本发明涉及精密测量技术领域，具体为一种可手动整平的高精度竖向位移测量仪器；尤其是适用于桥梁支座更换中竖向位移监测的可手动整平的高精度竖向位移测量仪器。
背景技术：
桥梁上部结构与墩台之间需设置支座，其作用是将桥跨结构上的各种荷载反力传递到墩台上，同时保证桥跨结构所要求的位移和转动(即保证结构在活载、温度变化、混凝土收缩与徐变等因素下的自由变形)，使上、下部结构的实际受力情况与计算的理论图式相符合。
但在长期使用的过程中，支座很可能发生诸如剪切超限、支座脱空、局部承压及材料劣化等病害，其传递荷载、顺应变形的能力将下降甚至消失，直接影响结构安全，需对病害支座及时更换以恢复其原有功能。
目前常规的桥梁支座更换技术按照一次施工更换支座数量的多少，可以分为同步顶升技术与单支座更换技术两大类，而同步顶升技术依据顶升方法的不同，又可进一步细分为整联跨同步顶升法、简单直接顶升法、鞍型支架法、钢扁担梁法及桥面钢导梁法等。不过，无论以上技术在细节上差异如何，其技术要点都包含梁体顶升、更换支座和落梁三个方面。
实际操作中，为防止梁体开裂或破坏，支座更换时并非一步顶升到位，而是采取分级顶升的策略，每次顶升高度不超过1mm，并采用顶升位移与顶升力双指标控制。在理想工作状态下，该施工方法对结构的受力状态影响较小，但实际施工中，由于许多不确定因素的影响，会导致结构出现附加应力，致使结构受力状态发生改变，进而导致结构损伤甚至梁体破坏。根据实际情况，上文所提及的不确定因素归纳如下：
⑴结构使用一段时期后，下部结构可能出现不同程度的沉降差，或者由于施工期间超方等因素，实际结构支座反力与其理论值之间将会存在偏差，导致理论顶升力与实际顶升力不符，进而影响各支点的位移同步性；
⑵梁下净空较小，可操作空间受千斤顶、临时支撑尺寸等因素的制约，对支座上下调平层的施工带来很大困难，从而直接影响到支座更换前后高差的控制；
⑶梁体在顶升以及落梁阶段，由于设备的原因，顶升速率可能存在差异，将导致梁体出现相对位移差，过大的位移差，将在上部结构中产生不利的附加应力；
⑷桥梁顶升后，墩顶桥面连续段在顶升强迫位移作用下有可能出现开裂，进而影响桥梁耐久性；
因此，在顶升梁体过程中必须采取严密的监测措施，及时掌控梁体在顶升过程中的状态变化，其中最重要的是顶升位移与顶升力两个指标。
其中，顶升力可直接由千斤顶机电设备读取，顶升位移则需另外获取。监测时，由于上文所述原因，竖向位移测量精度要求达到0.1mm级(江苏交通控股有限公司文件《自平衡反压式单支座更换技术质量评定标准》规定：更换前后梁体高度偏差≤0.5mm。并特别注明：所列数值均指在支座更换完毕的检测指标，实际施工中的控制指标均须高于该指标，才能确保支座更换结束后的检测结果满足以上标准)，对测量仪器及方法提出了较高的要求。
目前常用的测量仪器及方法是：
⑴位移传感器
顶升设备一般配备位移传感器与控制系统连接，位移传感器的分辨率要求不低于0.05mm(《公路桥梁橡胶支座更换技术规程(db32/t2173-2012)》)，但安装过程中，位移传感器(一般为拉绳位移传感器)是否竖直，全凭人的视力，难以控制，实际中往往出现位移传感器安装歪斜而导致实际顶升位移与控制系统中设置的数值相差较大的不良结果。且拉绳位移传感器在施工中极易被触碰，从而导致后续监测无法进行。因此，顶升系统自带的竖向位移监测设备(即此处的位移传感器)不能满足施工要求，必须采取更加准确的监测手段。
⑵百分表
百分表的优点是测量精度高，可达0.01mm，但其缺点也是很明显的：存在较大回程误差，测量准确度受到影响；以人的视觉观察为准，难以保证测杆轴线完全竖直；磁性台架与铁或钢面的粘接不够牢固；无论是百分表还是磁性台架，施工中均易被触碰，从而导致测量失败。
⑶激光测距仪
激光测距仪的优点是测读快速、极为便捷，但是测量精度低，仅为1mm，同时也存在难以保证测量光束完全竖直的缺点，误差较大。此外，放置激光测距仪的位置既需保证严格水平，还需保证靠近支座且不能在施工中被灌浆料覆盖，存在较大难度。而一旦之前选定的测读位置在施工中被灌浆料覆盖，则测量的基准标高发生了变化，后续监测也就失去了意义。
⑷刻度尺
所谓的刻度尺测读，是指在被测量体表面画刻度线，用角尺测量。其刻度线的绘制可以用水准尺在一定程度上保证一个方向上的竖直，但由于刻度线画在盖梁或主梁的侧面，高度依赖于盖梁或主梁的施工工艺，即盖梁或主梁的侧面难以保证竖直，而且直尺的测量精度只有0.5mm，误差较大。但其优点是测读几乎不受施工影响。
因此，在桥梁顶升与落下的过程中，就测量精度而言，位移传感器与百分表可以满足要求，就测量时的竖直度而言，则均不能完全保证，就测量的抗干扰能力而言，仅刻度尺可以满足。因此，上述测量仪器均不能满足竖向位移监测的要求，在支座更换施工控制过程中，需要着重保证以下三点：
⑴位移测量仪器在测量过程中必须保持测量轴/读数轴(一般来说，位移测量仪器需符合阿贝原则，即测量轴与读数轴共线)竖直；
⑵测量精度需达到0.1mm；
⑶测量仪器及测读过程不受支座更换施工的影响。
技术实现要素：
为了克服支座更换施工中现有竖向位移监测手段中存在的测量精度不高、测量轴难保竖直及易受干扰的缺点，本发明提供一种可手动整平的高精度竖向位移测量仪器，该测量仪器可以方便的实现测量轴的竖直，并能保证0.1mm的精度要求，同时，还能保证测量仪器施工中保持在原位。具有结构简单、使用方便、测读精准及不被扰动等优点。
本发明公开了一种可手动整平的高精度竖向位移测量仪器，所述仪器包括整平装置、测量装置、固定装置；
所述整平装置包括由上至下依次设置的固定框架、圆水准器、顶盘、脚螺旋及柱脚；所述固定框架的底部连接顶盘，所述顶盘的底部连接柱脚，所述柱脚包括上柱脚、下柱脚，所述柱脚上设有脚螺旋；脚螺旋与上柱脚为螺纹连接；脚螺旋与下柱脚为转轴连接；下柱脚中空、内部刻有螺纹；
所述固定框架包括上固定盘、三根固定柱，所述固定柱的顶部连接上固定盘，所述固定柱的底部连接顶盘，所述上固定盘的中心处设有螺孔；所述螺孔的内壁螺纹与测量装置的固定刻度前端的螺纹相吻合；
所述测量装置包括由上至下依次设置的螺杆、固定刻度、可动刻度、微分筒及微调旋钮；所述螺杆穿过所述固定框架的上固定盘的中心处的螺孔；所述固定刻度位于上固定盘的下方；
所述固定装置为一体成型的固定架；所述固定架包括竖向钢板、水平钢板，所述竖向钢板与水平钢板互相垂直，并在两个钢板之间设置斜撑形成“三角形”框架；竖向钢板上钻有两排共四个孔洞，采用螺栓将竖向钢板与盖梁或桥台前壁连接在一起，水平钢板上也有三个孔洞，所述整平装置的三根下柱脚对准水平钢板上的三个孔洞，并用螺丝将下柱脚与水平钢板固定。
本发明的进一步的技术方案是，测量装置包括螺杆、螺母、棘轮、固定刻度、可动刻度、微分筒及微调旋钮。固定好测量装置后，沿正方向旋转微分筒一周，则螺杆在螺母中旋转一周，螺杆便沿着旋转轴线方向前进一个螺距的距离。此时，沿轴线方向移动的微小距离，就能用圆周上的读数表示出来。该装置的精密螺纹的螺距为1mm，可动刻度有10个等分刻度，可动刻度旋转一周，螺杆可前进或后退1mm，因此每沿正方向旋转一个小分度，相当于螺杆前进1/10＝0.1mm，所以该装置可准确读数到0.1mm。继续沿正方向旋转微分筒，螺杆前进，接近梁底时，改为旋转微调旋钮，直至棘轮发出“咔咔”的响声，记录读数，即固定刻度上读整毫米数α，由可动刻度读格数β并估读一位γ，再分别乘以0.1与0.01，所测竖向距离为三者之和，即(α.βγ)mm，此读数即为顶升或落梁前的竖向位移初读数。
本发明的进一步的技术方案是，圆水准器为玻璃容器，容器内设有气泡；圆水准器的上面有同心圆的刻划；圆水准器的上盖的内表面是圆球形，同心圆圆心处的曲率半径即为圆水准器轴，当“气泡居中”时，则圆水准器轴竖直。
本发明的进一步的技术方案是，上柱脚与脚螺旋间为螺纹连接，下柱脚与脚螺旋间为转轴连接，以此实现转动脚螺旋时上柱脚与脚螺旋的相对位置发生变化，而下柱脚与脚螺旋的相对位置不发生变化。优选的，下柱脚均为中空，内部刻有螺纹，安装时，将三个下柱脚对准固定装置水平钢板上的三个孔洞，将螺丝从孔洞底部拧进，从而将整平装置安装到固定装置上。使用时，通过转动三个脚螺旋，并使圆水准器中的气泡居中，从而达到整平的功能。
本发明的进一步的技术方案是，固定装置的竖向钢板上钻有两排共四个孔洞，用螺栓穿过该孔，将其与盖梁或桥台前壁连接在一起。同时，水平钢板上也有三个孔洞，将这些孔洞与整平装置的下柱脚对准，用螺丝对准孔洞与下柱脚内壁的螺纹并拧紧，从而将固定装置与整平装置连接在一起。
本发明所述的高精度竖向位移测量仪器，主要是利用了螺旋整平与螺旋副原理，可以起到保证测量轴竖直与测量精度足够的效果，与其他竖向位移测量仪器相比，有益效果如下：
⑴不同于以往的测量(距)仪器单一地从提高测量精度的角度出发以提高测量准确度，本发明利用螺旋整平的原理，实现了测量轴的竖直，从而避免了依靠人视觉调平所造成的误差，极大地保证了测量结果的准确性；
⑵采用螺旋副原理，轻松地将测量精度提高到0.1mm，大大优于激光测距仪与刻度尺；
⑶若应用到其他竖向位移测量领域，可以通过调节精密螺纹螺距与可动刻度等分数，实现更高的测量精度；
⑷不同于磁吸式台架存在容易滑动、碰倒的缺点，此处固定装置采用螺丝固定，更加稳定可靠。
附图说明
图1是本发明整平装置部分结构示意图(安装前)
图2是本发明测量装置部分结构示意图(安装前)
图3是本发明固定装置部分结构示意图(安装前)
图4是本发明的结构示意图(使用状态)
图5是本发明手动整平示意图；
图6是本发明手动整平状态示意图。
其中：1、整平装置；11、固定框架；12、上固定盘；13、固定柱；14、圆水准器；15、顶盘；16、脚螺旋；17、上柱脚；18、下柱脚；
2、测量装置；21、螺杆；22、固定刻度；23、可动刻度；24、微分筒；25、微调旋钮；
3、固定装置；31、竖向钢板；32、水平钢板；33、斜撑。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
如图1-6所示的一种可手动整平的高精度竖向位移测量仪器，仪器包括整平装置1、测量装置2、固定装置3；
整平装置1包括由上至下依次设置的固定框架11、圆水准器14、顶盘15、脚螺旋16及柱脚；固定框架11的底部连接顶盘15，顶盘15的底部连接柱脚，柱脚包括上柱脚17、下柱脚18，柱脚上设有脚螺旋16；圆水准器14为玻璃容器，容器内设有气泡；圆水准器14的上面有同心圆的刻划；圆水准器14的上盖的内表面是圆球形，同心圆圆心处的曲率半径即为圆水准器14轴，当“气泡居中”时，则圆水准器14轴竖直。脚螺旋16与其上柱脚17，实为一螺旋副，转动脚螺旋16，则两者相对位置发生变化、该点高度得到调节。上柱脚17与脚螺旋16间为螺纹连接，下柱脚18与脚螺旋16间为转轴连接，以此实现转动脚螺旋16时上柱脚17与脚螺旋16的相对位置发生变化，而下柱脚18与脚螺旋16的相对位置不发生变化。此外，下柱脚18均为中空，内部刻有螺纹，安装时，将三个柱脚对齐固定装置3水平钢板32上的三个孔洞，将螺丝从孔洞底部拧进，从而将整平装置1安装到固定装置3上。使用时，通过转动三个脚螺旋16，并使圆水准器14中的气泡居中，从而达到整平的功能。
固定框架11包括上固定盘12、三根固定柱13，固定柱13的顶部连接上固定盘12，固定柱13的底部连接顶盘15，上固定盘12的中心处设有螺孔；
固定装置3为一体成型的固定架；固定架包括竖向钢板31、水平钢板32，竖向钢板31与水平钢板32互相垂直，并在两个钢板之间设置斜撑33形成“三角形”框架；竖向钢板31上钻有两排共四个孔洞，采用螺栓将竖向钢板31与盖梁或桥台前壁连接在一起，水平钢板32上也有三个孔洞，所述整平装置1的三根下柱脚18对准水平钢板32上的三个孔洞，并用螺丝将下柱脚18与水平钢板32固定。
测量装置2包括由上至下依次设置的螺杆21、固定刻度22、可动刻度23、微分筒24及微调旋钮25；螺杆21穿过所述固定框架11的上固定盘12的中心处的螺孔；固定刻度22位于上固定盘12的下方。
具体的实施方式如下：
某30m装配式小箱梁桥(简支转连续，3跨1联)需更换支座，施工时采用同步顶升技术，一次更换1排(桥台与中间墩)或2排(过渡墩)支座，更换过程中拟采用本发明来实现对竖向位移的监测。
前期准备：
⑴物资准备：
准备好本发明各个部分、铅笔、水准尺、钻机、螺杆、螺丝、调平胶等；
⑵工序准备：
于支座中心线所对应的盖梁或桥台前壁处，选择合适的高度(根据装置与顶升高度选取)画水平线，以此线所在水平面为固定装置上顶面，描出竖向钢板上的固定孔洞并钻孔；
安装本发明：
⑴组装本发明：
将测量装置固定刻度前端的螺纹拧进整平装置固定框架中央的螺孔，则测量装置与整平装置组装完成；
⑵固定本发明：
①将固定装置通过螺杆固定到盖梁或桥台前壁上，如果前壁较为不平整，可用调平胶粗略找平；
②将组装后的整平-测量装置下柱脚对准固定装置水平钢板上的孔洞，从下方用螺丝拧紧，则整个体系安装完成。
使用本发明：
⑴手动整平：
按照图5所示方式转动脚螺旋使得气泡居中；
⑵测量读数：
①顶升前，旋转微分筒，螺杆前进，接近梁底时，改为旋转微调旋钮，直至棘轮发出“咔咔”的响声，记录读数。此时，观察到固定刻度上读整毫米数1，由可动刻度读格数6并估读一位3，再分别乘以0.1与0.01，则所测竖向距离为三者之和，即1mm 6×0.1mm 3×0.01mm＝1.63mm，此读数即为顶升前的竖向位移初读数，读数时注意视线需与刻度表面垂直；
②一次读数完成后，旋转微分筒，使测量装置复位；
③再次顶升后，重复上述测量读数步骤，记录读数，此时为2.51mm，则两者之差即为此次顶升的竖向位移大小，即0.88mm。我们发现，这与控制系统中显示的的1.1mm顶升位移存在一定差距，这个差距可能是设备原因、也可能是人为原因(位移传感器歪斜)造成的，而本发明的目的就是为了纠正这种误差，得到最真实的结果，这个目的在这里已经达成；
④落梁时也遵循上述步骤中的读数方法。
拆卸保存本发明：
①拧下整平-测量装置下柱脚下的螺丝，将整平-测量装置与固定装置分离；
②拧下测量装置，将测量装置与整平装置分离；
③拧出螺杆，将固定装置与盖梁或桥台分离；
④清洁并装入保护盒内。
本发明的工作原理如下：
⑴测量功能实现技术方案
该部分利用螺旋副原理，将螺杆的旋转运动变成直线位移，即螺杆在螺母中旋转一周，螺杆便沿着旋转轴线方向前进或后退一个螺距的距离。因此，沿轴线方向移动的微小距离，就能用圆周上的读数表示出来。该装置的精密螺纹的螺距为1mm，可动刻度有10个等分刻度，可动刻度旋转一周，螺杆可前进或后退1mm，因此旋转每个小分度，相当于螺杆前进或后退1/10＝0.1mm，所以该装置可准确读数到0.1mm。
顶升或落梁前，旋转微分筒，螺杆前进，接近梁底时，改为旋转微调旋钮，直至棘轮发出“咔咔”的响声，记录读数，即固定刻度上读整毫米数α，由可动刻度读格数β并估读一位γ，再分别乘以0.1与0.01，所测竖向距离为三者之和，即(α.βγ)mm，此读数即为顶升或落梁前的竖向位移初读数。一次读数完成后，旋转微分筒，使测量装置复位。再次顶升或落梁后，重复上述测量读数步骤，记录读数，两者之差即为此次顶升或落梁的竖向位移大小。
⑵手动整平功能实现技术方案
该功能主要依靠圆水准器与脚螺旋两个部件实现。圆水准器是个玻璃容器，上面有同心圆的刻划。上盖的内表面是圆球形，同心圆圆心处的曲率半径即为圆水准器轴，当“气泡居中”时，则圆水准器轴竖直。设计、制造及安装过程中，需保证圆水准器轴与测量轴平行，如此调节圆水准器轴竖直便可保证测量轴也竖直。其中，转动脚螺旋，可使气泡居中，具体操作如图5所示。脚螺旋与其上柱脚，实为一螺旋副，转动脚螺旋，则两者相对位置发生变化、该点高度得到调节，从而达到整平的目的。
⑶制造安装技术方案
①固定装置部分：由于本仪器主要用于支座更换过程中的竖向位移监测，该工况要求测读的部位需尽量接近支座，但考虑到施工方便并尽量减小施工中对测读装置的影响(施工时需钻除原有垫石并浇筑新的垫石)，一般将该位置选为盖梁或桥台前壁所在平面与支座轴线所在竖直平面的交线，即测量盖梁或桥台前壁处梁底位移，此位置距离支座较近又不妨碍施工，是较为理想的位置。考虑到上文所述的原因，此处需要足够稳固的台架用以支撑测量装置。该固定装置由一对相互垂直的钢板组成，并设置斜撑形成“三角形”框架，从而使得结构更加稳定。竖向钢板上钻有两排共四个孔洞，以便用螺栓将其与盖梁或桥台前壁连接在一起。同时，水平钢板上也有三个孔洞，这些孔洞是用来固定整平装置的，具体用途将在下文讲述。
②整平装置部分：该装置的柱脚分为两部分：上柱脚与下柱脚(如图1)。其中，上柱脚与脚螺旋间为螺纹连接，下柱脚与脚螺旋间为转轴连接，以此实现转动脚螺旋时上柱脚与脚螺旋的相对位置发生变化，而下柱脚与脚螺旋的相对位置不发生变化。此外，下柱脚均为中空，内部刻有螺纹，安装时，将三个柱脚对齐固定装置水平钢板上的三个孔洞，将螺丝从孔洞底部拧进，从而将整平装置安装到固定装置上。使用时，通过转动三个脚螺旋，并使圆水准器中的气泡居中，从而达到整平的功能。
③实际操作时，在安装完固定装置后，应首先将测量装置与整平装置固定好。整平装置上部的固定框架中心有一螺孔，其内壁螺纹与测量装置固定刻度前端柱体表面的螺纹相吻合，只需将测量装置与整平装置固定框架上的螺孔对准并拧紧，即可完成二者的组合。再将二者的组合体与固定装置拼合，则整个装置便安装到位。
本发明所述测量装置，使用注意事项如下：
⑴整平装置上的固定框架柱撑与脚螺旋在一条轴线上，并且固定框架柱撑与其横梁互相垂直，螺孔轴线与横梁垂直、与柱撑平行，以此保证整平装置与测量装置在安装后的整平调整中，其轴线变动是一致的，是符合阿贝原则的；
⑵为了防止盖梁或桥台前壁不是平整的竖直面，在安装台架时，需用调平胶过渡，填补空隙、粗略找平；
⑶固定装置水平钢板上的三个孔洞需与整平装置脚螺旋上的三个柱脚相对应，并且，需要注意的是，下柱脚内部需钻有螺纹孔；
⑷为了防止螺杆与梁底接触过多被磨坏，可在梁底待测位置粘贴金属制小砧，小砧应表面光滑；
⑸测量时，不能一直旋转微分筒直至螺杆与梁底接触，而需在接近梁底时，旋转微调旋钮，直至棘轮发出“咔咔”的响声，记录读数。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
1.一种可手动整平的高精度竖向位移测量仪器，其特征在于：所述仪器包括整平装置(1)、测量装置(2)、固定装置(3)；
所述整平装置(1)包括由上至下依次设置的固定框架(11)、圆水准器(14)、顶盘(15)、脚螺旋(16)及柱脚；所述固定框架(11)的底部连接顶盘(15)，所述顶盘(15)的底部连接柱脚，所述柱脚包括上柱脚(17)、下柱脚(18)，所述柱脚上设有脚螺旋(16)；脚螺旋(16)与上柱脚(17)为螺纹连接；脚螺旋(16)与下柱脚(18)为转轴连接；下柱脚(18)中空、内部刻有螺纹；所述固定框架(11)包括上固定盘(12)、三根固定柱(13)，所述固定柱(13)的顶部连接上固定盘(12)，所述固定柱(13)的底部连接顶盘(15)，所述上固定盘(12)的中心处设有螺孔；
所述测量装置(2)包括由上至下依次设置的螺杆(21)、固定刻度(22)、可动刻度(23)、微分筒(24)及微调旋钮(25)；所述螺杆(21)穿过所述固定框架(11)的上固定盘(12)的中心处的螺孔；所述螺孔的内壁螺纹与测量装置(2)的固定刻度(22)前端的螺纹相吻合；所述固定刻度(22)位于上固定盘(12)的下方；
所述固定装置(3)为一体成型的固定架；所述固定架包括竖向钢板(31)、水平钢板(32)，所述竖向钢板(31)与水平钢板(32)互相垂直，并在两个钢板之间设置斜撑(33)形成“三角形”框架；所述竖向钢板(31)上钻有两排共四个孔洞，所述水平钢板(32)上也有三个孔洞，所述整平装置(1)的三根下柱脚(18)对准水平钢板(32)上的三个孔洞，并用螺丝将下柱脚(18)与水平钢板(32)固定。
2.如权利要求1所述的一种可手动整平的高精度竖向位移测量仪器，其特征在于：圆水准器(14)为玻璃容器，容器内设有气泡；圆水准器(14)的上面有同心圆的刻划；圆水准器(14)的上盖的内表面是圆球形，同心圆圆心处的曲率半径即为圆水准器(14)轴。
3.如权利要求1所述的一种可手动整平的高精度竖向位移测量仪器，其特征在于：上柱脚(17)与脚螺旋(16)间为螺纹连接，下柱脚(18)与脚螺旋(16)间为转轴连接。
4.如权利要求3所述的一种可手动整平的高精度竖向位移测量仪器，其特征在于：下柱脚(18)均为中空，内部刻有螺纹。
技术总结