设置与相邻两梁板10之间；支撑墩15栓接固定于梁板10与模拟实验箱1的底板之间；桥面结构中央位置上表面与牵拉墩12栓接固定，且牵拉梁13焊接固定于相对两牵拉墩12之间；牵拉梁13与若干梁板10之间均通过牵拉索14栓接固定；若干负载模拟轴3设置于相对两牵拉墩12之间，且负载模拟轴3的相对两端均与延长箱5旋转卡合；负载模拟轴3周侧面滑动套接有负载杆16，负载杆16下端旋转轴接有滚压轮17，且滚压轮17的下缘与桥面结构上表面接触；其中滚压轮17用于对桥面结构施加负载压力，模拟了桥面上方的行车实况。

桥面结构与模拟实验箱1的底板之间还栓接固定有若干辅助墩18，辅助墩18周侧面旋转卡合有调节套19，调节套19周侧面焊接有限流板组；模拟实验箱1下表面镶嵌有若干传动盒21，传动盒21内表面旋转轴接有调节轴22和从动轴23，其中调节轴22与从动轴23之间通过安装链轮链条构成链轮链条传动结构；调节轴22设置于模拟实验箱1的内部，且其相对两端均设置有调节蜗杆24；调节套19的下端焊接有从动蜗轮25，且调节蜗杆24与从动蜗轮25啮合；模拟实验箱1的下表面还栓接固定有驱动电机26，驱动电机26的输出轴一端机械连接有驱动蜗杆27，且驱动蜗杆27旋转贯穿传动盒21；从动轴23周侧面焊接有传动蜗轮28，且传动蜗轮28与驱动蜗杆27啮合；

结合前述结构，当驱动电机26启动时，利用驱动蜗杆27带动传动蜗轮28旋转，进而利用链轮链条传动结构带动调节轴22旋转，并继续通过蜗轮蜗杆传动结构带动调节套19和限流板组旋转，从而实现对恒定水流的限流或阻流，能够根据实际要求调整水流速度。

优选地，传动箱4为壳体结构，其内表面旋转轴接有涡轮扇29，且回流管9内部的流体与涡轮扇29相互配合；负载模拟轴3的一端焊接有传动轮30，且若干传动轮30之间通过安装传动皮带构成皮带轮传动结构；其中一负载模拟轴3与涡轮扇29的旋轴之间通过安装链轮链条构成链轮链条传动结构，负载模拟轴3与负载杆16之间通过开设螺纹槽构成往复丝杠结构；

结合前述结构，在模拟实验箱1中的水流进行回流时，水流冲击涡轮扇29，并通过链轮链条传动结构带动负载模拟轴3旋转，进而利用往复丝杠结构带动负载杆16沿负载模拟轴3往复滑动，从而实现滚压轮17对桥面结构的反复滚压。

优选地，负载杆16为伸缩杆结构，包括固定套31和压杆32；压杆32上表面焊接有压板33，且压板33设置于固定套31内部，并与固定套31内表面粘连有压簧34；固定套31内表面粘连有驱动块35，其中驱动块35为电磁体，压板33为永磁体，且在驱动块35通电时与压板33磁性相斥；

结合前述结构，当对驱动块35施加不同大小的电流时，其产生不同大小的磁场，进而利用磁斥力下压压板33和压杆32，从而使滚压轮17对桥面结构施加不同大小的压力。

优选地，牵拉索14为复合套索结构，包括连接套36和牵引索37，且牵引索37滑动嵌套于连接套36的内部；牵拉梁13内部安装有拉力传感器38，连接套36的一端与牵拉梁13焊接固定；牵引索37一端与梁板10栓接固定，另一端焊接有拉簧39，且拉簧39与拉力传感器38焊接固定；当桥梁微缩模型受到水流冲击、负载增大等外部动态因素的影响时，桥面结构中的梁板10同时产生对应的振动，进而利用牵引索37对拉力传感器38施加不同的拉力。

优选地，限流板组包括截流板40和阻流板41，两者相互垂直安装；限流板组的数量包括四组，其中相邻两组限流板组以桥面结构中央位置横向对称排布，相对两组限流板组以桥面结构中央位置纵向对称排布；相邻两截流板40之间存在空隙；阻流板41为齿板结构，且相对两阻流板41之间相互咬合；结合前述结构，通过启动驱动电机26，能够利用限流板组对恒定水流造成不同效果的限流或阻流影响，进而实现对模拟实验箱1内部水流流速的调节。

结合本技术方案，本发明中的一种利用3D扫描方法的桥梁受力探测系统的完整探测分析步骤包括：

步骤一、利用数据采集模块对桥梁实体的实时结构动态数据采集下来，包括桥梁桥体的结构组成及结构间的连接关系数据、桥梁桥体在动态负载和承受流水狂风等动态因素影响时的振动状态数据，以及桥梁桥体内部结构受压时的热量变化数据；而后将综合得到的数据经数模转换芯片转换成数字信号后传输至微型计算机的处理器内，微型计算机内置数据处理软件和三维建模软件，将接收到的数字信号转换成数字信息和三维模型图纸显示出来；

步骤二、根据步骤一中得到的桥梁桥体的结构组成及结构间的连接关系数据，通过人工操作或自动化机械操作分别对梁板10、连接工件11进行混凝土灌浆操作，而后利用举升机、氩弧焊机等设备将桥梁微缩模型组装搭建起来；

步骤三、利用模拟实验箱1、恒流泵2、负载模拟轴3和传动箱4对桥梁微缩模型分别施加不同的外部动态因素，并再次利用数据采集模块对其结构动态变化数据进行采集，而后继续上传至微型计算机内，并与桥梁实体的相关数据进行比对分析。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所述技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。