CN103944970B - 一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测系统和方法，包括由断裂线组件、通路检测器和无线终端组成的原位检测装置、由Zigbee网关模块和GPRS网关模块组成的无线网关以及由远程服务器和远程计算机组成的远程控制设备，断裂线组件由双向正交排布的光纤或电阻断裂线组成；通路检测器与断裂线组件相连，并按照无线终端的指令对每根断裂线组件的连通或断裂情况进行检测；Zigbee网关模块与无线终端之间组成Zigbee近距离无线传输网络，GPRS网关模块与远程服务器之间采用GPRS远距离通讯。本发明实现了对正交异性钢桥面板疲劳裂纹的长期远程监测，可应用于实际工程当中。

Description

一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测系统和方法

技术领域

本发明涉及钢结构监测技术领域，具体地，涉及一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测系统和方法。

背景技术

正交异性钢桥面板由于结构自重轻、整体效率高、跨越能力强、抗震性能好等优点，被广泛应用于大、中跨度桥梁结构中。但是，由于构造应力复杂、焊接缺陷难控制以及直接承受车辆动力作用等原因，正交异性钢桥面板也是钢桥结构中最容易发生疲劳破坏的部位。自1971年英国Severn桥最早发现钢桥面板构造细节的疲劳裂纹以来，德国、法国、日本、美国、荷兰等国相继出现了钢桥面板疲劳开裂的报道，我国虎门大桥、海沧大桥、江阴大桥等的正交异性钢桥面板也已经检测到了大量疲劳裂纹。这些裂纹具有许多共性，并且通常出现在纵肋与面板连接焊缝、纵肋与横隔板连接焊缝、横隔板与面板连接焊缝、纵肋对接焊缝等应力集中明显位置。因此，需要在实际工程中对在役正交异性钢桥面板的疲劳开裂情况进行长期监测。

目前国内对在役正交异性钢桥面板的疲劳裂纹尚未能实现实时自动监测，基本都是采用定期人工检测的方法对钢桥面板性能进行监控，其中使用最为广泛的是目测法。目测法存在许多局限性，比如现场情况可能导致检测人员很难甚至无法到达某些疲劳开裂敏感区域，以及人工目测可能无法精准确定裂纹的尖端位置等。因此，也有一些利用电势能落差、超声回传等原理开发而成的钢结构裂纹探测设备，可实现对裂纹尺寸的准确测量，但这些设备同样需要人工现场操作，可能存在部分区域不可达和操作空间受限的问题，也无法通过远程控制实现自动检测和长期监测。无论哪种方法，都需要人工寻找裂纹萌生的初始位置，这对于包含有大量可能开裂位置（即焊缝连接区域）的正交异性钢桥面板而言，工作量无疑是巨大的。因此，需要设计一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测系统，该系统应能通过在各种可能开裂位置布置裂纹检测传感器，并采用远程控制代替人工现场操作，实现对钢桥面板疲劳开裂状态的自动检测和长期监测，确保桥梁结构的安全性与使用性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测系统和方法，该系统原理清晰、性能稳定、扩展性好、成本低廉；实现了对正交异性钢桥面板疲劳裂纹的长期远程监测，可应用于实际工程当中。

为实现以上目的：

本发明提供一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测系统，所述系统包括原位检测装置、无线网关以及远程控制设备；其中：

所述原位检测装置包含断裂线组件、通路检测器和无线终端；断裂线组件由双向正交排布的光纤或电阻断裂线组成，并粘贴于正交异性钢桥面板的疲劳开裂敏感区域或已有裂纹尖端前方区域；通路检测器与断裂线组件相连，并按照无线终端的指令对每根光纤或电阻断裂线的连通或断裂情况进行检测；

所述无线网关包含Zigbee网关模块和GPRS网关模块；Zigbee网关模块与无线终端之间组成Zigbee近距离无线传输网络，将来自Zigbee网关模块的外部监测指令转化成激励信号传递给通路检测器，同时将裂纹检测数据返回给Zigbee网关模块；

所述远程控制设备包含远程服务器和远程计算机；GPRS网关模块与远程服务器之间采用GPRS远距离通讯，将远程控制指令从远程服务器传递至各无线终端，同时也将裂纹检测数据从无线终端传送至远程服务器，远程计算机从远程服务器获取裂纹检测数据并对裂纹检测数据进行处理，实现正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测。

优选地，所述远程计算机进行裂纹信息处理与计算，具体的是将监测指令直接发送至远程服务器，并从远程服务器获取裂纹检测数据，然后分析数据得到裂缝的扩展角度、长度与速率，并进一步形成裂纹分布图和裂纹监测报告。

优选地，所述通路检测器接收无线终端的指令，以一定时间间隔自动检测并记录断裂线组件的断裂位置和断裂时间，并将检测数据传递至无线终端。

优选地，所述Zigbee网关模块最多可同时与254个无线终端建立Zigbee拓扑网络，可根据需要设置多个Zigbee网关模块。

优选地，所述Zigbee网关模块与无线终端的最远通讯距离为2km，可在全桥范围内灵活布置无线网关的位置。

优选地，所述光纤断裂线组件的大小可以根据检测区域范围进行定做，光纤或电阻断裂线的数量和间距也可按照检测精度要求进行调整。

本发明所述系统既能用于未开裂桥面板的疲劳裂纹萌生监测，也能用于钢桥面板已有疲劳裂纹的扩展情况监测；当用于未开裂钢桥面板的潜在裂纹萌生监测时，将断裂线组件粘贴在疲劳开裂敏感区域，如纵肋与面板连接焊缝、纵肋与横隔板连接焊缝、横隔板与面板连接焊缝、纵肋对接焊缝的钢板表面；对于已经开裂的正交异性钢桥面板，将光纤断裂线组件粘贴在裂纹尖端前方区域的钢板表面。

本发明还提供一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测方法，包括以下步骤：

步骤1：对于未开裂的正交异性钢桥面板，将断裂线组件粘贴在纵肋与面板连接焊缝、纵肋与横隔板连接焊缝、横隔板与面板连接焊缝、纵肋对接焊缝等疲劳开裂敏感区域的钢板表面；对于已经开裂的正交异性钢桥面板，将断裂线组件粘贴在裂纹尖端前方区域的钢板表面；

步骤2：将通路检测器连同无线终端一并粘贴在断裂线组件附近，并形成连接通路；

步骤3：将集成有Zigbee网关模块和GPRS网关模块的无线网关固定在桥面板内部中间位置；

步骤4：利用内置电池启动通路检测器、无线终端和无线网关，实现Zigbee及GPRS无线网络连接成功；

步骤5：通过远程计算机发送裂纹监测指令；

步骤6：远程计算机接收裂纹检测数据，包括断裂线组件的断裂位置编号和断裂时间，并通过计算机程序推算得到疲劳裂纹的位置、长度、扩展速率等信息，进一步形成裂纹分布图和裂纹监测报告。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）通过在结构原位安装裂纹检测装置，以自动检测替代人工检测，节约大量劳动力，同时保证检测区域无死角。

（2）断裂线组件大小及内部断裂线间距和数量可根据需要进行调整和定制，满足不同监控区域范围和检测精度的要求。

（3）采用Zigbee无线网络，终端节点容量大且扩展性强，可满足多点监测的需求；传输距离较大，便于灵活安放无线网关的位置；无线终端功耗低，可大幅延长内置电池的更换时间。

（4）所采用的裂纹检测、无线传输及远程控制等硬件制作简单、成本较低且市场应用广泛。

（5）整个监测过程实现自动化和远程化，可得到监测报告并简化监测工作量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的总体结构框图；

图2为本发明的疲劳裂纹监测区域分布图；

图3为本发明的原位检测装置在横隔板上（监测区域一）的布置示意图；

图4为本发明的原位检测装置在纵肋上（监测区域二）的布置示意图；

图5为本发明的原位检测装置在盖板上（监测区域三）的布置示意图；

图中：1—原位检测装置；2—无线网关；3—远程控制设备；4、4-1……4-n—断裂线组件；5、5-1……5-n—通路检测器；6、6-1……6-n—无线终端；7—Zigbee网关模块；8—GPRS网关模块；9—远程服务器；10—远程计算机；11—盖板；12—纵肋；13—检测区域一；14—检测区域二；15—监测区域三；16—桥面铺装；17—角焊缝；18—横隔板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。

如图1-5所示，本实施例提供一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测系统，包括原位检测装置1、无线网关2与远程控制设备3，其中：

所述原位检测装置1由断裂线组件4、4-1……4-n、通路检测器5、5-1……5-n和无线终端6、6-1……6-n组成；所述断裂线组件4、4-1……4-n由双向正交排布的光纤或电阻断裂线组成，并粘贴于正交异性钢桥面板的疲劳开裂敏感区域或已有裂纹尖端前方区域；所述通路检测器5、5-1……5-n与断裂线组件4、4-1……4-n相连接并按照无线终端6、6-1……6-n的指令对每根光纤或电阻断裂线的连通或断裂情况进行检测；

所述无线网关2由Zigbee网关模块7和GPRS网关模块8组成；所述Zigbee网关模块7与无线终端6、6-1……6-n之间组成Zigbee近距离无线传输网络，将来自Zigbee网关模块7的外部监测指令转化成激励信号传递给通路检测器5、5-1……5-n，同时将裂纹检测数据返回给Zigbee网关模块7；

所述远程控制设备3由远程服务器9和远程计算机10组成；GPRS网关模块8与远程服务器9之间采用GPRS远距离通讯，将远程控制指令从远程服务器9传送至无线终端6、6-1……6-n，同时也将裂纹检测数据从无线终端6、6-1……6-n传送至远程服务器9，远程计算机10将监测指令直接发送至远程服务器9，并从远程服务器9获取裂纹检测数据，然后通过计算机处理得到疲劳裂纹的位置、长度、扩展速率等信息，进一步形成裂纹分布图和裂纹监测报告。

本实施例中，所述通路检测器5、5-1……5-n接收无线终端6、6-1……6-n的指令，以一定时间间隔自动检测并记录断裂线组件4、4-1……4-n的断裂位置和断裂时间，并将检测数据传递至无线终端6、6-1……6-n。

本实施例中，所述Zigbee网关模块7最多可同时与254个无线终端6、6-1……6-n建立Zigbee拓扑网络，可根据需要设置多个Zigbee网关模块7。

本实施例中，所述Zigbee网关模块7与无线终端6、6-1……6-n的最远通讯距离为2km，可在全桥范围内灵活布置无线网关2的位置。

本实施例中，所述光纤断裂线组件4、4-1……4-n的大小可以根据检测区域范围进行定做，光纤或电阻断裂线的数量和间距也可按照检测精度要求进行调整。

如图2所示，为本发明的疲劳裂纹监测区域分布图，本发明所述系统既能用于未开裂桥面板的疲劳裂纹萌生监测，也能用于钢桥面板已有疲劳裂纹的扩展情况监测；当用于未开裂钢桥面板的潜在裂纹萌生监测时，将断裂线组件粘贴在疲劳开裂敏感区域，如纵肋与面板连接焊缝、纵肋与横隔板连接焊缝、横隔板与面板连接焊缝、纵肋对接焊缝的钢板表面；对于已经开裂的正交异性钢桥面板，将光纤断裂线组件粘贴在裂纹尖端前方区域的钢板表面。图3、图4、图5是对图2的详细说明，图中：盖板11、纵肋12、检测区域一13，检测区域二14，监测区域三15，桥面铺装16，角焊缝17，横隔板18。

本实施例使用所述系统进行监测时，按照以下步骤进行：

步骤1：对于未开裂的正交异性钢桥面板，将断裂线组件4、4-1……4-n粘贴在纵肋与盖板连接焊缝、纵肋与横隔板连接焊缝、横隔板与盖板连接焊缝、纵肋对接焊缝等疲劳开裂敏感区域的钢板表面；对于已经开裂的正交异性钢桥面板，将断裂线组件4、4-1……4-n粘贴在裂纹尖端前方区域的钢板表面；

步骤2：将通路检测器5、5-1……5-n连同无线终端6、6-1……6-n一并粘贴在断裂线组件4、4-1……4-n附近，并形成连接通路；

步骤3：将集成有Zigbee网关模块7和GPRS网关模块8的无线网关2固定在桥面板内部中间位置；

步骤4：利用内置电池启动通路检测器5、5-1……5-n、无线终端6、6-1……6-n和无线网关2，实现Zigbee及GPRS无线网络连接成功；

步骤5：通过远程计算机10发送裂纹监测指令，之后通路检测器检测光纤断裂组件的通路情况获得裂纹监测数据；

步骤6：远程计算机10接收裂纹检测数据，包括断裂线组件4、4-1……4-n的断裂位置编号和断裂时间，并分析数据得到裂缝的扩展角度、长度与速率，进一步形成裂纹分布图和裂纹监测报告。

本发明整个系统原理清晰，性能稳定，扩展性好，成本低廉。该系统实现了对正交异性钢桥面板疲劳裂纹的长期远程监测，可应用于实际工程当中。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测方法，其特征在于，所述方法采用正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测系统，所述系统包括原位检测装置、无线网关以及远程控制设备；其中：

所述原位检测装置包含断裂线组件、通路检测器和无线终端；断裂线组件由双向正交排布的光纤或电阻断裂线组成，并粘贴于正交异性钢桥面板的疲劳开裂敏感区域或已有裂纹尖端前方区域；通路检测器与断裂线组件相连，并按照无线终端的指令对每根光纤或电阻断裂线的连通或断裂情况进行检测；

所述无线网关包含Zigbee网关模块和GPRS网关模块；Zigbee网关模块与无线终端之间组成Zigbee近距离无线传输网络，将来自Zigbee网关模块的外部监测指令转化成激励信号传递给通路检测器，同时将裂纹检测数据返回给Zigbee网关模块；

所述远程控制设备包含远程服务器和远程计算机；GPRS网关模块与远程服务器之间采用GPRS远距离通讯，将远程控制指令从远程服务器传递至各无线终端，同时也将裂纹检测数据从无线终端传送至远程服务器，远程计算机从远程服务器获取裂纹检测数据并对裂纹检测数据进行处理，实现正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测；所述远程计算机将监测指令直接发送至远程服务器，并从远程服务器获取裂纹检测数据，然后分析数据得到裂缝的扩展角度、长度与速率，并进一步形成裂纹分布图和裂纹监测报告；

所述系统既能用于未开裂桥面板的疲劳裂纹萌生监测，也能用于钢桥面板已有疲劳裂纹的扩展情况监测；当用于未开裂钢桥面板的潜在裂纹萌生监测时，将断裂线组件粘贴在疲劳开裂敏感区域，所述敏感区域包括纵肋与面板连接焊缝、纵肋与横隔板连接焊缝、横隔板与面板连接焊缝、纵肋对接焊缝的钢板表面；对于已经开裂的正交异性钢桥面板，将光纤断裂线组件粘贴在裂纹尖端前方区域的钢板表面；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：对于未开裂的正交异性钢桥面板，将断裂线组件粘贴在疲劳开裂敏感区域的钢板表面；对于已经开裂的正交异性钢桥面板，将断裂线组件粘贴在裂纹尖端前方区域的钢板表面；

步骤2：将通路检测器连同无线终端一并粘贴在断裂线组件附近，并形成连接通路；

步骤3：将集成有Zigbee网关模块和GPRS网关模块的无线网关固定在正交异性钢桥面板内部中间位置；

步骤4：利用内置电池启动通路检测器、无线终端和无线网关，实现Zigbee及GPRS无线网络连接成功；

步骤5：通过远程计算机发送裂纹监测指令；

步骤6：远程计算机接收裂纹检测数据，包括断裂线组件的断裂位置编号和断裂时间，并分析数据得到裂缝的扩展角度、长度与速率，并进一步形成裂纹分布图和裂纹监测报告；

所述Zigbee网关模块能同时与254个无线终端建立Zigbee拓扑网络；

所述Zigbee网关模块与无线终端的最远通讯距离为2km，可在全桥范围内灵活布置无线网关的位置。

2.根据权利要求1所述的一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测方法，其特征在于，所述通路检测器接收无线终端的指令，以一定时间间隔自动检测并记录断裂线组件的断裂位置和断裂时间，并将检测数据传递至无线终端。

3.根据权利要求1所述的一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹远程监测方法，其特征在于，所述光纤断裂线组件的大小根据检测区域范围进行定做，光纤或电阻断裂线的数量和间距按照检测精度要求进行调整。