CN105300304B - 一种非接触式多点高频动态桥梁挠度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非接触式多点高频动态桥梁挠度检测方法，在梁下安装n个激光测距仪，在桥墩处安装反射标靶，在桥梁不受附加载荷时，打开激光测距仪，测得桥梁不受附加载荷时激光测距仪的距离L₁，计算每个激光测距仪对应的桥梁位置处的挠度y_i：在一段测量范围内，n个激光测距仪均以时间间隔μ秒重复，以桥梁其中一个端点为坐标原点O，以沿桥梁纵向方向为X轴，以垂直于桥面向下方向为Y轴，输入检测点的横坐标x_i，以及实时测得的挠度值y_i，将整合的坐标数据拟合为挠度曲线。可实现非接触式测量，与传统的人工使用千分表检测相比，可以远距离操纵，并可实现自动化，测量更方便。

Description

一种非接触式多点高频动态桥梁挠度检测方法

技术领域

本发明属于桥梁监测领域，涉及桥梁挠度检测，具体涉及一种非接触式多点高频动态桥梁挠度检测方法。

背景技术

交通运输是经济的动脉，针对桥梁建设的安全与发展，桥梁的监测必不可少。桥梁的挠度是指梁体上某一横截面处的形心在垂直于轴的方向发生的纵向线位移的大小。一旦桥梁的挠度超过允许范围，或者遭受外力后无法恢复到原有位置时，即可判断桥梁存在安全隐患。因此，挠度变化是检测大型桥梁健康运行状况的常用度量参数，是桥梁监测系统要考虑的必要因素。

传统的人工测量方法多采用百分表或水准仪，只能进行接触式测量，对于桥下有水、长期监测或桥跨越峡谷等场合不适用，工作量大，测量误差大，一般只能进行单点静态测量，不能满足桥梁振动的连续性(多点)、高频性(高频)、实时性(动态)测量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种非接触式多点高频动态桥梁挠度检测方法，解决桥梁挠度难以实时精准检测的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种非接触式多点高频动态桥梁挠度检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：选定桥梁上要检测挠度的位置，在相应的位置的梁下安装n个激光测距仪，激光测距仪与竖直方向的夹角为α_i，且0°<α_i<90°，i为激光测距仪的编号，i＝1,2…，n；

步骤2：在桥墩处安装反射标靶，并调整反射标靶与竖直方向的角度β，且0°<β<90°，使整个测量方法带来的检测精度达到要求的精度δmm；

步骤3：设备安装完毕，初始化系统，即在桥梁不受附加载荷时，打开激光测距仪，测得桥梁不受附加载荷时激光测距仪的距离L₁；

步骤4：打开激光测距仪，分别得到第n个激光测距仪所测距离L_2i，计算每个激光测距仪对应的桥梁位置处的挠度y_i：

步骤5：在一段测量范围内，n个激光测距仪均以时间间隔μ秒重复步骤4，即以频率ν＝1/μ连续测量n个激光测距仪至反射标靶的距离，按照步骤4的方法计算出该时间段内桥梁n个位置相对于桥梁不受附加载荷时的初始时刻的动态挠度；

步骤6：以桥梁其中一个端点为坐标原点O，以沿桥梁纵向方向为X轴，以垂直于桥面向下方向为Y轴，输入检测点的横坐标x_i，以及实时测得的挠度值y_i，将整合的坐标数据拟合为挠度曲线。

本发明还具有如下区别技术特征：

步骤2中，所述的检测精度达到要求的精度δmm的计算方法如下：

已知激光测距仪的精度θmm，则若使系统检测精度≦δmm，需满足：

当α_i+β_i≠90°时，按如下方法计算精度：

式(1)

化简后可得： 式(2-1)

当α_i+β_i＝90°时，有δ＝θ/cosα_i 式(2-2)

其中：β_i(i＝1,2…，n)为对于第i个激光测距仪，达到最低检测精度δ时β的最小值；

为保证整个系统达到最低检测精度δ，反射标靶的安装角度β须满足以下关系式：

β≥max{β₁,β₂,…，β_n} 式(3)。

步骤4中，每个激光测距仪对应的桥梁位置处的挠度y_i计算方法为：

获得初始位置激光测距仪所测距离L₁和当前时刻激光测距仪所测距离L_2i之差，LL_i＝L₁-L_2i 式(4)

在激光照射的方向上激光测距仪的位移为：

d_i＝y_i cosα_i 式(5)

则有L＇_i＝y_i cosα_i-LL_i 式(6)

当α_i+β_i≠90°时，按如下方法计算挠度：

在RtΔABC中

m_i＝L＇_itan(α_i+β) 式(7)

在RtΔDEF中，m_i＝y_i sinα_i 式(8)

进一步，有y_i sinα_i＝L＇_itan(α_i+β) 式(9)

结合(式6)：y_i sinα_i＝(y_i cosα_i-LL_i)tan(α_i+β) 式(10)

即可得此时刻相对于初始时刻桥梁的变形位移

式(11-1)

当α_i+β_i＝90°时，有y_i＝LL_i/cosα_i (式11-2)

其中：

L₁为在桥梁不受附加载荷时激光测距仪所测的反射标靶的距离；

L_2i为当前时刻第i个激光测距仪所测的反射标靶的距离；

LL_i为当前时刻和初始时刻第i个激光测距仪所测距离之差；

L＇_i为第i个激光测距仪初始位置时在反射标靶上的照射点在当前时刻激光测距仪照射方向上的投影的偏移量，即图3中BC方向上的偏移量，当α_i+β<90°时为正，当α_i+β＝90°时为零，当α_i+β<90°时为负；

d_i为当前时刻和初始时刻第i个激光测距仪随桥梁变形而引起的位移；

m_i为当前时刻和初始时刻在垂直于激光照射的方向上第i个激光测距仪的位移；

y_i为第i个检测点桥梁的变形位移；

α_i为第i个激光测距仪与竖直方向的夹角；

β为反射标靶的反射板与竖直方向的夹角；

A为激光测距仪在初始位置照射在反射标靶上的照射点，B为A点在当前时刻激光测距仪照射方向上的投影点，C为激光测距仪在当前时刻照射在反射标靶上的照射点；

D为激光测距仪的初始位置点，E激光测距仪的当前时刻所在位置点，F为点E在在初始位置激光测距仪照射方向上的投影点。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)可实现非接触式测量，与传统的人工使用千分表检测相比，可以远距离操纵，并可实现自动化，测量更方便。

(Ⅱ)可实现多点测量，每个激光测距仪可以测得一个监测点的挠度值，使用多点测量，所得数据可以更好地表示出桥梁所处的状态。

(Ⅲ)可实现多点同步测量，多个激光测距仪均照射到同一块反射板上，并且同时进行测距，可以获得同一时刻所有监测点的挠度值。

(Ⅳ)可实现动态测量，可以获得一段时间内所有监测点的挠度值，并且可以直观的看出变化值，便于实时监测。

(Ⅴ)检测精度可调，可以通过改变系统的安装角度来调整检测精度，使其满足预定要求。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明的组成示意图。

图3是本发明数据测量原理示意图。

图4是本发明挠度曲线坐标系示意图。

图中各个标号的含义为：1、激光测距仪；2、反射标靶；3、通信模块；4、远程控制模块；5、倾角监测器。6、待测挠度桥梁的梁；7待测挠度桥梁的桥墩；a、b、c三点是待测挠度桥梁的梁上三个待测点。

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例：

本实施例给出一种非接触式多点高频动态桥梁挠度检测方法，如图1和图2所示，该方法采用如下桥梁挠度检测系统，由激光测距仪1、反射标靶2、通信模块3、远程监控模块4、倾角监测器5组成。激光测距仪n个，固定于待测挠度桥梁的梁下；反射标靶固定于待测挠度桥梁两端桥墩处，激光测距器及反射板上均安装倾角监测器。反射标靶包括支撑臂、反射板，反射板朝向激光测距仪用于反射激光。远程监控模块发出命令后，n个激光测距仪同时向反射标靶照射，通信模块连接激光测距仪、倾角监测器和远程监控模块。

本实施例中选择激光测距仪的频率为100Hz，系统采样频率设置为100Hz，即μ＝0.01秒，ν＝1/μ＝100Hz。选择的桥梁检测点为3个，所需激光测距仪3个，反射标靶1个。激光测距仪精度为0.1mm，检测系统的精度要求小于0.2mm。

针对上述条件，本挠度检测系统的检测过程如下：

步骤1：选定桥梁上要检测挠度的位置，在相应的位置的梁下安装3个激光测距仪，安装角度分别为α₁＝30°，α₂＝45°，α₃＝50°；

步骤2：在桥墩处安装反射标靶，并调整反射板与竖直方向的角度β，且0°<β<90°，使其满足精度要求，计算方法如下：

已知激光测距仪的精度为0.1(mm)，则若使检测精度≦0.2mm，需满足

式(12)

化简后可得：

式(13)

其中β_i(i＝1,2…，n)为对于激光测距仪i，达到最低检测精度δ时β的最小值。

把α_i代入(式13)，计算得β₁＝23.794°，β₂＝73.675°，β₃＝79.440°

为保证整个系统达到最低检测精度0.2mm，反射板的安装角度β须满足以下关系式：

β≥max{β₁,β₂,β₃}＝79.440° 式(14)

调整反射板与竖直方向的夹角β，使其满足(式14)，便可以保证本系统的检测精度达到要求的检测精度0.2mm，在本例中，取β＝80°。

步骤3：设备安装完毕，现在初始化系统。即在桥梁不受附加载荷时，打开激光测距仪，测得桥梁不受附加载荷时激光测距仪的距离L₁，以后L₁无需再测；

步骤4：远程打开激光测距仪，分别得到3个激光测距仪所测距离L_2i(i＝1,2,3)。在此仅以其中第一个激光测距仪(i＝1)为例，参考图3，可用以下方法计算获得桥梁此位置的挠度x：

获得当前时刻激光测距仪所测距离L₂和初始位置激光测距仪所测距离L₁之差

LL_i＝L₁-L_2i 式(15)

计算在激光照射的方向上激光测距仪的位移

d₁＝y₁cos30° 式(16)

则有

L＇₁＝y₁cos30°-LL₁ 式(17)

在RtΔABC中

m₁＝L＇₁tan110° 式(18)

在RtΔDEF中

m_i＝y_i sin30° 式(19)

则有

y₁sinα₁＝L＇₁tan110° 式(20)

结合(式3)

y₁sin30°＝(y₁cos30°-LL₁)tan110° 式(21)

即可得此时刻相对于初始时刻桥梁的变形位移

式(22)

其中，y₁为第一个桥梁检测点的挠度，LL₁为当前时刻和初始时刻第1个激光测距仪所测距离之差。

参照(式22)，已知激光测距仪的精度θ＝0.1mm，则整个检测系统的精度δ＝0.1/0.9542＝0.1048mm，符合精度小于0.2mm的要求。

步骤5：在一段测量范围内，3个激光测距仪均以时间间隔0.01(秒)重复步骤4，即以频率ν＝1/0.01＝100Hz连续测量3个激光测距仪至反射板的距离，然后按照步骤4所列算法计算，即可推算出此时间段内桥梁3个位置的相对于初始时刻(桥梁不受附加载荷时)动态挠度，检测频率为100Hz。

步骤6：数据的处理与显示，如图4所示，以桥梁其中一个端点为坐标原点O，以沿桥梁纵向方向为X轴，以垂直于桥面向下方向为Y轴，输入检测点的横坐标x_i(i＝1,2，…，n)，以及实时测得的挠度值y_i(i＝1，2，3)。将整合的坐标数据拟合为挠度曲线，给定挠度上限，可对挠度曲线上超过挠度上限的测量点进行警示。

Claims (1)

1.一种非接触式多点高频动态桥梁挠度检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：选定桥梁上要检测挠度的位置，在相应的位置的梁下安装n个激光测距仪，激光测距仪与竖直方向的夹角为α_i，且0°<α_i<90°，i为激光测距仪的编号，i＝1,2…，n；

步骤2：在桥墩处安装反射标靶，并调整反射标靶与竖直方向的角度β，且0°<β<90°，使整个测量方法带来的检测精度达到要求的精度δmm；

步骤3：设备安装完毕，初始化系统，即在桥梁不受附加载荷时，打开激光测距仪，测得桥梁不受附加载荷时激光测距仪的距离L₁；

步骤4：打开激光测距仪，分别得到第n个激光测距仪所测距离L_2i，计算每个激光测距仪对应的桥梁位置处的挠度y_i：

步骤5：在一测量时间段内，n个激光测距仪均以时间间隔μ秒重复步骤4，即以频率ν＝1/μ连续测量n个激光测距仪至反射标靶的距离，按照步骤4的方法计算出该时间段内桥梁n个位置相对于桥梁不受附加载荷时的初始时刻的动态挠度；

步骤6：以桥梁其中一个端点为坐标原点O，以沿桥梁纵向方向为X轴，以垂直于桥面向下方向为Y轴，输入检测点的横坐标x_i，以及实时测得的挠度值y_i，将整合的坐标数据拟合为挠度曲线；

步骤2中，所述的检测精度达到要求的精度δmm的计算方法如下：

已知激光测距仪的精度θmm，则若使系统检测精度≦δmm，需满足：

当α_i+β_i≠90°时，按如下方法计算精度：

当α_i+β_i＝90°时，有δ＝θ/cosα_i 式2-2

其中：β_i为对于第i个激光测距仪，达到最低检测精度δ时β的最小值，i＝1,2…，n；

反射标靶的安装角度β须满足以下关系式：

β≥max{β₁,β₂,...，β_n} 式3；

步骤4中，每个激光测距仪对应的桥梁位置处的挠度y_i计算方法为：

当α_i+β_i≠90°时，按如下方法计算挠度：

当α_i+β_i＝90°时，有y_i＝LL_i/cosα_i 式11-2

其中：

LL_i为当前时刻和初始时刻第i个激光测距仪所测距离之差；

y_i为第i个检测点桥梁的变形位移；

α_i为第i个激光测距仪与竖直方向的夹角；

β为反射标靶的反射板与竖直方向的夹角。