CN104764622B - 一种桥梁状态的检测装置与检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥梁检测监控技术领域，尤其涉及一种桥梁状态的检测装置与检测方法，一种桥梁状态的检测装置包括，采集装置，通讯单元，监控单元，用以接收所述采集数据，并根据所述采集数据形成一判断结果。与现有技术相比，本发明的优点是：桥梁于负荷通过后余震状态下，根据水平方向的加速度获取每根板梁扭转振动频率，通过监控单元判断每根板梁扭转振动频率接近每根所述板梁单独受力状态下的扭转振动频率，于每根所述板梁的扭转振动频率接近所述每根所述板梁单独受力状态下的扭转振动频率，判断所述铰缝出现损坏现象，无法实现力的传递。采用此种方法，无需封闭交通的条件下，实时测量铰缝的受力状态，即可实时获知板梁的横向连接状态。

Description

一种桥梁状态的检测装置与检测方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁检测监控技术领域，尤其涉及一种桥梁状态的检测装置与检测方法。

背景技术

板式桥由于建筑高度低，施工速度快，建设费用低等优点被广泛应用于中小跨径的道路桥梁及城市高架桥的建设。如图1所示，其中，x表示水平方向，y表示垂直方向，O为轴向，荷载车辆通过板式桥梁时使得荷载车辆下部的板梁发生弹性形变，同时依靠绞缝将大部分荷载传递给相邻板梁，以达到共同受力的功能，如果一旦绞缝发生损坏，铰缝则无法实现应力的传递，则会出现单板受力现象，板梁因单板受力则容易发生板梁超载，导致板梁断裂事故。因此对于板桥结构，完整的绞缝的对桥梁安全使用的重要前提。现有的对铰缝的检查检测通常采用以下方法：(1)定期由检测人员目视检查铰缝，通过观察绞缝处桥面有无裂缝，板梁底部有无漏水，有无白色水迹来判断绞缝是否完好。此方法简单实用，但是，此方法不能直接定量评定板梁横向连接状况的问题，而且严重依赖于检查者的经验；(2)通过荷载试验检测横向分布系数，试验车辆静止加载于桥梁时，检测相邻板梁的实际挠度差异，来评定板梁间的荷载传递能力。此方法能准确检测绞缝的传递荷载功能。但是该方法需要试验车辆处于静止状态下方可检测，因此需要封锁交通，且试验时间长，对于交通干道难以实施。(3)申请号为201110326223的中国专利，公布了铰接板梁桥铰缝检测方法及检测装置，采用的技术方法是，通过埋入位移计检测相邻板梁的相对垂直位移，判别其传递能力状况，此方法无需封闭交通，可以利用车辆通行的荷载检测相邻板梁相对垂直位移，实时方便。但是，相邻板梁的相对垂直位移受荷载的位置，大小的影响极大，因此，此方法难以准确判别板梁横向连接状况，误差率较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种测试方式简单，测试准确率高的桥梁状态的检测装置与检测方法。

一种桥梁状态的检测装置，应用于板式桥梁，所述板式桥梁包括复数根板梁以及间隔于所述板梁之间的铰缝，于所述板梁下端设置有复数个与所述板梁匹配的支座，其中：该检测装置包括，

一采集装置，固定设置于所述板式桥梁的预定位置处，用以采集所述板式桥梁于负荷通过后余震状态下每根所述板梁下端水平方向产生的加速度，并形成一采集信号输出；

一通讯单元，用以接收所述采集信号，并将所述采集信号转化为预定格式的采集数据输出；

一监控单元，用以接收所述采集数据，并根据所述采集数据形成一判断结果。

上述的桥梁状态的检测装置，其中：所述预定位置为每根所述板梁下端的跨中位置。

上述的桥梁状态的检测装置，其中：所述监控单元包括，

一计算单元，接收所述采集数据，根据所述采集数据按照预定方法计算每根所述板梁的扭转振动角加速度，并根据所述扭转振动角加速度获取一与所述扭转振动角加速度匹配的扭转振动频率；

一比较单元，预设有所述板梁的标准扭转振动频率的阈值范围；

一判断单元，分别接收所述扭转振动频率和所述标准扭转振动频率的阈值范围，并根据所述扭转振动频率和所述标准扭转振动频率的阈值范围形成所述判断结果输出。

上述的桥梁状态的检测装置，其中：所述标准扭转振动频率的计算方法为，

其中，f：所述板梁的标准扭转振动频率；K₁：所述支座约束产生的扭转刚度；K₂：所述绞缝约束产生的扭转刚度；ρ:所述板梁的单位密度；I_p:所述板梁的抗扭模量；L:所述板梁的长度；b:所述振动模态系数；

其中，所述K₁的计算方法为，

K₁＝GJ

G：所述板梁的切变模量，J：所述板梁的刚度系数。

上述的桥梁状态的检测装置，其中：所述预定方法为，

其中，a为所述板梁下端水平方向的加速度，R为所述板梁的扭转振动轴心到所述采集装置的距离，为所述板梁的扭转振动的角加速度。

上述的桥梁状态的检测装置，其中：采用快速傅里叶变换算法对所述扭转振动角加速度进行计算得到所述扭转振动频率。

一种桥梁状态的检测方法，应用于板式桥梁，所述板式桥梁包括复数根板梁以及间隔于所述板梁之间的铰缝，于所述板梁下端设置有复数个与所述板梁匹配的支座，其中：包括，

步骤S1、控制采集装置采集所述板式桥梁于负荷通过后余震状态下每根所述板梁下端水平方向产生的加速度，并形成一采集信号输出；

步骤S2、控制通讯单元接收所述采集信号，并将所述采集信号转化为预定格式的采集数据输出；

步骤S3、控制监控单元接收所述采集数据，根据所述采集数据按照预定方法形成一扭转振动角加速度；根据所述扭转振动角加速度形成一扭转振动频率；

步骤S4、所述监控单元根据所述扭转振动频率和一板梁的标准扭转振动频率做比较判断形成一判断结果输出。

上述的桥梁状态的检测方法，其中：所述标准扭转振动频率的计算方法为：

其中，f：板梁的扭转振动主频；K₁：支座约束产生的扭转刚度；K₂：绞缝约束产生的扭转刚度；ρ:板梁的单位密度；I_p:板梁的抗扭模量；L:板梁的长度；b:振动模态系数，

所述K₁的计算方法为，

K₁＝GJ

其中，G为板梁的切变模量，J为板梁的刚度系数。

上述的桥梁状态的检测方法，其中：所述扭转振动角加速度的计算方法为：

其中，a为所述板梁下端水平方向的加速度，R为所述板梁的扭转振动轴心到所述采集装置的距离，为所述板梁的扭转振动的角加速度。

上述的桥梁状态的检测方法，其中：采用快速傅里叶变换算法对所述扭转振动角加速度进行计算得到所述扭转振动频率。

与现有技术相比，本发明的优点是：桥梁于负荷消失后，根据水平方向的加速度获取每根板梁扭转振动频率，通过监控单元判断每根板梁扭转振动频率接近每根所述板梁单独受力状态下的扭转振动频率，于每根所述板梁的扭转振动频率接近所述每根所述板梁单独受力状态下的扭转振动频率，判断所述铰缝出现损坏现象，无法实现力的传递。采用此种方法，无需封闭交通的条件下，实时测量铰缝约束产生的扭转刚度状态，即可实时获知板梁的横向连接状态。同时本发明采集的无负荷状态的下每根所述板梁下端的水平方向的加速度，不受负荷的限制，计算结果仅仅与板式桥梁本身的物理特性有关，测量准率高。

附图说明

图1为板式桥梁负荷状态下形变的结构示意图；

图2为板式桥梁的结构示意图；

图3为桥梁状态的检测装置的电路结构示意图；

图4为桥梁状态的检测装置一种实施例的应用示意图；

图5为于负荷通过桥梁过程中桥梁状态的结构示意图；

图6为桥梁状态的检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图2、图3、图4所示，一种桥梁状态的检测装置，应用于板式桥梁，所述板式桥梁包括复数根板梁1以及间隔于所述板梁1之间的铰缝2，于所述板梁1下端设置有复数个与所述板梁1匹配的支座3，其中：包括，

一采集装置4，固定设置于所述板式桥梁的预定位置处，用以采集所于负荷通过所述板式桥梁于余震状态下每根所述板梁1下端水平方向的加速度，并形成一采集信号输出；通常采集装置4可以由复数个振动传感器形成，每个振动传感器可以检测与该振动传感器相连的板梁1下端的水平方向的加速度。由于板梁1下端的水平方向的加速度为该板梁1的扭转振动外缘切线方向的加速度，板梁1下端的水平方向的加速度与扭转振动角加速度存在线性关系：根据板梁1下端的水平方向的加速度可以计算得到扭转振动角加速度。

一通讯单元5，用以接收所述采集信号，并将所述采集信号转化为预定格式的采集数据输出；通讯单元5可以采用无线数据传输模块，例如GSM、GPRS等模块。

一监控单元6，用以接收所述采集数据，并根据所述采集数据按照预定方法形成一判断结果。监控单元6可为近距离的监控单元6，也可为远距离的监控单元6。该判断结果可输出至报警单元，于判断结果异常状态下输出报警信号，也可由显示单元显示判断结果，供用户查看。

本发明的工作原理是：如图5a所示，所述板式桥梁于负荷状态下，所述铰缝用以传递荷载至所述板梁，使得所述桥梁的各板梁产生一个竖向挠度变形，同时产生轴向的扭转变形，当负荷消失瞬间板式桥梁释放应力至如图5b所示的状态，同时继续释放应力使得所述板梁将在短暂时间内维持如图5c所示的状态，然后重新恢复至如图5b所示的状态。桥梁于负荷通过后余震状态下，所述板梁中间部位产生一垂直于该板梁轴心的扭转变形，该扭转变形使得每根板梁1的底部形成水平方向位移，采集装置4采集每根所述板梁1水平方向的加速度，并形成一采集信号输出；通讯单元5接收所述采集信号，并将所述采集信号转化为预定格式的采集数据输出；监控单元6用以接收所述采集数据，根据所述采集数据按照所述预定方法计算每根所述板梁1的扭转振动角加速度，并根据所述扭转振动角加速度获取与一所述扭转振动角加速度匹配的扭转振动频率；通过对所述扭转振动频率和一标准扭转振动频率的阈值范围，并根据所述扭转振动频率和所述标准扭转振动频率的阈值范围形成所述判断结果输出。

本发明中，监控单元6中预设有所述板梁1的标准扭转振动频率的阈值范围；通过无负荷状态下所述板梁的所述扭转振动频率和所述标准扭转振动频率的阈值范围形成所述判断结果输出；于所述扭转振动频率低于所述标准扭转振动频率的阈值范围时，判断所述铰缝2出现损坏现象，无法实现力的传递。采用此种方法，无需封闭交通的条件下，实时测量铰缝2的受力状态，即可实时获知板梁1的横向连接状态。同时本发明采集的无负荷状态的下每根所述板梁下端的水平方向的加速度，不受负荷的限制，计算结果仅仅与板式桥梁本身的物理特性有关，测量准率高。

上述的桥梁状态的检测装置，其中：所述预定位置为所述每根所述板梁1的跨中位置。将采集装置4设置与每根板梁1的跨中位置，因在桥梁震动过程中，跨中位置振幅最大(即其位移最大)，因而将采集装置4设置于跨中位置，可以提高采集装置4采集数据的精确率。

上述的桥梁状态的检测装置，其中：所述监控单元6包括，

一计算单元，接收所述采集数据，并根据所述采集数据按照所述预定方法计算每根所述板梁1的振动频率；

一比较单元，预设有所述板梁1的标准振动频率的阈值；所述标准振动频率的计算方法为：

公式(1)

其中，f：板梁1的扭转振动主频；K₁：支座3约束产生的扭转刚度；K₂：绞缝约束产生的扭转刚度；ρ:板梁1的单位密度；I_p:板梁1的抗扭模量；L:板梁1的长度；b:振动模态系数。

上述的桥梁状态的检测装置，其中：所述K₁的计算方法为，

K₁＝GJ

其中，G为板梁1的切变模量，J为板梁1的刚度系数。

一判断单元，分别接收所述振动频率和所述板梁1的标准振动频率的阈值范围，并根据所述振动频率和所述板梁1的标准振动频率的阈值范围形成所述判断结果输出。

上述公式(1)中可以看出，板梁1的铰缝2约束越大，即绞缝约束产生的扭转刚度K₂越大，则板梁1的扭转振动频率则越大，反之则相反。当板梁1的铰缝2约束为零，即铰缝2无法实现力的传递时，绞缝约束产生的扭转刚度K₂趋向于零，则板梁1的扭转振动频率趋向于单个板梁1的扭转振动频率。通过上述原理，可以预设所述板梁1的标准振动频率的阈值范围。进而于所述扭转振动频率低于所述标准扭转振动频率的阈值范围时，判断所述铰缝2出现损坏现象，无法实现力的传递。

上述的桥梁状态的检测装置，其中：所述扭转振动角加速度的计算方法为：

公式(2)

其中，a为所述板梁1水平方向的加速度，R为所述板梁1的扭转振动轴心到所述采集装置的距离，为所述板梁1的扭转振动的角加速度。进一步地，采用快速傅里叶变换算法对所述扭转振动角加速度进行计算得到所述扭转振动频率。

通过上述公式(2)可以实现根据所述扭转振动角加速度获取与一所述扭转振动角加速度匹配的扭转振动频率的目的，进一步地，采用快速傅里叶变换算法对所述扭转振动角加速度进行计算得到所述扭转振动频率。

如图6所示，一种桥梁状态的检测方法，应用于板式桥梁，所述板式桥梁包括复数根板梁1以及间隔于所述板梁1之间的铰缝2，于所述板梁1下端设置有复数个与所述板梁1匹配的支座3，其中：包括，

步骤S1、控制采集装置4采集所述板式桥梁于负荷通过后余震状态下每根所述板梁1下端水平方向产生的加速度，并形成一采集信号输出；

步骤S2、控制通讯单元5接收所述采集信号，并将所述采集信号转化为预定格式的采集数据输出；

步骤S3、控制监控单元6接收所述采集数据，根据所述采集数据按照预定方法形成一扭转振动角加速度；根据所述扭转振动角加速度形成一扭转振动频率；

步骤S4、所述监控单元6根据所述扭转振动频率和一板梁1的标准扭转振动频率做比较判断形成一判断结果输出。

上述的桥梁状态的检测方法，其中：所述预定方法为：

其中，f：板梁1的扭转振动主频；K₁：支座3约束产生的扭转刚度；K₂：绞缝约束产生的扭转刚度；ρ:板梁1的单位密度；I_p:板梁1的抗扭模量；L:板梁1的长度；b:振动模态系数。

进一步地，所述K₁的计算方法为，

K₁＝GJ

其中，G为板梁1的切变模量，J为板梁1的刚度系数。

上述的桥梁状态的检测方法，其中：所述扭转振动角加速度的计算方法为：

其中，a为所述板梁1下端的水平方向的加速度，R为所述板梁1的扭转振动轴心到所述采集装置的距离，为所述板梁1的扭转振动的角加速度。

上述的桥梁状态的检测方法，其中：采用快速傅里叶变换算法对所述扭转振动角加速度进行计算得到所述扭转振动频率。

一种桥梁状态的检测方法的工作原理与一种桥梁状态的检测装置的工作原理相似，此处不做赘述。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种桥梁状态的检测装置，应用于板桥桥梁，所述板桥桥梁包括复数根板梁以及间隔于所述板梁之间的铰缝，于所述板梁下端设置有复数个与所述板梁匹配的支座，其特征在于：包括，

一采集装置，固定设置于所述板桥桥梁的预定位置处，用以采集所述板桥桥梁于负荷通过后余震状态下每根所述板梁下端水平方向产生的加速度，并形成一采集信号输出；

一通讯单元，用以接收所述采集信号，并将所述采集信号转化为预定格式的采集数据输出；

一监控单元，用以接收所述采集数据，并根据所述采集数据形成一判断结果；

所述监控单元包括，

一计算单元，接收所述采集数据，根据所述采集数据按照预定方法计算每根所述板梁的扭转振动角加速度，并根据所述扭转振动角加速度获取一与所述扭转振动角加速度匹配的扭转振动频率；

一比较单元，预设有所述板梁的标准扭转振动频率的阈值范围；

一判断单元，分别接收所述扭转振动频率和所述标准扭转振动频率的阈值范围，并根据所述扭转振动频率和所述标准扭转振动频率的阈值范围形成所述判断结果输出。

2.根据权利要求1所述的桥梁状态的检测装置，其特征在于：所述预定位置为每根所述板梁的跨中位置。

3.根据权利要求1所述的桥梁状态的检测装置，其特征在于：所述标准扭转振动频率的计算方法为，

$f=\frac{b}{2\mathrm{\π}L}\sqrt{\frac{K_1+K_2}{{\mathrm{\ρI}}_p}}$

其中，f：所述板梁的标准扭转振动频率；K₁：所述支座约束产生的扭转刚度；K₂：所述绞缝约束产生的扭转刚度；ρ:所述板梁的单位密度；I_p:所述板梁的抗扭模量；L:所述板梁的长度；b:所述振动模态系数；

其中，所述K₁的计算方法为，

K₁＝GJ

G：所述板梁的切变模量，J：所述板梁的刚度系数。

4.根据权利要求1所述的桥梁状态的检测装置，其特征在于：所述预定方法为，

$\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}=a/R$

其中，a为所述板梁下端水平方向的加速度，R为所述板梁的扭转振动轴心到所述采集装置的距离，为所述板梁的扭转振动的角加速度。

5.根据权利要求1所述的桥梁状态的检测装置，其特征在于：采用快速傅里叶变换算法对所述扭转振动角加速度进行计算得到所述扭转振动频率。

6.一种桥梁状态的检测方法，应用于板桥桥梁，所述板桥桥梁包括复数根板梁以及间隔于所述板梁之间的铰缝，于所述板梁下端设置有复数个与所述板梁匹配的支座，其特征在于：包括，

步骤S1、控制采集装置采集所述板桥桥梁于负荷通过后余震状态下每根所述板梁下端水平方向的加速度，并形成一采集信号输出；

步骤S2、控制通讯单元接收所述采集信号，并将所述采集信号转化为预定格式的采集数据输出；

步骤S3、控制监控单元接收所述采集数据，根据所述采集数据按照预定方法形成一扭转振动角加速度；根据所述扭转振动角加速度形成一扭转振动频率；

步骤S4、所述监控单元根据所述扭转振动频率和一板梁的标准扭转振动频率做比较判断形成一判断结果输出。

7.根据权利要求6所述的桥梁状态的检测方法，其特征在于：所述标准扭转振动频率的计算方法为：

$f=\frac{b}{2\mathrm{\π}L}\sqrt{\frac{K_1+K_2}{{\mathrm{\ρI}}_p}}$

其中，f：板梁的扭转振动主频；K₁：所述支座约束产生的扭转刚度；K₂：所述绞缝约束产生的扭转刚度；ρ:板梁的单位密度；I_p:板梁的抗扭模量；L:板梁的长度；b:振动模态系数，

所述K₁的计算方法为，

K₁＝GJ

其中，G为板梁的切变模量，J为板梁的刚度系数。

8.根据权利要求7所述的桥梁状态的检测方法，其特征在于：所述扭转振动角速度的计算方法为：

$\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}=a/R$

其中，a为所述板梁下端水平方向的加速度，R为所述板梁的扭转振动轴心到所述采集装置的距离，为所述板梁的扭转振动的角加速度。

9.根据权利要求7所述的桥梁状态的检测方法，其特征在于：采用快速傅里叶变换算法对所述扭转振动角加速度进行计算得到所述扭转振动频率。