CN102433834A - 桥梁安全—面相感知监测车及其安全评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁安全—面相感知监测车及桥梁安全评价的方法，设备包括行走车和检测装置，检测装置包括悬挂组件和检测总成，检测总成包括主梁、前触轮、后触轮和检测轮组件，检测装置为三组沿横向并列设置于行走车底盘；本发明仅对桥面表观及曲率变化监测即可预测桥梁结构的安全性，依据常规梁桥和拱桥当发生危及结构安全的病害则必然导致桥面表观和桥面结构曲率发生变化这一规律，采用在行走车设置桥面曲率测试装置，能够获取测试区域桥面结构数字化曲率面，通过历次检测得到桥梁面相(桥面表观及桥面曲率)变化监测的分析比较来判别当前桥梁结构的安全性。

Description

桥梁安全—面相感知监测车及其安全评价方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程领域，特别涉及一种桥梁安全-面相感知监测车及其安全评价方法。 

背景技术

桥梁是道路交通必不可少的设施，在为数不少的道路桥梁中，由于经济、技术、人员、社会等多方面的原因，部分桥梁已提前进入老年期。鉴于目前的经济条件和社会需要，这些进入老年期桥梁在今后较长的时期内仍将处于使用状态，但是，需要采取切实有效的监测管理措施，以确保这些桥梁在使用期间杜绝重大安全事故的发生。 

现有技术中，桥梁检查分为经常检查、定期检查和特殊检查。桥梁的定期检查和特殊检查通常指借助脚手架或专用装备到达桥下对主体结构进行近距观察和测试，这种检查被认为是切实有效的，但通常所需费用较高并会影响桥上车辆正常通行，多数桥梁因此未能达到三年一次定期检查的要求；经常检查通常为人工肉眼观察或用望远镜远距离观察，因受检查手段、从业人员务的数量和素质的限制，难以及时准确判断涉及桥梁安全的结构性病害程度，致使桥梁的经常检查多为有形无实，甚至出现了日常养护记录为一类桥发生突然垮塌的灾难事例，缺少经济实用、准确高效的桥梁安全检测方法和装备是近年桥梁坍塌事故逐趋频发的主要原因之一。 

经济高效、及时准确检测出危及桥梁安全的结构性病害，避免桥梁垮塌恶性事件发生是桥梁管理的一项十分重要环节。 

因此，需要一种桥梁监测设备，具有使用方便，结构简单的特点，对桥梁进行检测的同时，并不影响桥梁通车，经济高效、及时准确发现涉及桥梁安全的结构性病害，确保梁安使用全。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的提供一种桥梁安全-面相感知监测车及其安全评价方法，作为桥梁经常检查装备，具有使用方便，经济高效，能及时准确发现并预警危及桥梁安全的结构性病害，确保梁安全使用评。 

本发明的桥梁安全-面相感知监测车，包括行走车和检测装置，所述检测装置包括悬挂组件和检测总成，所述检测总成为至少三组沿横向并列设置于行走车底盘，每组检测总成分别包括主梁、前触轮、后触轮和检测轮组件，所述悬挂组件为可自由伸缩的弹性结构，所述主梁通过悬挂组件沿行走车纵向悬挂于行走车底盘，前触轮和后触轮分别对应安装于主梁前端和后端； 

所述检测轮组件位于前触轮和后触轮之间，包括弹性连接件、检测轮、位移传感器I和导向杆，导向杆以可上下方向往复运动的方式单自由度配合安装于主梁，所述检测轮安装于导向杆下端，弹性连接件对导向杆施加向下的预紧力，所述位移传感器I用于测量导向杆相对于主梁上下方向的位移； 

行走车底盘下部与每组检测总成的导向杆对应固定设有用于测量行走车底盘与导向杆相对位置的位移传感器II；所述位移传感器I和位移传感器II分别将检测数据传输至数据处理终端。 

进一步，每组检测总成的主梁分别通过沿其纵向并列设置的两组悬挂组件悬挂于行走车底盘；所述悬挂组件包括液压缸和平衡弹簧，所述液压缸缸体固定设置于行走车底盘，液压缸活塞杆向下延伸并固定连接平衡弹簧，平衡弹簧下端固定连接主梁；所述弹性连接件为连接弹簧； 

进一步，所述主梁为纵向可伸缩结构，包括空心的主梁体和以可沿纵向滑动的方式单自由度内套于主梁体内的前内套梁和后内套梁，所述检测轮组件位于前内套梁和后内套梁之间设置于主梁体；所述前触轮安装于前内套梁前端，后触轮安装于后内套梁后端； 

进一步，所述导向杆沿上下方向穿过主梁体，连接弹簧位于主梁体上部外套于导向杆，连接弹簧上端固定连接导向杆上端形成的环形凸台，连接弹簧下端固定连接主梁体； 

进一步，所述前触轮通过从动转向叉安装于前内套梁前端，所述从动转向叉后端以可左右转动不大于15°角的方式单自由度铰接于前内套梁前端； 

进一步，所述检测轮组件位于主梁体纵向正中； 

进一步，所述行走车上设有用于采集桥面图像信息的摄像机或照相机； 

进一步，所述检测总成为三组按左中右沿横向并列设置于行走车底盘。 

本发明还公开一种利用桥梁安全-面相感知监测车对桥梁进行安全评价的方法，其特征在于：包括下列步骤： 

a.驱动行走车沿桥面纵向行驶，前触轮和后触轮分别在悬挂组件作用下紧贴桥面，检测轮通过弹性连接件的作用紧贴桥面且自适应根据桥面纵向各点曲率变化产生竖向位移，利用位移传感器I测量导向杆相对于主梁上下方向的位移，从而获取沿桥梁纵向的曲率数值曲线，各组检测总成分别测出桥梁沿横向并列的桥面纵向曲率数值曲线；利用位移传感器II测量行走车底盘下部与导向杆相对位置，从而获取沿桥梁横向的曲率数值曲线；沿桥梁纵向的曲率数值曲线及沿桥梁横向的曲率数值曲线储存于数据处理终端； 

数据处理终端对位移传感器I和位移传感器II检测的沿桥梁纵向的曲率数值曲线及沿桥梁横向的曲率数值曲线进行分析处理，得出桥梁结构检测范围内的数字化曲率面； 

b.利用步骤a的程序按设定周期对同一桥梁获取数字化曲率面，获取不同时期桥面结构数字化曲率面数据并储存于数据处理终端； 

c.将步骤a测得的数字化曲率面与步骤b测得的数字化曲率面进行比较，同时，将步骤b中每次测得数字化曲率面与前次测得数字化曲率面进行比较； 

d.根据步骤c中的比较结果，根据分析建立数字化曲率面变化与结构安全性之间的关系，通过对同一桥梁数字化曲率面的分析比较，判别桥梁结构的安全性。 

进一步，所述前触轮和后触轮之间的距离可调，步骤a和步骤b中，根据不同跨径的桥梁而调整不同的前触轮和后触轮之间的距离；利用行走车上安装的摄像机或照相机采集桥面图像信息并传输至并储存于数据处理终端。 

本发明的有益效果：本发明的桥梁安全-面相感知监测车及其安全评价方法，依据常规梁桥和拱桥当发生危及结构安全的病害则必然导致桥面表观和桥面结构曲率发生变化这一规律，采用在行走车设置桥面曲率测试装置，能够获取测试区域桥面结构数字化曲率面，通过历次检测得到桥梁面相(桥面表观及桥面曲率)变化监测的分析比较来判别当前桥梁结构的安全性；实现了仅对桥面表观及曲率变化监测即可预测桥梁结构的安全性，以此作为桥梁经常性检测手段和方法，不但显著节省了时间和人力成本，更重要的是显著提高了桥梁安全检查的准确性和效率。 

本发明的设备用于检测和评价桥梁的安全性，行走车在一定的速度范围内均能对桥面曲率进行检测，以检测一座桥梁的时间大大缩短，可增加桥梁检测的频次，实现桥梁的相对高频监测，提高桥梁安全预警能力，因而具有工作效率高、成本低，可实现高频大范围桥梁安全监测的优点； 

行走车行走速度快，无需在桥上架设任何辅助设备，不受天气及时间限制，且对交通影响极低；检测数据的读取存储到后期的数据分析处理都是由设备和软件在自动化的情况下完成，不仅降低了传统检测方法要求检测人员素质比较高的缺点，还能最大化的避免人为的主观因素影响； 

本发明可检测不同跨径的各型桥梁，因为检测过程不需人工观测，避免了检测人员的安全隐患；用于桥梁检测及安全评价，通过对历次表相监测得到的桥面结构曲率曲面进行分析比较可以判别当前桥梁结构的安全性，降低日常管理人员技术要求，消除监测人员个体测量误差，实现旧桥安全监测数据库管理，明显降低日常监测费用，提高日常监测精度；能够实现大量常规桥梁的安全评估及预警，有效保障常规桥梁安全运营，降低桥梁的管、养成本，具有较大的社会和经济意义，同时也具有较好的应用前景。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。 

图1为本发明结构示意图； 

图2为转向叉铰接图； 

图3为图1沿A向视图； 

图4为图1沿B-B向剖视图； 

图5为纵向曲率拟合图。 

具体实施方式

图1为本发明结构示意图，图2为转向叉铰接图，图3为图1沿A向视图；图4为图1沿B-B向剖视图，图5为纵向曲率拟合图，如图所示：本实施例的桥梁安全-面相感知监测车，包括行走车和检测装置，所述检测装置包括悬挂组件和检测总成，所述检测总成为至少三组沿横向并列设置于行走车底盘1，每组检测总成分别包括主梁、前触轮10、后触轮14和检测轮组件，所述悬挂组件为可自由伸缩的弹性结构，也就是可上下伸缩的弹性结构；所述主梁通过悬挂组件沿行走车纵向悬挂于行走车底盘1，前触轮10和后触轮14分别对应安装于主梁前端和后端； 

所述检测轮组件位于前触轮10和后触轮14之间，包括弹性连接件13、检测轮11、位移传感器I 9和导向杆12，导向杆12以可上下方向往复运动的方式单自由度配合安装于主梁，所述检测轮11安装于导向杆12下端，如图所示，导向杆12下端为叉状结构，检测轮11以可绕自身轴线转动的方式安装于叉状结构上，为现有的常用转轮安装方式；弹性连接件13对导向杆12施加向下的预紧力，以保证检测轮11在工作时紧贴桥面；所述位移传感器I 9用于检测导向杆12相对于主梁上下方向的位移； 

行走车底盘1下部与每组检测总成的导向杆12对应固定设有用于测量行走车底盘1与导向杆12相对位置的位移传感器II17，本实施例中，位移传感器II17固定设置于行走车底盘1下部与导向杆顶部之间，用于检测行走车底盘1下部与导向杆顶部之间的位移，结构简单，安装拆卸方便；所述位移传感器I 9和位移传感器II17分别将检测数据传输至数据处理终端，也就是位移传感器I9和位移传感器II17同步检测；位移传感器I 9和位移传感器II17与数据处理终端之间的相互关系与现有技术相同，在此不再赘述，数据处理终端可以使计算机或单片机等；位移传感器I 9和位移传感器II17可采用现有技术中的任何 能够检测位移的传感器，包括光电式、电磁式以及电阻式等等，均能实现发明目的。 

本实施例中，每组检测总成的主梁分别通过沿其纵向并列设置的两组悬挂组件悬挂于行走车底盘1；所述悬挂组件包括液压缸5和平衡弹簧4，所述液压缸5缸体固定设置于行走车底盘1，液压缸5活塞杆向下延伸并固定连接平衡弹簧4，平衡弹簧4下端固定连接主梁；所述弹性连接件13为连接弹簧，结构简单，成本较低； 

不使用时，通过液压缸5将检测总成升起，离开路面，当进行检测时，通过液压缸5及平衡弹簧4使前触轮和后触轮紧贴桥面15，利用平衡弹簧4施加预紧力，以保证前触轮10和后触轮14完全紧密接触桥面15，以保证测量结果的准确性；平衡弹簧4由于具有较高的承力要求，因而需要具有较高的弹性系数，以保证使用性能；每组检测总成的主梁采用两组悬挂组件，能够保证平衡效果，避免前触轮和后触轮之间受力不均。 

本实施例中，所述主梁为纵向伸缩结构，包括空心的主梁体2和以可沿纵向滑动的方式单自由度内套于主梁体2内的前内套梁6和后内套梁3，所述检测轮组件位于前内套梁6和后内套梁3之间设置于主梁体2；所述前触轮10安装于前内套梁6前端，后触轮14安装于后内套梁3后端；实际应用中，前内套梁6和后内套梁3可分别设置伸缩驱动装置，可采用齿轮齿条结构(图中没有表示)，齿轮齿条用于驱动伸缩杆结构伸缩，即前内套梁6和后内套梁3分别设有齿条，主梁体2上设有与齿条对应啮合的齿轮，驱动可采用手动或电动，均能实现发明目的，在此不再赘述；为保证前内套梁6和后内套梁3伸缩或用于测量时的稳固性，则需设置锁紧装置，锁紧装置可采用常用的螺钉锁紧，为保证稳固，可采用在主梁体横向周围布置多个螺钉进行锁紧(图中没有表示)；由于主梁为伸缩结构，调整其长度可适应不同跨径桥梁桥面曲率测试的需要，也就使前触轮和后触轮之间的距离可调，根据不同跨径的桥梁曲率检测需要而调整不同的前触轮和后触轮之间的距离，跨径较长的桥梁，则将主梁伸长，以获得较为准确的纵向曲率数值。 

本实施例中，所述导向杆12沿上下方向穿过主梁体2，如图所示，主梁体中部设有用于穿过导向杆12的预留孔；连接弹簧13位于主梁体2上部外套于导向杆12，连接弹簧13上端固定连接导向杆12上端，连接弹簧13下端固定连接主梁体2；连接弹簧13用以保证检测轮11与桥面15的紧密接触，并且结构简单，动作可靠，导向杆12在主梁体2的横向约束下具有较好的横向稳定性。 

本实施例中，所述前触轮10通过从动转向叉8安装于前内套梁6前端，所述从动转向叉8后端以可左右转动不大于15°角的方式单自由度铰接于前内套梁6前端，采用平面铰连接于前内套梁前端即可实现；使前触轮10能够随行走车转向而具有适应性，适用于具有转弯的桥梁检测用；如图所示，采用铰接轴7进行铰接，前内套梁6前端为矩形端面，从动转向叉8后端形成橓状结构，橓状结构直接嵌入前内套梁6前端形成的橓槽并铰接，使其上下限定较为稳固，同时利用从动转向叉8橓状结构的台阶和前内套梁前端的矩形端面即能实现限定转向叉左右转动角度的目的，因而可实现从动转向叉8左右转动角不大于15°的目的；当然，还可以采用其他机械结构，均能够实现；角度限定在不大于15°，利于前触轮随行走车行走，不会发生干扰；后内套梁3上的后触轮14安装与前触轮10安装于从动转向叉8结构相同，均为形成叉状安装结构，保证结构的稳定性。 

本实施例中，所述检测轮组件位于主梁体2纵向正中；结构简单，并且利于准确的得到纵向曲率数值。 

本实施例中，所述行走车上设有用于采集桥面图像信息的摄像机或照相机16，如图所示，本实施例采用摄像机并设置于行走车底盘1；用于获得桥面15表面裂纹等缺陷，与曲率检测相结合，获取桥梁面相结果，对其进行安全评价。 

本实施例中，所述检测总成为三组按左中右沿横向并列设置于行走车底盘1，根据检测数据能够实现横向及纵向曲率检测，并且结构简单。 

本发明还公开了一种利用桥梁安全-面相感知监测车对桥梁进行安全评价的方法，包括下列步骤： 

a.驱动行走车沿桥面纵向行驶，前触轮10和后触轮14分别在悬挂组件作 用下紧贴桥梁的桥面15，检测轮11通过弹性连接件13的作用紧贴桥面15且自适应根据桥面15纵向各点曲率变化产生竖向位移，依据前触轮和后触轮之间的距离和位移传感器I测量导向杆相对于主梁上下方向的位移数据，从而获取沿桥梁纵向的曲率数值曲线；各组检测总成的位移传感器I分别测出桥梁沿横向并列的桥面纵向曲率数值曲线；利用位移传感器II17测量行走车底盘1下部与导向杆12相对位置，从而获取沿桥梁横向的曲率数值曲线；行走车在行走时，由于检测轮11会随着桥面15铺装的特点得出不规则曲线a，该不规则曲线反映桥梁曲率线型，消噪处理后能够拟合出桥梁曲率数值曲线b，如图5所示，纵坐标为曲率γ，横坐标为行走车距离L；横向曲率数值曲线获取方式与纵向曲率数值曲线类似，在此不再赘述；沿桥梁纵向的曲率数值曲线及沿桥梁横向的曲率数值曲线储存于数据处理终端； 

数据处理终端对位移传感器I 9和位移传感器II17检测的沿桥梁纵向的曲率数值曲线及沿桥梁横向的曲率数值曲线进行分析处理，得出桥梁结构检测范围内的数字化曲率面； 

b.利用步骤a的程序按设定周期对同一桥梁获取数字化曲率面，获取不同时期桥面结构数字化曲率面数据并储存于数据处理终端； 

c.将步骤a测得的数字化曲率面与步骤b测得的数字化曲率面进行比较，同时，将步骤b中每次测得数字化曲率面与前次测得数字化曲率面进行比较； 

d.根据步骤c中的比较结果，根据分析建立数字化曲率面变化与结构安全性之间的关系，通过对同一桥梁数字化曲率面的分析比较，判别桥梁结构的安全性； 

也就是，将历次获得的桥面结构数字化曲率面进行分析比较，可以得知桥梁结构的性能变化状况，依据研究获知的桥面结构曲率面变化与相应桥梁结构安全性之间的关系，同时可参考如桥面图像等数据，能够分析判别桥梁结构当前的安全状况，从而达到对桥梁进行安全监测的目的。 

本实施例中，所述前触轮和后触轮之间的距离可调，步骤a和步骤b中，根据不同跨径的桥梁而调整不同的前触轮10和后触轮14之间的距离；利用行 走车上安装的摄像机或照相机16采集桥面图像信息并传输至并储存于数据处理终端。 

本实施例的安全评价方法，依据桥梁曲率面的变化，能够综合全面的得出桥梁内部安全状况，也就是通过面相感知，迅速得出桥梁的安全健康状况；检测过程中，由于桥面铺装局部的不平整性可能引起桥面曲率实测数据的非平稳震荡，当相对于桥梁跨径选择合适的前触轮与后触轮间的标距，并对桥面曲率实测数据进行消噪处理后得到的拟合曲线可视为桥面结构的纵向曲率曲线；通过三组检测装置可以得到三条相应的桥面结构纵向曲率曲线和一条横向曲率曲线，据此可以构造出监测车行驶条带范围内桥面结构的数字化曲率曲面；通过对历次面相监测得到的桥面结构曲率曲面进行分析比较可以判别当前桥梁结构的安全性。 

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (10)

1.一种桥梁安全-面相感知监测车，其特征在于：包括行走车和检测装置，所述检测装置包括悬挂组件和检测总成，所述检测总成为至少三组沿横向并列设置于行走车底盘，每组检测总成分别包括主梁、前触轮、后触轮和检测轮组件，所述悬挂组件为可自由伸缩的弹性结构，所述主梁通过悬挂组件沿行走车纵向悬挂于行走车底盘，前触轮和后触轮分别对应安装于主梁前端和后端；

所述检测轮组件位于前触轮和后触轮之间，包括弹性连接件、检测轮、位移传感器I和导向杆，导向杆以可上下方向往复运动的方式单自由度配合安装于主梁，所述检测轮安装于导向杆下端，弹性连接件对导向杆施加向下的预紧力，所述位移传感器I用于测量导向杆相对于主梁上下方向的位移；

行走车底盘下部与每组检测总成的导向杆对应固定设有用于测量行走车底盘与导向杆相对位置的位移传感器II；所述位移传感器I和位移传感器II分别将检测数据传输至数据处理终端。

2.根据权利要求1所述的桥梁安全-面相感知监测车，其特征在于：每组检测总成的主梁分别通过沿其纵向并列设置的两组悬挂组件悬挂于行走车底盘；所述悬挂组件包括液压缸和平衡弹簧，所述液压缸缸体固定设置于行走车底盘，液压缸活塞杆向下延伸并固定连接平衡弹簧，平衡弹簧下端固定连接主梁；所述弹性连接件为连接弹簧。

3.根据权利要求2所述的桥梁安全-面相感知监测车，其特征在于：所述主梁为纵向可伸缩结构，包括空心的主梁体和以可沿纵向滑动的方式单自由度内套于主梁体内的前内套梁和后内套梁，所述检测轮组件位于前内套梁和后内套梁之间设置于主梁体；所述前触轮安装于前内套梁前端，后触轮安装于后内套梁后端。

4.根据权利要求3所述的桥梁安全-面相感知监测车，其特征在于：所述导向杆沿上下方向穿过主梁体，连接弹簧位于主梁体上部外套于导向杆，连接弹簧上端固定连接导向杆上端形成的环形凸台，连接弹簧下端固定连接主梁体。

5.根据权利要求4所述的桥梁安全-面相感知监测车，其特征在于：所述前触轮通过从动转向叉安装于前内套梁前端，所述从动转向叉后端以可左右转动不大于15°角的方式单自由度铰接于前内套梁前端。

6.根据权利要求5所述的桥梁安全-面相感知监测车，其特征在于：所述检测轮组件位于主梁体纵向正中。

7.根据权利要求6所述的桥梁安全-面相感知监测车，其特征在于：所述行走车上设有用于采集桥面图像信息的摄像机或照相机。

8.根据权利要求7所述的桥梁安全-面相感知监测车，其特征在于：所述检测总成为三组按左中右沿横向并列设置于行走车底盘。

9.一种利用权利要求1所述的桥梁安全-面相感知监测车对桥梁进行安全评价的方法，其特征在于：包括下列步骤：

a.驱动行走车沿桥面纵向行驶，前触轮和后触轮分别在悬挂组件作用下紧贴桥面，检测轮通过弹性连接件的作用紧贴桥面且自适应根据桥面纵向各点曲率变化产生竖向位移，利用位移传感器I测量导向杆相对于主梁上下方向的位移，从而获取沿桥梁纵向的曲率数值曲线，各组检测总成分别测出桥梁沿横向并列的桥面纵向曲率数值曲线；利用位移传感器II测量行走车底盘下部与导向杆相对位置，从而获取沿桥梁横向的曲率数值曲线；沿桥梁纵向的曲率数值曲线及沿桥梁横向的曲率数值曲线储存于数据处理终端；

数据处理终端对位移传感器I和位移传感器II检测的沿桥梁纵向的曲率数值曲线及沿桥梁横向的曲率数值曲线进行分析处理，得出桥梁结构检测范围内的数字化曲率面；

b.利用步骤a的程序按设定周期对同一桥梁获取数字化曲率面，获取不同时期桥面结构数字化曲率面数据并储存于数据处理终端；

c.将步骤a测得的数字化曲率面与步骤b测得的数字化曲率面进行比较，同时，将步骤b中每次测得数字化曲率面与前次测得数字化曲率面进行比较；

d.根据步骤c中的比较结果，根据分析建立数字化曲率面变化与结构安全性之间的关系，通过对同一桥梁数字化曲率面的分析比较，判别桥梁结构的安全性。

10.根据权利要求9所述的对桥梁进行安全评价的方法，其特征在于：所述前触轮和后触轮之间的距离可调，步骤a和步骤b中，根据不同跨径的桥梁而调整不同的前触轮和后触轮之间的距离；利用行走车上安装的摄像机或照相机采集桥面图像信息并传输至并储存于数据处理终端。

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