CN109827544B - 一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降监测装置及计算检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降监测装置及计算检测方法，其包括多个桥墩和多跨上部主梁，相邻两跨上部主梁的首尾均设置在同一个桥墩顶部，相邻两跨上部主梁首尾之间形成伸缩缝，还包括多根传感光纤，传感光纤的左右两端以伸缩缝为中心对称并固接在相邻上部主梁上，相邻传感光纤之间通过引线光纤连接，引线光纤除去与传感光纤连接的其余部分均未与上部主梁接触；还包括光纤解调仪，各传感光纤、引线光纤及光纤解调仪串联形成测量线路。工作人员通过测量传感器的应变值，即可得出桥墩不均匀沉降值，进而建立桥梁养护数据档案，提高检测效率和检测精度，减少检测反馈时间，降低养护人工成本。

Description

一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降监测装置及计算检测方法

技术领域

本发明涉及桥梁养护领域，尤其涉及一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降监测装置及计算检测方法。

背景技术

简支梁桥是公路、铁路等基础设施中一种主要使用的桥梁形式，其能够更好地控制桥梁变形，在桥梁结构中应用较广，尤其在高铁的桥梁设计中大部分桥梁是简支梁桥。但是在实际使用中，由于地质条件、雨水、周边施工、冻融等不可控因素，在桥梁的后期运营中，桥墩可能发生不均匀沉降，这样严重危害高速行驶中过往行驶车辆的安全，因此，对公路、铁路沿线的桥墩不均匀沉降实施监测意义重大。在目前的养护作业中，为了检测桥梁是否存在不均匀沉降，一般采用全站仪定期检测的方法，养护人员使用全站仪定期到各个桥梁上进行全程检测，这样的检测方法存在效率低、精度差、问题反馈滞后、人工成本高等问题，不适合基础设施智慧化发展的需求。

光纤传感器具有无辐射干扰、抗电磁干扰性好、化学稳定性好等优点，受到越来越多的重视。其中分布式光纤传感器不仅具有一般光纤传感器的优点，而且可以在沿光纤的路径上同时得到被测量场地在时间和空间上的连续分布信息。能做到对大型基础工程设施的每一个部位都像人的神经系统一样进行远程监控，因此具有广泛的应用前景。分布式光纤传感技术中有一个重要的研究领域是基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，其起步虽然比较晚，但是它在温度、应变测量上的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他分布式光纤传感技术，因此受到了广泛的关注和研究。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要分有布里渊光时域反射技术(BOTDR，Brillouin Optical Time Domain Reflectry)和布里渊光时域分析(BOTDA，Brillouin Optical Time Domain Analysis)两种技术。其中基于布里渊光时域分析的传感技术测试空间分辨率可达到10cm，应变测试精度可达7με，温度测试精度可达0.3℃，最大测量距离近100km，因此其在温度、应变的测试精度高、信息全面以及测试距离长等方面具有巨大优势，引起了监测领域的高度关注。

发明内容

为了解决本简支梁桥养护中检测难的问题，本发明提供一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降监测装置及计算检测方法，使用本发明后，能够高效检测简支梁桥的桥梁是否存在不均匀沉降的问题，提高检测效率和检测精度，减少检测反馈时间，降低养护人工成本。

本发明所采用的技术方案如下：

一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降监测装置，其包括多个桥墩和多跨上部主梁，相邻两跨上部主梁的首尾均设置在同一个桥墩顶部，相邻两跨上部主梁首尾之间形成伸缩缝，其特征在于：还包括多根传感光纤，所述传感光纤的左右两端以伸缩缝为中心对称并固接在相邻上部主梁上，相邻传感光纤之间通过引线光纤连接，所述引线光纤除去与传感光纤连接的其余部分均未与上部主梁(1)接触；还包括光纤解调仪，各传感光纤、引线光纤及光纤解调仪串联形成测量线路。

其进一步技术方案在于：

所述传感光纤固定于相邻两跨上部主梁的侧面；

各根传感光纤均水平设置；

所述传感光纤的长度不小于1M；

所述传感光纤和引线光纤均为基于布里渊分布式光纤传感器。

一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降检测装置进行计算检测的方法，其特征在于步骤如下：

第一步：利用引线光纤获得光纤的温度补偿量来计算相邻传感光纤在经过温度补偿后的应变量；

第二步：利用第一步计算出的应变量各传感光纤的变形后长度；

第三步：利用几何三角原理，得出上传感光纤和下传感光纤的长度和上部主梁的转角之间的关系式；

第四步：利用几何三角原理，得出上部主梁的转角和桥墩的不均匀沉降距离之间的关系式；

第五步：根据第三步和第四步的计算结果，得出传感光纤的长度和桥墩的不均匀沉降之间的关系式，以此计算桥墩的不均匀沉降的距离。

本发明的有益效果如下：

本发明结构简单，利用基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，实现了自动对远距离简支上部主梁的不均匀沉降进行大规模监测，大幅降低了因检测投入的人力资源及成本，降低桥墩不均匀沉降引起安全事故的概率，可有效保障桥梁的安全，大幅提升了交通基础设施管养的自动化水平，为科学管养提供了量化依据。

附图说明

图1为本发明的光纤检测系统布置示意图。

图2为本发明中桥墩发生不均匀沉降时的示意图。

图3为本发明中上部主梁转动导致光纤变形的关系示意图。

图4为本发明中上部主梁转动时桥墩沉降关系示意图。

其中：1、上部主梁；101、第一上部主梁；102、第二上部主梁；2、引线光纤；301、上传感光纤；3011、第一固定点；3012、第二固定点；302、下传感光纤；3021、第三固定点；3022、第四固定点；4、光纤解调仪；5、桥墩。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1～图4所示，一种简支梁桥的桥墩5不均匀沉降监测装置，其包括桥墩5、上部主梁1、水平设置的传感光纤、引线光纤2和光纤解调仪4，上部主梁1假设在相邻两个桥墩之间，为了说明方便，本实施例取两根传感光纤布置于相邻两跨上部主梁1中进行说明。

上部主梁1包括第一上部主梁101和第二上部主梁102，第一上部主梁101和第二上部主梁102之间形成伸缩缝，传感光纤包括上传感光纤301和下传感光纤302，上传感光纤301和下传感光纤302之间通过引线光纤2连接，所述引线光纤2除去与传感光纤连接的其余部分均未与上部主梁1接触，因此引线光纤2不随上部主梁1转动而发生长度变化，只随温度变化而发生长度变化；上传感光纤301的一端通过第一固定点3011固定于第一上部主梁101的侧面，另一端通过第二固定点3012固定于第二上部主梁102的侧面，第一固定点3011和第二固定点3012以伸缩缝为轴对称设置；下传感光纤302的一端通过第三固定点3021固定于第一上部主梁101的侧面，另一端通过第四固定点3022固定于第二上部主梁102的侧面，第三固定点3021和第四固定点3022以伸缩缝为轴对称设置；光纤解调仪4设置于上部主梁1外与传感光纤3通过引线光纤2连接。

本发明还提供一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降的计算检测方法，步骤如下：

在计算之前，首先将读数器(未画出)插入光纤解调仪4，引线光纤2、下传感光纤302、上传感光纤301的变形量转化成光信号至光纤解调仪4，再由读数器(未画出)读出。由于引线光纤2相对上部主梁1独立，因此引线光纤2变化只受温度影响，就能得到光纤随温度的变化量，将引线光纤2的变形量称之为温度补偿量。

第一步：利用引线光纤2所获得光纤的温度补偿量来计算上传感光纤301和下传感光纤302在经过温度补偿后的应变量。

ε′₁＝ε₁-ε_t (1)

ε′₂＝ε₂-ε_t (2)

其中，ε_t为温度变化引起的应变换算值，ε₁和ε′₁分别是上传感光纤301测量的应变值和补偿后的应变值，ε₂和ε′₂分别是下传感光纤302测量的应变值和补偿后的应变值。

第二步：利用计算出的应变量来计算上传感光纤301和下传感光纤302变形后长度。

上传感光纤301的变形后长度：

T′₁＝T*(1+ε′₁) (3)

下传感光纤302的变形后长度：

T′₂＝T*(1+ε′₂) (4)

其中，为了说明方便，上传感光纤301和下传感光纤302基本长度为T，T′₁和T′₂分别为上传感光纤301和下传感光纤302变形后的长度。

第三步：利用几何三角原理，得出上传感光纤301和下传感光纤302的长度和上部主梁1的转角之间的关系。

以三角形顶点向下做垂线(图3所示)，则上传感光纤301和下传感光纤302的长度可分别表示成：

T′₁＝Δ₁₁+Δ₁₂ (5)

T′₂＝Δ₂₁+Δ₂₂ (6)

其中，Δ₁₁和Δ₁₂分别是上传感光纤301在垂线两侧的长度，Δ₂₁和Δ₂₂分别是下传感光纤302在垂线两侧的长度。

根据直角三角形定理，并考虑小变形的特征，有

Δ₁₁＝(H-h)*tanθ₁≈(H-h)*θ₁ (7)

Δ₁₂＝(H-h)*tanθ₂≈(H-h)*θ₂ (8)

由公式(7)和(8)进一步有，

T′₁＝Δ₁₁+Δ₁₂＝(H-h)*(θ₁+θ₂) (9)

同理，有

Δ₂₁＝H*tanΘ₁≈H*Θ₁(10)

Δ₂₂＝H*tanΘ₂≈H*Θ₂(11)

因此得出

T′₂＝Δ₂₁+Δ₂₂＝H*(θ₁+θ₂) (12)

其中，H是三角形顶点到下传感光纤302的垂直距离，h是上传感光纤301、和下传感光纤302之间的垂直距离，θ₁和θ₂分别是所监测第一上部主梁101和第二上部主梁102的转角。

第四步：利用几何三角原理，得出上部主梁1的转角和桥墩5的不均匀沉降距离之间的关系。

如图4所示，以梁1的纵轴线和桥墩5的沉降线在沉降发生前后建立三角形，并考虑小变形的特征，则有

D＝L₁*tanθ₁≈L₁*θ₁ (13)

D＝L₂*tanθ₂≈L₂*θ₂ (14)

由公式(13)和(14)进一步有，

第五步：利用步骤4和步骤3的计算结果，得出传感光纤的长度和桥墩5的不均匀沉降之间的关系，以此计算桥墩5的不均匀沉降的距离。

将公式(15)分别带入公式(9)和(12)，则有

其中，D是桥墩5的不均匀沉降值，L₁和L₂分别是第一上部主梁101和第二上部主梁102的轴向长度。

以下将上述步骤带入数字进行计算:

假设上传感光纤301和下传感光纤302的长度T₁和T₂均为100cm，上传感光纤301和下传感光纤302之间的垂直距离h为60cm，发生不均匀沉降后上传感光纤301的应变ε₁为150με，下传感光纤302的应变ε₂为350με，引线光纤2的应变ε_t为50με，第一上部主梁101和第二上部主梁102的长度L₁和L₂均为3000cm，由上述数字可知：

T₁’＝T*(1+(150-50)*10^-6)＝100*(1+100*10^-6)

T₂’＝T₂*(1+(350-50)*10^-6)＝100*(1+300*10^-6)

将T₁’和T₂’代入公式(16)，可得：

所以最终得到不均匀沉降的高度差为0.5cm

工作人员通过测量引线光纤2、下传感光纤302、上传感光纤301的应变值，再将数据输入根据公式(16)编制的计算程序中，即可得出桥墩不均匀沉降值，进而建立桥梁养护数据档案。因此本发明相比传统的使用全站仪定期检测更简单方便，大幅降低了人力成本和时间成本。同时由于基于布里渊散射技术的分布式传感技术能够传感检测最大距离为100km，因此本发明可以适用长距离检测，实现了自动对远距离简支桥梁桥墩5的不均匀沉降进行大规模监测，大幅提升了交通基础设施管养的自动化水平，为科学管养提供了量化依据。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降监测装置，其包括多个桥墩(5)和多跨上部主梁(1)，相邻两跨上部主梁(1)的首尾均设置在同一个桥墩(5)顶部，相邻两跨上部主梁(1)首尾之间形成伸缩缝，其特征在于：还包括多根传感光纤，所述传感光纤的左右两端以伸缩缝为中心对称并固接在相邻上部主梁(1)上，相邻传感光纤之间通过引线光纤(2)连接，所述引线光纤(2)除去与传感光纤连接的其余部分均未与上部主梁(1)接触；还包括光纤解调仪(4)，各传感光纤、引线光纤(2)及光纤解调仪(4)串联形成测量线路；

传感光纤包括上传感光纤(301)和下传感光纤(302)，上传感光纤(301)和下传感光纤(302)之间通过引线光纤(2)连接，所述引线光纤(2)除去与传感光纤连接的其余部分均未与上部主梁(1)接触；

利用引线光纤(2)所获得光纤的温度补偿量来计算上传感光纤(301)和下传感光纤(302)在经过温度补偿后的应变量：

ε′₁＝ε₁-ε_t (1)；

ε′₂＝ε₂-ε_t (2)；

其中，ε_t为温度变化引起的应变换算值，ε₁和ε′₁分别是上传感光纤测量的应变值和补偿后的应变值，ε₂和ε′₂分别是下传感光纤测量的应变值和补偿后的应变值；

利用计算出的应变量来计算上传感光纤和下传感光纤变形后长度：

上传感光纤(301)的变形后长度：

T′₁＝T*(1+ε′₁) (3)；

下传感光纤302的变形后长度：

T′₂＝T*(1+ε′₂) (4)；

其中，为了说明方便，上传感光纤和下传感光纤基本长度为T，T′₁和T′₂分别为上传感光纤和下传感光纤变形后的长度；

利用几何三角原理，得出上传感光纤和下传感光纤的长度和上部主梁的转角之间的关系：

以三角形顶点向下做垂线，则上传感光纤和下传感光纤的长度可分别表示成：

T′₁＝Δ₁₁+Δ₁₂ (5)；

T′₂＝Δ₂₁+Δ₂₂ (6)；

其中，Δ₁₁和Δ₁₂分别是上传感光纤在垂线两侧的长度，Δ₂₁和Δ₂₂分别是下传感光纤在垂线两侧的长度；

根据直角三角形定理，并考虑小变形的特征，有

Δ₁₁＝(H-h)*tanθ₁≈(H-h)*θ₁ (7)；

Δ₁₂＝(H-h)*tanθ₂≈(H-h)*θ₂ (8)；

由公式(7)和(8)进一步有，

T′₁＝Δ₁₁+Δ₁₂＝(H-h)*(θ1+θ2) (9)；

同理，有

Δ₂₁＝H*tanθ₁≈H*θ₁ (10)；

Δ₂₂＝H*tanθ₂≈H*θ₂ (11)；

因此得出

T′₂＝Δ₂₁+Δ₂₂＝H*(θ₁+θ₂) (12)；

其中，H是三角形顶点到下传感光纤的垂直距离，h是上传感光纤、和下传感光纤之间的垂直距离，θ₁和θ₂分别是所监测第一上部主梁和第二上部主梁的转角；

利用几何三角原理，得出上部主梁的转角和桥墩的不均匀沉降距离之间的关系；

以梁(1)的纵轴线和桥墩(5)的沉降线在沉降发生前后建立三角形，并考虑小变形的特征，则有

D＝L₁*tanθ₁≈L₁*θ₁ (13)；

D＝L₂*tanθ₂≈L₂*θ₂ (14)；

由公式(13)和(14)进一步有，

θ₁+θ₂＝(L₁+ L₂)D/(L₁*L₂) (15)；

可以得出传感光纤的长度和桥墩(5)的不均匀沉降之间的关系，以此计算桥墩的不均匀沉降的距离；

将公式(15)分别带入公式(9)和(12)，则有

D＝(T′₂-T′₁)*L₁*L₂/{(L₁+L₂)*h}

其中，D是桥墩的不均匀沉降值，L₁和L₂分别是第一上部主梁和第二上部主梁的轴向长度。

2.如权利要求1所述的一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降监测装置，其特征在于：所述传感光纤固定于相邻两跨上部主梁(1)的侧面。

3.如权利要求1所述的一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降监测装置，其特征在于：各根传感光纤均水平设置。

4.如权利要求1所述的一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降监测装置，其特征在于：所述传感光纤的长度不小于1M。

5.如权利要求1所述的一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降监测装置，其特征在于：所述传感光纤和引线光纤(2)均为基于布里渊分布式光纤传感器。

6.如权利要求1所述的一种简支梁桥的桥墩不均匀沉降监测装置进行计算检测的方法，其特征在于步骤如下：

第一步：利用引线光纤获得光纤的温度补偿量来计算相邻传感光纤在经过温度补偿后的应变量；

第二步：利用第一步计算出的应变量各传感光纤的变形后长度；

第三步：利用几何三角原理，得出上传感光纤和下传感光纤的长度和上部主梁的转角之间的关系式；

第四步：利用几何三角原理，得出上部主梁的转角和桥墩的不均匀沉降距离之间的关系式；

第五步：根据第三步和第四步的计算结果，得出传感光纤的长度和桥墩的不均匀沉降之间的关系式，以此计算桥墩的不均匀沉降的距离。