CN103292774B - 一种桥梁动态挠度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种桥梁动态挠度测量方法，该方法的步骤包括：根据桥梁结构类型确定挠度测点，并于各测点安装压力变送器及加速度传感器；收集各测点连通管内液体压力及各测点的加速度数据；数据处理单元接收上述数据，并依据数据模型一对上述采集的数据进行处理，得到各测点的动态挠度。本发明测量方法测量桥梁的动态挠度精度高。

Description

一种桥梁动态挠度测量方法

技术领域

本发明涉及桥梁数据测量技术，尤其是涉及一种基于压力场连通管原理对桥梁动态挠度进行测量的方法。

背景技术

桥梁挠度是评价桥梁安全性和适用性的重要指标。目前，国内外已有各种健康监测系统应用于桥梁的挠度监测，监测方法分为静态测量和动态测量两大类。静态测量通常是工作人员采用经纬仪、水准仪、百分表等测量桥梁的挠度，因其难以准确反映车辆通行所产生的动载作用下桥梁安全与运营状态，无法满足长期挠度自动化监测的需要。动态测量是对桥梁挠度进行实时、在线监测，可准确反映桥梁实时运营下变形状态，能及时发现桥梁结构的事故先兆，避免突发性灾难事故、减轻人员伤亡及财产损失，预防重大灾难性事故、保证桥梁运营安全，同时，准确测量车辆通行动载作用下桥梁挠度，亦是分离挠度各组分分量，进而诊断桥梁结构损伤等病害的基础。

目前桥梁动挠度监测的方法主要有6大类，即测量机器人、倾角仪、GPS、激光图像法、光电成像法及连通管法。但均难以同时满足桥梁结构高精度、高稳定性、连续动态性以及全天候的实时监测要求。基于连通管原理的挠度监测物理概念明确，测量结果相对可靠，且不受桥梁现场的高尘、高湿和浓雾等外界环境影响，能较好满足桥梁结构的需要。这项技术在建筑物的安全监测中应用已十分普遍。近年来该监测方法已逐渐运用桥梁结构中。

应用于桥梁挠度测量的连通管挠度监测系统主要由管道、液体以及传感器等组成，并通过测取管道内液体液位量值获得结构挠度量值。连通管测量挠度的关键技术在于采用何种方法获取管内液位，而要实现连通管液位的长期自动测量，必须采用与连通管配套的传感器。目前，管内液位获取方法主要有直接的液位法和间接的压力法两大类，对应的实际应用传感器有液位传感器和压力传感器。

液位传感器是通过直接量测连通管液面的变化反映桥梁的挠度变化。从目前已有研发液位传感器系统看，光电图像识别技术精度最高,可达0.1mm级。而其他液位识别技术精度一般只能达到毫米级或厘米级，无法满足桥梁结构需求。但光电液位挠度传感器法很难考虑温度变化、液体蒸发及液位振荡等影响，这与实际不符，且受结构纵坡变化影响，传感器量程无法达到实际挠度量值要求。

连通管式压力传感器方法主要通过压力变化来反映桥梁的挠度变化。从已有实际应用情况看，基于压力场的连通管法是一种更为实用、有效的桥梁挠度长期监测方法。该方法是通过每个挠度测点所布设的压力传感器反映压力变化，经A/D转换后获取压力值，最后将压力变化转变为结构挠度变化。但该法的一个关键问题是，随着桥梁结构在运营荷载作用下的振动(如大型车辆在桥梁上通过时)，固定在梁体上的连通管亦将随之振动，尤其是当各测点连通管存在高程差时，结构的振动加速度势必在管道内产生较大的附加压力，将严重影响结构测量精度。已有公开成果实质上仅能获得上述所定义的桥梁结构静态挠度量值，并未考虑加速度引起的附加压强影响，其测量精度受限。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高精度的桥梁动态挠度测量方法，该测量方法施工便利，适用于对任何坡度的桥梁梁体动态挠度的测量。

本发明通过以下技术方案实现该目的：

一种桥梁动态挠度测量方法，包括以下步骤：

1)系统布设

将连通管沿桥梁梁体纵向铺设并固定于梁体上，水箱固定于受结构振动影响较小的部位或不受结构振动影响的部位；根据桥梁结构类型确定挠度测点，于测点同一断面布设压力变送器和加速度传感器，其中压力变送器测量连通管内液体压力，加速度传感器测量桥梁或连通管的加速度；因为连通管固定于桥梁上，那么测量连通管的加速度也可以得到桥梁的加速度；

2)数据采集

通过压力变送器得到各测点连通管管壁的初始压强，某一时点连通管管壁的静态压强；通过加速度传感器得到同一时点各测点的加速度；并调整安装后压力变送器初始值；

3)数据处理

数据处理单元接收上述数据，并依据数据模型一对上述采集的数据进行处理，得到各测点的动态挠度；数据模型一为

u_di,t＝u_i,t-u_ai,t

$u_{i,t}=\frac{P_{i,t}-P_{i,0}}{\mathrm{\ρ}g}$

$u_{ai,t}=\frac{P_{ai,t}}{\mathrm{\ρ}g}$

$\begin{array}{c}{P}_{ai,t}=\mathrm{\ρ}\×\[\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{a_{j+1,t}+a_{j,t}}{2}\sqrt{{\left(x_{j+1}-x_j\right)}^2+{\left(y_{j+1}-y_j\right)}^2}-\underset{j=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{a_{j+1,t}+a_{j,t}}{2}\sqrt{{\left(x_{j+1}-x_j\right)}^2+{\left(y_{j+1}-y_j\right)}^2}\]\\ \×\frac{y_i-y_{i-1}}{\sqrt{{\left(x_i-x_{i-1}\right)}^2+{\left(y_i-y_{i-1}\right)}^2}}\end{array}$

其中，(x_o,y_o)为位于连通管与水箱其中一个相连处正下方连通管的坐标，(x_n+1,y_n+1)为位于连通管与水箱另一个相连处正下方连通管的坐标，测点从(x_o,y_o)至(x_n+1,y_n+1)按顺序进行编号，即测点1、测点2、测点3、…、测点n,(x_i,y_i)为各测点i(i＝1,2,3,…,n)的坐标；u_di,t为i测点在t时刻动态挠度量；u_i,t为测点i在t时刻静态挠度量，u_ai,t为i测点在t时刻虚拟挠度增量；P_i,t为测点i在t时刻通管管壁的静态压强；P_i,0为i测点的初始压强；n为设定测点的数量；ρ为连通管内液体的密度；g为重力加速度；P_ai,t为测点i在t时刻由结构振动引起的附加压强量值。

相对现有技术，本发明桥梁动态挠度测量方法测量得到的动态挠度精度高。

附图说明

以下结合附图对本发明进行详细描述。

图1为本发明桥梁动态挠度测量方法的流程图。

图2为检测发明测量方法的模型试验系统布置图。

图3为模型试验系统中连通管内液体加速度及压力差时程曲线图。

图4为模型试验系统中压力差计算值与试验值时程曲线图。

图中：1-水箱，2-连通管，3-压力变送器，4-采集模块，5-计算机，6-信号分析仪，7-门式钢架，8-不锈钢板梁，9-加速度传感器。

具体实施方式

如图1，本发明桥梁动态挠度测量方法包括以下步骤：

1)系统布设

将连通管沿桥梁梁体纵向铺设并固定于梁体上，水箱固定于不受结构振动影响的部位；根据桥梁结构类型确定挠度测点，于测点同一断面布设压力变送器和加速度传感器，其中压力变送器测量连通管内液体压力，加速度传感器测量连通管的加速度；

2)数据采集

选择压力变送器的量程，并通过压力变送器得到各测点连通管管壁的初始压强，某一时点连通管管壁的静态压强；通过加速度传感器得到同一时点各测点的加速度；

3)数据处理

数据处理单元接收上述数据，并依据数据模型一对上述采集的数据进行处理，得到各测点的动态挠度；数据模型一为

u_di,t＝u_i,t-u_ai,t

$u_{i,t}=\frac{P_{i,t}-P_{i,0}}{\mathrm{\ρ}g}$

$u_{ai,t}=\frac{P_{ai,t}}{\mathrm{\ρ}g}$

$\begin{array}{c}{P}_{ai,t}=\mathrm{\ρ}\×\[\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{a_{j+1,t}+a_{j,t}}{2}\sqrt{{\left(x_{j+1}-x_j\right)}^2+{\left(y_{j+1}-y_j\right)}^2}-\underset{j=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{a_{j+1,t}+a_{j,t}}{2}\sqrt{{\left(x_{j+1}-x_j\right)}^2+{\left(y_{j+1}-y_j\right)}^2}\]\\ \×\frac{y_i-y_{i-1}}{\sqrt{{\left(x_i-x_{i-1}\right)}^2+{\left(y_i-y_{i-1}\right)}^2}}\end{array}$

其中，(x_o,y_o)为位于连通管与水箱其中一个相连处正下方连通管的坐标，(x_n+1,y_n+1)为位于连通管与水箱另一个相连处正下方连通管的坐标，测点从(x_o,y_o)至(x_n+1,y_n+1)按顺序进行编号，即测点1、测点2、测点3、…、测点n,(x_i,y_i)为各测点i(i＝1,2,3,…,n)的坐标；u_di,t为i测点在t时刻动态挠度量；u_i,t为测点i在t时刻静态挠度量，u_ai,t为i测点在t时刻虚拟挠度增量；P_i,t为测点i在t时刻通管管壁的静态压强；P_i,0为i测点的初始压强；n为设定测点的数量；ρ为连通管内液体的密度；g为重力加速度；P_ai,t为测点i在t时刻由结构振动引起的附加压强量值。

以下结合模型试验系统对本发明桥梁动态挠度测量方法进行验证。

如图2所示，模型试验系统由水箱1、门式钢架7、钢管、不锈钢板梁8以及连通管2组成。不锈钢板梁8长2.0m、宽0.1m、高1.7mm，两端悬吊在钢架下，构成简支梁；钢管长0.985m、内径0.02m，上端封闭，并悬挂于简支梁跨中，钢管倾角为16.24°，下端铰支承。当简支梁在跨中初始竖向位移激励下产生振动时，带动钢管上端振动。水箱1采用直径为0.35m，高为0.4m的硬质塑料桶，中部设有2个连接孔，通过连通管2分别与钢管上端和压力变送器3的低压端相连，下端设有1个连接孔，通过连通管2与钢管下端连接；压力变送器3的高压端与钢管下端相连。门式钢架7与不锈钢板简支梁截面惯性矩之比为25:1，故可略去钢架的变形影响。水箱1与管道面积之比为306：1，可以略去钢管振动对水箱1的液位的影响；为便于在简支梁跨中放置加速度传感器9，测量钢管上端加速度，钢管上端焊接一块钢板。加速度传感器9接收的信号经信号分析仪6后传递至计算机5(即数据处理单元)，压力变送器3接收的信号经采集模块4后传递到计算机5。

试验测试前于水箱1灌注水，水流经连通管2、钢管，以及水箱1中部连接孔，并最终流回水箱1，灌注完毕后可有效排出系统内空气影响。试验时，使简支梁跨中以初始竖向位移6cm自由振动，并通过压力变送器3测量低压端与高压端的在振动过程中压力差变化量，由此获得钢管下端水压改变量，同时利用加速度传感器9同步测量简支梁跨中竖向加速度。实测钢管上端加速度和下端压力差时程曲线如图3所示。

压力变送器3所测点处的理论计算压力差时程曲线采用式 $\begin{array}{c}{P}_{ai,t}=\mathrm{\ρ}\×\[\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{a_{j+1,t}+a_{j,t}}{2}\sqrt{{\left(x_{j+1}-x_j\right)}^2+{\left(y_{j+1}-y_j\right)}^2}-\underset{j=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{a_{j+1,t}+a_{j,t}}{2}\sqrt{{\left(x_{j+1}-x_j\right)}^2+{\left(y_{j+1}-y_j\right)}^2}\]\\ \×\frac{y_i-y_{i-1}}{\sqrt{{\left(x_i-x_{i-1}\right)}^2+{\left(y_i-y_{i-1}\right)}^2}}\end{array}$ 计算，即为该测点附加压强。图4为理论计算压力差时程曲线与试验压力差时程曲线的比较，整体二者吻合良好。同时，理论计算最大幅值为72.7pa，实测最大幅值为71.0pa，误差1.17％。此外，按式计算得到的附加挠度量值达到了mm级，表明应加速度引起的振动误差不可忽略。该模型试验系统测量表明，本发明方法计算可靠，可有效降低系统测量误差。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种桥梁动态挠度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)系统布设

将连通管沿桥梁梁体纵向铺设并固定于梁体上，水箱固定于受结构振动影响较小的部位或不受结构振动影响的部位；根据桥梁结构类型确定挠度测点，于测点同一断面布设压力变送器和加速度传感器，其中压力变送器测量连通管内液体压力，加速度传感器测量桥梁或连通管的加速度；

2)数据采集

测量前先通过水箱灌注水将连通管内的空气排出；通过压力变送器得到各测点通管管壁的初始压强，某一时点通管管壁的静态压强；通过加速度传感器得到同一时点各测点的加速度；

3)数据处理

数据处理单元接收上述数据，并依据数据模型一对上述采集的数据进行处理，得到各测点的动态挠度；数据模型一为

u_di,t＝u_i,t-u_ai,t

$u_{i,t}=\frac{P_{i,t}-P_{i,0}}{\mathrm{\ρ}g}$

$u_{ai,t}=\frac{P_{ai,t}}{\mathrm{\ρ}g}$

$\begin{array}{c}{P}_{ai,t}=\mathrm{\ρ}\×\[\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}\frac{a_{j+1,t}+a_{j,t}}{2}\sqrt{{(x_{j+1}-x_j)}^2+{(y_{j+1}-y_j)}^2}-\underset{j=0}{\overset{i}{\Σ}}\frac{a_{j+1,t}+a_{j,t}}{2}\sqrt{{(x_{j+1}-x_j)}^2+{(y_{j+1}-y_j)}^2}\]\\ \×\frac{y_i-y_{i-1}}{\sqrt{{(x_i-x_{i-1})}^2+{(y_i-y_{i-1})}^2}}\end{array}$

其中，(x_o,y_o)为位于连通管与水箱其中一个相连处正下方连通管的坐标，(x_n+1,y_n+1)为位于连通管与水箱另一个相连处正下方连通管的坐标，测点从(x_o,y_o)至(x_n+1,y_n+1)按顺序进行编号，即测点1、测点2、测点3、…、测点n,(x_i,y_i)为各测点i(i＝1,2,3,…,n)的坐标；u_di,t为i测点在t时刻动态挠度量；u_i,t为测点i在t时刻静态挠度量，u_ai,t为i测点在t时刻虚拟挠度增量；P_i,t为测点i在t时刻通管管壁的静态压强；P_i,0为i测点的初始压强；n为设定测点的数量；ρ为连通管内液体的密度；g为重力加速度；P_ai,t为测点i在t时刻由结构振动引起的附加压强量值。