CN102636364A - 车载桥面形态-结构安全监测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载桥面形态-结构安全监测系统及检测方法，监测系统采用T形结构检测架并结合激光传感器，利用纵梁检测桥面的监测点的实时坐标值修正横梁所处的空间方位为垂直检测，得到真实的桥面曲面结构，同时，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面发生变化这一规律，通过历次检测得到桥梁面相(桥面表观及桥面曲面)变化监测的分析比较来判别当前桥梁结构的安全性；能够精确的发现涉及桥梁安全的结构性病害，确保梁安使用，对桥梁所处的环境没有特殊要求，对桥梁进行检测的同时，并不影响桥梁通车，经济高效，不但显著节省了时间和人力成本，还显著提高了桥梁安全检查的准确性和效率。

Description

车载桥面形态-结构安全监测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程领域，特别涉及一种车载桥面形态-结构安全监测系统及检测方法。

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，这种检查被公认为是切实有效的，但这种检查通常效率较低，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；经常性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。

为解决上述问题，可利用现有的激光路面检测车对桥面进行检测，这种检测车利用激光测距的原理，对每一个道路横断面进行扫描得到路面横向的平整度等信息。这种方法测量得到的道路横断面具有较高的精度，而在道路的路面的纵向构成上，则依靠车载的惯性参照系统进行车辆颠簸信息的校正，从理论在特定条件下可以分析描述出纵横双向路面形状，但实际所得纵向路面形状数据精度较差，不能满足用于结构性态判别的桥面形状测试需要。

由此可见，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，能够准确测试桥面形状变化，并据此判别桥梁结构性态，避免桥梁垮塌恶性事件，对所处的环境没有特殊要求，对桥梁进行检测的同时，并不影响桥梁通车，经济高效。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的提供一种车载桥面形态-结构安全监测系统及检测方法，作为桥梁经常检查装备，具有使用方便，结构简单的特点，能够及时发现危及桥梁安全的结构性病害，确保梁安全使用，对桥梁所处的环境没有特殊要求，对桥梁进行检测的同时，并不影响桥梁通车，经济高效。

本发明的车载桥面形态-结构安全监测系统，包括行走车和检测装置，所述检测装置包括数据处理终端和检测总成，所述检测总成包括行走车位移检测件、T形检测架以及分布于T形检测架的横梁和纵梁上的激光传感器，所述纵梁沿行走车纵向设置于行走车底盘下部，纵梁重心较低且可绕一纵向轴线转动；所述激光传感器检测方向向下，行走车位移检测件所检测的位移信号和激光传感器检测的桥面数据信号传输至数据处理终端。

进一步，所述横梁位于行走车底盘尾端，行走车底盘前端设有用于获取桥面视频数据的摄像装置；

进一步，所述纵梁上分布的激光传感器至少为三个；

进一步，所述纵梁通过至少两个安装座支撑于底盘，所述纵梁对应设有与安装座转动配合的轴颈；

进一步，所述纵梁的轴颈与安装座之间通过滚动轴承转动配合；

进一步，所述纵梁下部固定设有用于降低其重心的平衡块。

本发明还公开了一种利用车载桥面形态-结构安全监测系统对桥梁进行安全评价的方法，包括下列步骤：

a.设定一坐标系，驱动行走车沿桥面纵向行驶，T形检测架横梁和纵梁上的激光传感器分别实时采集桥面横向数据信号和纵向数据信号，根据行走车纵向位移数据及纵梁和横梁上激光传感器的测试数据得到桥面各个检测点的实时坐标值；

依据实时的横向数据信号结合行走车位移信号，得出沿桥梁纵向和横向的数字化桥面形态；

b.利用步骤a的程序按设定周期对同一桥梁获取桥面结构的数字化空间曲面，获取不同时期桥面结构的数字化空间曲面数据并储存于数据处理终端；

c.将步骤a测得的桥面结构的数字化空间曲面与步骤b测得的桥面结构的数字化空间曲面进行比较，同时，将步骤b中每次测得桥面结构的数字化空间曲面与前次测得桥面结构的数字化空间曲面进行比较；

d.根据步骤c中的比较结果，根据试验研究成果和计算机仿真分析建立桥面结构形态变化与桥梁结构安全性之间的关系，通过对同一桥梁桥面结构的数字化空间曲面变化的分析比较，判别桥梁结构的安全性。

本发明的有益效果：本发明的车载桥面形态-结构安全监测系统及检测方法，监测系统采用T形结构检测架并结合激光传感器，依据实时的横向数据信号结合行走车位移信号，通过分析计算能够得出真实的数字化桥面形态，同时，依据常规梁桥和拱桥当发生危及结构安全的结构性病害则必然导致桥面表观和桥面结构空间曲面发生变化这一规律，通过历次检测得到桥梁面相(桥面表观及桥面曲面)变化监测的分析比较来判别当前桥梁结构是否存在危及桥梁安全的结构性病害；实现了仅通过对桥面表观及桥面真实曲面的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，较传统的人工经常性检查能够较准确及时的发现涉及桥梁安全的结构性病害，一个车载桥面形态-结构安全监测系统可以对片区内的所有桥梁进行经常性监测，实现了经济、高效的桥梁安全经常性监测，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经常性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，行走车已正常速度即能实施对桥面形态的检测，使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检测，以此达到安全监测的目的，提高桥梁安全预警能力，因而具有工作效率高、成本低，可实现高频大片区道路桥梁的安全监测；

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，且对桥梁正常交通运营影响极低；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对桥梁安全性判断的影响；

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，避免了检测人员自身的安全隐患；用于桥梁检测及安全评价，通过对历次桥面监测得到的桥面结构的数字化空间曲面进行分析比较可以判别当前桥梁结构是否存在危及桥梁安全的结构性病害，降低对桥梁管理人员的技术要求，消除桥梁管理人员由人工观察而产生的个体观察误差，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，具有明显的社会、经济和技术效益，同时也具有良好的应用前景。

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为纵梁连接图；

图3为纵梁实时坐标图。

具体实施方式

图1为本发明结构示意图，图2为纵梁连接图，图3为纵梁实时坐标图，如图所示：本实施例的车载桥面形态-结构安全监测系统，包括行走车和检测装置，所述检测装置包括数据处理终端和检测总成，所述检测总成包括行走车位移检测件、T形检测架以及分布于T形检测架的横梁3和纵梁2上的激光传感器4，所述纵梁2沿行走车纵向设置于行走车底盘1下部，纵梁2重心较低且可绕一纵向轴线转动，重心较低可采用多种结构，即纵梁2为上轻下重的结构，保证横梁3的水平状态；所述激光传感器4检测方向向下，行走车位移检测件所检测的位移信号和激光传感器检测的桥面数据信号传输至数据处理终端，即行走车的纵向位移信号，如图中箭头所指方向；本发明中，行走车可采用一般车辆或者专用车辆，行走车位移检测件可采用安装在车轮的光电编码器等，数据处理终端采用计算机等终端设备，均能实现发明目的，在此不再赘述。

本实施例中，所述横梁位于行走车底盘尾端，行走车底盘1前端设有用于获取桥面视频数据的摄像装置6；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7表面裂纹等局部桥面缺陷，与曲面检测相结合，获取桥梁面相结果，对其安全评价进行修正。

本实施例中，所述纵梁2上分布的激光传感器4至少为三个，如图所示，本实施例为三个，其中一个位于横梁3上，利于达到准确的计算结果；同时，横梁上分布的激光传感器4为多个，本实施例为9个；由于横梁上的和纵梁上的激光传感器4为同一结构，因此，采用统一附图标记。

本实施例中，所述纵梁2通过至少两个安装座8支撑于底盘1，所述纵梁2对应设有与安装座8转动配合的轴颈21，如图所示，两个安装座8沿纵向并列布置，将纵梁2支撑，采用轴颈结构，转动无干扰，且安装方便快捷，加工简单。

本实施例中，所述纵梁2的轴颈21与安装座8之间通过滚动轴承5转动配合，减小摩擦，进一步增强其灵活性。

本实施例中，所述纵梁2下部固定设有用于降低其重心的平衡块22，如图所示，该平衡块22设置于纵梁2下部，采用密度较大的材质，可以是可拆卸式连接也可以是焊接等；结构简单，体积紧凑，所述用于始终保持与纵梁固定连结的横梁轴线处于水平线。

本发明的利用车载桥面形态-结构安全监测系统对桥梁进行安全评价的方法，包括下列步骤：

a.设定一坐标系，驱动行走车沿桥面纵向行驶，T形检测架横梁3和纵梁2上的激光传感器4分别实时采集桥面横向数据信号和纵向数据信号，根据行走车纵向位移数据以及纵梁2和横梁3上激光传感器4的测试数据得到桥面各个检测点的实时坐标值；

依据实时的横向数据信号结合行走车位移信号，得出沿桥梁纵向和横向的数字化桥面形态；

数据处理终端根据该实时坐标值确定纵梁2所处的方位坐标，根据该方位坐标确定横梁3所在的空间方位，修正横梁上激光传感器4所采集的数据信号为垂直于桥面的横向数据信号，实时的横向数据信号结合行走车位移信号，得出沿桥梁纵向的数字化面；

具体获取方法：如下图所示，粗实线所示意为T形检测仪纵向梁，以安装有3个激光传感器为例，分别可测得距离地面的高度为a₁、a₂、a₃，如图中向下延伸细实线所示意；虚线所示意为T形检测仪框架在车辆向前行驶后某一刻所处位置。通过激光传感器，也可以分别测得距离地面的高度b₁、b₂、b₃；两时刻间梁所移动的距离通过安装在车轮的光电编码器所测得；如果激光传感器具有较高的采样频率，可以使得后时刻所测的点II′、IV′范围在前一刻所测点II、IV、VI的范围以内，那么可以根据b₁、b₂所测之值以及梁移动的距离可以推出两次测量T形检测仪框架之间的坐标关系，从而将每次横向梁测量所得的桥面横向参数联系起来，最后得到整段测量桥面空间曲面数据。

设t_i时刻以纵梁为X轴，以横梁为Y轴，过纵梁端部激光点与纵梁垂直方向为Z轴，则通过激光传感器可测得各测点对应桥面点II、IV、VI的Z坐标分别为a1、a2、a3，通过横梁上各激光传感器可测得过I点与纵梁垂直的各测点横桥向对应桥面点的Z坐标Z(t_i)；若从t_i到t_i+1车辆行走距离为c，则t_i+1时刻通过激光传感器可测得各测点对应桥面点II’、IV’、VI’的Z坐标分别为分别为b1、b2、b3，通过横梁上各激光传感器可测得过I点与纵梁垂直的各测点横桥向对应桥面点的Z坐标Z(t_i+1)；根据其几何关系能够将t_i+1时刻桥面点II’、IV’、VI’的坐标在t_i时刻的坐标系中描述出来，据此也能够将t_i+1时刻由横梁各测点得到横桥向对应桥面点的坐标Z(t_i+1)在t_i时刻的坐标系中进行描述；

其具体的计算过程如下：将初始坐标系建立在行走车准备开始行驶的初始时刻；已知车所移动的距离为L，I、III、V激光探点间间距分别为c，如图中所示，纵梁此时由I、III、V移动到了I′、III′、V′的位置，相对应的测点则由II、IV、VI变为II′、IV′、VI′。设横向梁上的I′、III′、V′三点坐标分别为(x₁，y₁)、(x₃，y₃)、(x₅，y₅)，同时，测得的T梁在I、III两点离地的距离为a₁、a₂，则易得II、IV、VI三点的坐标为(x₁，y₁-a₁)，(x₃，y₃-a₂)，(x₅，y₅-a₃)。

则有II′点在点II、IV近似直线上，IV′点应在点IV、VI近似直线上，则分别须满足下列两式：

$\frac{y_2^{\′}-(y_1-a_1)}{x_2^{\′}-x_1}=\frac{y_3-a_2-(y_1-a_1)}{x_3-x_1}---\left(1\right)$

$\frac{y_4^{\′}-(y_3-a_2)}{x_4^{\′}-x_3}=\frac{y_5-a_3-(y_3-a_2)}{x_5-x_1}---\left(2\right)$

有直线I′II′与直线I′III′相互垂直，直线III′IV′与直线I III相互垂直，应满足下式：

$\frac{y_1^{\′}-y_2^{\′}}{x_1^{\′}-x_2^{\′}}=\frac{y_3^{\′}-y_4^{\′}}{x_3^{\′}-x_4^{\′}}=-\frac{y_1^{\′}-y_3^{\′}}{x_1^{\′}-x_3^{\′}}---\left(3\right)$

且有由I′点、III′点测量得到的距离b1、b2可得：

$b_1^2={(x_1^{\′}-x_2^{\′})}^2+{(y_1^{\′}-y_2^{\′})}^2---\left(4\right)$

$b_2^2={(x_3^{\′}-x_4^{\′})}^2+{(y_3^{\′}-y_4^{\′})}^2---\left(5\right)$

c²＝(x′₁-x′₃)²+(y′₁-y′₃)²                     (6)

联立以上1～6式，即可得到I′III′两点的坐标，从而可以推到得到VI′点的具体坐标；这样，就将行走车在整个行驶过程中的每一次测量与初始时刻的坐标系建立了联系，继而将整个测量段中的每一次测量归一到了同一的坐标系中来，而后根据横向梁所得的横向截面数据即可得到数字化的桥面空间曲面信息；

在得到桥面空间曲面数据后，举例若整个路面沿桥梁纵向的桥面曲面变化，由于桥面铺装局部的不平整性可能引起桥面曲面实测数据的非平稳震荡，对桥面曲面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面曲线；

b.利用步骤a的程序按设定周期对同一桥梁获取桥面结构的数字化空间曲面，获取不同时期桥面结构的数字化空间曲面数据并储存于数据处理终端；

c.将步骤a测得的桥面结构的数字化空间曲面与步骤b测得的桥面结构的数字化空间曲面进行比较，同时，将步骤b中每次测得桥面结构的数字化空间曲面与前次测得桥面结构的数字化空间曲面进行比较；

d.根据步骤c中的比较结果，根据试验研究成果和计算机仿真分析建立桥面结构形态变化与桥梁结构安全性之间的关系，通过对同一桥梁桥面结构的数字化空间曲面变化的分析比较，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，利用行走车上安装的摄像装置6采集桥面图像信息并传输至并储存于数据处理终端；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；依据统计学理论，结合桥面图像信息对数字化桥面形态进行降噪处理，得到桥面结构的数字化空间曲面。

本实施例的安全评价方法，依据桥梁曲面的变化，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面实测数据的非平稳震荡，利用摄像机进行判断，据此可以构造出行走车行驶条带范围内桥面结构的数字化曲面；通过对历次面相监测得到的桥面结构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 (8)

1.一种车载桥面形态-结构安全监测系统，其特征在于：包括行走车和检测装置，所述检测装置包括数据处理终端和检测总成，所述检测总成包括行走车位移检测件、T形检测架以及分布于T形检测架的横梁和纵梁上的激光传感器，所述纵梁沿行走车纵向设置于行走车底盘下部，纵梁重心较低且可绕一纵向轴线转动；所述激光传感器检测方向向下，行走车位移检测件所检测的位移信号和激光传感器检测的桥面数据信号传输至数据处理终端。

2.根据权利要求1所述的车载桥面形态-结构安全监测系统，其特征在于：所述横梁位于行走车底盘尾端，行走车底盘前端设有用于获取桥面视频数据的摄像装置。

3.根据权利要求2所述的车载桥面形态-结构安全监测系统，其特征在于：所述纵梁上分布的激光传感器至少为三个。

4.根据权利要求3所述的车载桥面形态-结构安全监测系统，其特征在于：所述纵梁通过至少两个安装座支撑于底盘，所述纵梁对应设有与安装座转动配合的轴颈。

5.根据权利要求4所述的车载桥面形态-结构安全监测系统，其特征在于：所述纵梁的轴颈与安装座之间通过滚动轴承转动配合。

6.根据权利要求5所述的车载桥面形态-结构安全监测系统，其特征在于：所述纵梁下部固定设有用于降低其重心的平衡块。

7.一种利用权利要求1所述的车载桥面形态-结构安全监测系统对桥梁进行安全评价的方法，其特征在于：包括下列步骤：

a.设定一坐标系，驱动行走车沿桥面纵向行驶，T形检测架横梁和纵梁上的激光传感器分别实时采集桥面横向数据信号和纵向数据信号，根据行走车纵向位移数据及纵梁和横梁上激光传感器的测试数据得到桥面各个检测点的实时坐标值；

依据实时的横向数据信号结合行走车位移信号，得出沿桥梁纵向和横向的数字化桥面形态；

b.利用步骤a的程序按设定周期对同一桥梁获取桥面结构的数字化空间曲面，获取不同时期桥面结构的数字化空间曲面数据并储存于数据处理终端；

c.将步骤a测得的桥面结构的数字化空间曲面与步骤b测得的桥面结构的数字化空间曲面进行比较，同时，将步骤b中每次测得桥面结构的数字化空间曲面与前次测得桥面结构的数字化空间曲面进行比较；

d.根据步骤c中的比较结果，根据试验研究成果和计算机仿真分析建立桥面结构形态变化与桥梁结构安全性之间的关系，通过对同一桥梁桥面结构的数字化空间曲面变化的分析比较，判别桥梁结构的安全性。

8.根据权利要求7所述的对桥梁进行安全检测的方法，其特征在于：利用行走车上安装的摄像装置采集桥面图像信息并传输至并储存于数据处理终端。

Images