CN107300452A - 一种桥梁荷载试验快速检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于桥梁检测技术领域，公开了一种桥梁荷载试验快速检测系统，该系统包括无线应变采集系统、无线挠度采集系统、无线荷载车定位系统、基站接收系统和桥梁承载能力评估系统。本发明节省了试验成本，只需一辆荷载车在划定车道上缓慢行驶，系统实时记录各个测点响应数据，并与荷载车移动位置实时对应。然后通过实测数据得到各个测点的影响线，再基于影响线施加不同效率的荷载对桥梁承载能力进行评估。

Description

一种桥梁荷载试验快速检测系统
技术领域
本发明属于桥梁检测技术领域。
背景技术
随着社会与经济的高速发展，交通运输量不断加大，投入使用的桥梁受到的荷载数量变大，由于长时间材料自身性能的退化及环境的影响而产生不同程度的损伤，因此，对桥梁进行定期的荷载检测，做出科学的评估，充分了解桥梁的实际工作情况是否仍然满足设计要求，保障桥梁的安全使用运行。现有的荷载试验方法主要是：租用多辆荷载车辆在桥梁的固定位置加载，通过采集设备测量响应数据，并进行评估承载能力。由于桥梁结构复杂、跨度大现场干扰因素多，大量接线及线缆不易区分势必给桥梁检测带来诸多弊端，并且成本高，需要大量人力。考虑成本等多方面因素，桥梁荷载试验大多为一年或者几年一次，导致测点数据信息量小，并且不为连续，影响桥梁检测的准确性和实时性。
发明内容
本发明目的是克服上述现有技术的不足，提供一种桥梁荷载试验快速检测系统，只需要一辆荷载车，试验过程中不需要完全封闭交通，实时采集测点响应数据和荷载车的位置。
一种桥梁荷载试验快速检测系统，该系统包括无线应变采集系统、无线挠度采集系统、无线荷载车定位系统、基站接收系统和桥梁承载能力评估系统；各个系统之间通过无线ZigBee方式传输数据。该系统能够实现应变、挠度和荷载车实时位置的自动采集、自动传输、自动接收，无需人为参与，节省人力物力。
其中，
所述的无线应变采集系统，用于接收测量的桥梁结构静载参数的应力，保证所有应变测点在荷载车经过时的连续响应数据，同时将采集的数据传输给基站接收系统；该系统包括AD转换电路、MCU控制电路和ZigBee发射模块。
所述无线挠度采集系统，用于接收挠度传感器测量的桥梁结构静载参数的位移，保证所有挠度测点在荷载车经过时的连续响应数据，同时将采集的数据传输给基站接收系统；该系统有接触式和非接触式两种，以确保不同桥型的挠度数据采集；(1)接触式包括位移计、AD转换电路、MCU控制电路、ZigBee发射模块；(2)非接触式包括光电挠度仪、ZigBee发射模块。
所述无线荷载车定位系统，用于实时记录荷载车在桥面的位置，同时将位置信息传输给基站接收系统；该系统采用荷载车顶部安装GNSS RTK的方式或者车底部安装编码器方式；GNSS RTK(Real-time kinematic)载波相位差分由一个移动GNSS和一个基准GNSS构成，定位精度高，只需快速用磁铁吸附到荷载车的顶部，实时动态输出荷载车的位置信息。编码器方式安装在荷载车底部，实时动态记录荷载车的位置。
所述基站接收系统，用于统一接收荷载车定位系统记录的位置数据、无线应变采集系统记录的应变响应数据和无线挠度采集系统记录的挠度响应数据，同时将所有数据传输给桥梁承载能力评估系统，并对各个系统进行时间同步，确保传感器响应数据和荷载车位置一一对应，并且现场测试均采用ZigBee无线通信技术，减少了采集设备的大量线缆。
所述桥梁承载能力评估系统，根据实测得到的各个测点(应变、挠度)的实际数据生成各测点的影响线，并根据不同荷载效率虚拟轴重和位置信息生成各个测点响应数值；利用实测到的影响线对各个测点施加传统静载试验的荷载，并得出响应数据与理论值对比对桥梁承载能力进行评估。
本发明的优点和有益效果：
1.本发明采用了准静态荷载试验的方法可以快速进行桥梁承载能力评估。
2.本发明只用一辆荷载车加载，无需担心多辆车加载导致结构产生永久性损伤和引起不可恢复的变形，无需逐级加载，节省人力、节省时间、节省租车成本。
3.本发明的各个系统均采用无线ZigBee方式进行传输，减少了设备间线束连接，对环境结构复杂桥梁结构来说很容易操作。
4.本发明只需加载车在划定车道上面缓慢行驶，不需要中断或者长时间封闭交通，保证荷载试验数据的实时性和完整性。
5.本发明的荷载车定位系统，安装操作简单，并与市面很多厂家的GNSS设备成功对接，定位精度高，能够准确稳定输出荷载车实时位置。
附图说明
图1为本发明桥梁荷载试验快速检测系统实施流程图；
图2为本发明桥梁荷载快速检测系统实施的示意图；
图3为本发明桥梁荷载快速检测系统实施的多个车道俯视图；
图4为本发明桥梁荷载快速检测系统实施无线挠度采集系统的两种测试方式示意图；
图5是桥梁荷载试验快速检测系统结构框图；
图6是加载车在桥面布置的横向图；
图7是加载车在桥面布置的纵向图；
图8是加载车轴重和轴距参数图；
图9是应力测点平面布置图；
图10是应力测点横断面图；
图11是1#应变响应数据与加载车位置对应关系图；
图12是1#应变影响线曲线图；
图13是1#应变虚拟加载效果图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图5所示，本发明提供的桥梁荷载试验快速检测系统包括无线应变采集系统、无线挠度采集系统、无线荷载车定位系统、基站接收系统和桥梁承载能力评估系统；各个系统之间通过无线ZigBee方式传输数据；
所述的无线应变采集系统，用于接收测量的桥梁结构静载参数的应力，保证所有应变测点在荷载车经过时的连续响应数据，同时将采集的数据传输给基站接收系统；
所述的无线挠度采集系统，用于接收挠度传感器测量的桥梁结构静载参数的位移，保证所有挠度测点在荷载车经过时的连续响应数据，同时将采集的数据传输给基站接收系统；
所述的无线荷载车定位系统，用于实时记录荷载车在桥面的位置，同时将位置信息传输给基站接收系统；
所述的基站接收系统，用于统一接收荷载车定位系统记录的位置数据、无线应变采集系统记录的应变响应数据和无线挠度采集系统记录的挠度响应数据同时将所有数据传输给桥梁承载能力评估系统，并对各个采集系统进行时间同步；
所述的桥梁承载能力评估系统，用于根据所接收的实际数据生成各测点的影响线，并根据不同荷载效率虚拟轴重和位置信息生成各个测点响应数值。
采用本发明提供的桥梁荷载试验快速检测系统进行试验的流程参见图1，具体步骤如下：
一.在桥梁关键截面跨中、支座位置布置应变传感器，根据需要可以每个截面都布置应变传感器2，如图2所示，这样更能反映桥梁的实际完整特性。根据现场桥梁周围环境，旱桥可以选择接触式挠度测量方式，水桥可以选择非接触式挠度测量方式，测试示意图如图4所示。
其中接触测挠度方式，使用木块5粘在桥梁底板挠度测点，然后用铜线6绑在钉子上面吊着线坠7，把挠度变化传递到线坠的位移变化再测量，线坠下部有表头定位孔，把位移计8顶到定位孔里面，防止刮风等恶劣环境影响线坠摆动，用底座9固定位移计。
非接触测挠度方式，采用光电挠度仪，3无线挠度仪，4光标，把挠度仪实测的数据通过无线ZigBee设备传回到基站接收系统统一采集数据，该方法成本稍微高，但可有效测试桥下有水的环境挠度。
二.布置无线采集系统，无线应变数据采集仪和无线挠度数据采集仪在临近几个传感器附件安装，节省大量延长线束，每只传感器都有自己的编码号，便于区分，容易识别。
三.布置荷载车定位系统，只需要一辆单位重量的荷载车，例如，40吨三轴车或者70吨四轴车等，已知各轴轴重、轴距参数。在驾驶室的顶部安装GNSS移动设备，并且连接好无线ZigBee设备，方便快捷，定位精度高，采用RTK技术，在桥边布置好GNSS基准站，定位精度达到厘米级。实时输出荷载车在桥面的位置。
四.基站接收系统，统一通过无线方式广播时间同步指令，此时无线应变采集系统、无线挠度采集系统、无线荷载车定位系统按照同样时间戳采样数据，确保了荷载车缓慢行驶时应变、挠度响应数据和荷载车的位置同步对应。
五.该系统具体实施按照图2、图3方式，用一辆单位重量的荷载车1，在指定的车道上面，例如一车道、二车道、三车道、四车道，以桥头为起点缓慢行驶，此时基站接收系统同步接收无线应变采集系统、无线挠度采集系统、无线荷载车定位系统的实时数据，并保存所以测点的传感器响应数据与荷载位置关系。
六.桥梁承载能力评估系统，根据准静态荷载试验得到的动态数据，生成各个测点的影响线。再根据传统静载试验的荷载配重进行虚拟荷载施加，生成计算后的响应值，并与经过有限元模型生成的理论值响应进行校验系数对比，评估桥梁的承载能力是否可以满足要求。
实际应用中案例：(天津某桥)
根据荷载试验效率满足0.95～1.05，该桥选用三辆车加载，加载车加载车在桥面的位置按照图6、图7布置，加载车的参数按照图8所示。
根据以上荷载试验情况，按照图6、图7的加载车布置及图8的加载车参数不难得出每辆车在每个车道并且距离桥头的位置，见下表
按照图9、图10布置该桥的应变测点，并且以应变1#点为例，证明此发明的效果。图11为一辆加载车分别在三个车道上面缓慢行驶得到的1#应变测点应变Y轴与位置X轴的原始数据响应曲线。
根据图11实际测得数据生成单位荷载(1KN)的三条影响线曲线，如图12。
根据每个车道加载车位置和轴重得到三辆车加载后的响应值61.37με，如图13。
实际测得应变61.37με，设计理论值应变130.4με，结构校验系数η＝实际测值/理论值＝0.47<1，满足桥梁承载能力要求。

Claims (6)

1.一种桥梁荷载试验快速检测系统，其特征在于，包括无线应变采集系统、无线挠度采集系统、无线荷载车定位系统、基站接收系统和桥梁承载能力评估系统；各个系统之间通过无线ZigBee方式传输数据；
所述的无线应变采集系统，用于接收测量的桥梁结构静载参数的应力，保证所有应变测点在荷载车经过时的连续响应数据，同时将采集的数据传输给基站接收系统；
所述的无线挠度采集系统，用于接收挠度传感器测量的桥梁结构静载参数的位移，保证所有挠度测点在荷载车经过时的连续响应数据，同时将采集的数据传输给基站接收系统；
所述的无线荷载车定位系统，用于实时记录荷载车在桥面的位置，同时将位置信息传输给基站接收系统；
所述的基站接收系统，用于统一接收荷载车定位系统记录的位置数据、无线应变采集系统记录的应变响应数据和无线挠度采集系统记录的挠度响应数据，同时将所有数据传输给桥梁承载能力评估系统，并对各个采集系统进行时间同步；
所述的桥梁承载能力评估系统，用于根据所接收的实际数据生成各测点的影响线，并根据不同荷载效率虚拟轴重和位置信息生成各个测点响应数值。
2.根据权利要求1所述的桥梁荷载试验快速检测系统，其特征在于，所述的无线应变采集系统包括AD转换电路、MCU控制电路、ZigBee发射模块，确保应变连续响应数据通过无线ZigBee方式发送给基站接收系统。
3.根据权利要求1所述的桥梁荷载试验快速检测系统，其特征在于，所述的无线挠度采集系统有接触式和非接触式两种，以确保不同桥型的挠度数据采集；(1)接触式包括位移计、AD转换电路、MCU控制电路、ZigBee发射模块；(2)非接触式包括光电挠度仪、ZigBee发射模块。
4.根据权利要求1所述的桥梁荷载试验快速检测系统，其特征在于，所述的无线荷载车定位系统采用荷载车顶部安装GNSS RTK的方式或者车底部安装编码器方式。
5.根据权利要求1所述的桥梁荷载试验快速检测系统，其特征在于，所述基站接收系统由ZigBee接收模块、MCU控制电路、RS232转换电路构成。
6.根据权利要求1所述的桥梁荷载试验快速检测系统，其特征在于，所述桥梁承载能力评估系统生成各个测点的实测影响线，并根据加载车的轴重及位置参数，生成各个测点在不同荷载效率时的响应评估值。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20171027

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