CN110132137B - 一种基于分布式光纤监测的大型悬索桥钢箱梁全长位移分布测量方法 - Google Patents
一种基于分布式光纤监测的大型悬索桥钢箱梁全长位移分布测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种基于分布式光纤监测的大型悬索桥钢箱梁全长位移分布测量方法，属于结构健康监测技术领域。所述测量方法包括：步骤一、将分布式应变和温度传感光缆沿长度方向布设在钢箱梁内底板上并覆盖钢箱梁全长；步骤二、测量钢箱梁底板的全长应变分布，并消除温度效应；步骤三、对钢箱梁底板的全长应变分布进行二次积分计算，获得包含一个待定参数Cm的钢箱梁全长位移分布函数；步骤四、在钢箱梁上布设至少一个GPS位移传感器，使用GPS位移传感器测量的数据求解钢箱梁位移分布函数中的待定参数Cm，进而获得钢箱梁全长位移分布的测量结果。所述测量方法极大丰富了大型悬索桥钢箱梁位移测量信息，有助于提升大型悬索桥桥梁安全检测结果的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于分布式光纤监测的大型悬索桥钢箱梁全长位移分布测量方法，属于结构健康监测技术领域。
背景技术
大型悬索桥是陆路交通网的关键节点，以其超长的跨越能力，在跨海和跨江等需要保证通航的交通节点位置起到至关重要的连接作用，往往是连接两地的必经要道。大型悬索桥的结构安全关系到区域交通的命脉，一旦结构出现严重损伤导致通行受阻，将为区域经济发展带来巨大损失。因此，对大型悬索桥进行定期结构安全检测，及时发现并修复结构早期的微小损伤，是大型悬索桥安全服役的重要保障。在大型悬索桥的结构体系中，钢箱梁是核心的组成部分，钢箱梁构成桥梁主梁，形成车辆行驶的通道，承受车辆荷载，并传递给吊索、主缆、桥塔和基础等其它桥梁受力部分。因此钢箱梁的结构行为可以反映出整个悬索桥结构体系的安全状态，是大型悬索桥在桥梁检测中的重要指标。大型悬索桥的钢箱梁安全检测一般采用车辆荷载试验方法，其中变形量检测是重要的检测项目。通过在桥面上多个位置施加特定车辆荷载，测量对应的钢箱梁位移响应，并将实际测量值与钢箱梁设计容许位移值进行对比，进而对钢箱梁的结构安全状态进行评估。但是，目前在桥梁监测中，钢箱梁的位移测量一般采用离散的点式位移传感器，例如GPS位移传感器和连通管式位移传感器等，此类位移测量方法存在测点偏少的严重缺陷，在千米级长度的大型悬索桥钢箱梁上往往只有十几个位移测量点，其它位置的位移响应则均无法获得，因此存在大量位移盲区。大量位移盲区的存在会降低桥梁检测的可靠性，在传感器未覆盖的区域，钢箱梁的异常位移响应可能被遗漏，增加了结构的安全风险隐患。并且，大型悬索桥钢箱梁上稀少数量的离散位置的位移信息无法准确反映出钢箱梁全长的位移分布模式，无法与桥梁的设计变形模式进行准确比较，进一步丢失了有价值的结构状态信息。因此，亟需发展可以覆盖大型悬索桥全长距离的，可以测量连续位移分布信息的钢箱梁位移测量方法，提升桥梁安全监测的可靠性，保障桥梁的安全服役。
发明内容
为了解决大型悬索桥结构检测中，现有钢箱梁位移测量方法测点数量偏少和连续位移分布无法测量的问题，本发明提出了一种基于分布式光纤监测的大型悬索桥钢箱梁全长位移分布测量方法。所采取的技术方案如下：
一种基于分布式光纤监测的大型悬索桥钢箱梁全长位移分布测量方法，所述测量方法的步骤包括：
步骤一、将分布式传感光缆沿长度方向布设在钢箱梁内底板上，所述分布式传感光缆覆盖钢箱梁全长；
步骤二、使用长距离高空间分辨率分布式光纤传感测量方式对钢箱梁底板的全长应变分布进行测量，并且在测量过程中消除温度效应；
步骤三、基于平截面假定，并以钢箱梁悬索桥两端支座位移为零作为边界条件，对传感光缆应变分布进行二次积分计算，获得包含一个待定参数Cm的钢箱梁全长位移分布函数；
步骤四、在钢箱梁上至少布设一个GPS位移传感器，使用GPS位移传感器检测的数据求解获取钢箱梁位移分布函数中的待定参数Cm，进而获得钢箱梁全长位移分布的测量结果。
进一步地，所述分布式传感光缆的位置为钢箱梁截面的对称轴中心，穿过底板加劲肋与横隔板之间的空隙沿顺桥向布设。
进一步地，步骤二所述钢箱梁底板的全长应变分布测量的具体过程包括：
第一步、布设两条分布式传感光缆，所述两条分布式传感光缆包括一条分布式应变传感光缆和一条是分布式温度传感光缆；所述分布式应变传感光缆用于测量包含了温度效应和外部荷载引起的钢箱梁全长应变分布；所述分布式温度传感光缆，用于测量钢箱梁全长的温度分布；
第二步、将所述分布式应变传感光缆的测量结果和分布式温度传感光缆测量结果带入以下计算模型中，消除温度效应，获取钢箱梁全长的应变分布ε(z)，所述计算模型为：
其中，
和νB(z)分别代表对钢箱梁施加荷载前和施加外部荷载后的应变传感光缆的布里渊频移分布测量结果，tr(z)和t(z)分别代表对钢箱梁施加荷载前和施加外部荷载后的温度传感光缆测量得到的钢箱梁全长温度分布，Cs代表应变传感光缆的应变灵敏系数，Ct代表钢箱梁底板的温度效应系数。
进一步地，第一步所述分布式应变传感光缆通过胶黏剂黏贴到钢箱梁底板上，并利用布里渊分布式光纤传感系统对所述分布式应变传感光缆进行解调；所述分布式温度传感光缆在测量过程中处于自由状态，并利用布里渊分布式光纤传感系统或者拉曼分布式光纤传感系统对所述分布式温度传感光缆进行解调。
进一步地，所述分布式应变传感光缆与钢箱梁粘结采用丙烯酸酯胶黏剂或环氧树脂胶黏剂。
进一步地，所述分布式应变传感光缆的解调系统采用布里渊分布式光纤传感系统，所述布里渊分布式光纤传感系统包括布里渊时域分析系统和布里渊频域分析系统。
进一步地，所述布里渊分布式光纤传感系统的空间分辨率不低于50cm，并且传感长度大于被测钢箱梁全长长度的两倍。
进一步地，步骤三所述钢箱梁全长位移分布函数为：
其中，w(x0)代表悬索桥钢箱梁在端部支座x0距离的位移值，ε(z)代表由分布式传感光纤获得的仅由外部荷载引起的钢箱梁底板全长应变分布，h代表钢箱梁截面高度，L代表钢箱梁全长长度，Cm代表待定系数。
进一步地，步骤四所述获得钢箱梁全长位移分布的测量结果的过程包括：将GPS位移传感器测量钢箱梁在非支座位置x0＝x1处的位移值w(x1)，代入到钢箱梁全长位移分布函数
中，得到
然后求解出Cm的值
并最终求解出w(x0)的表达式
实现对钢箱梁全长位移分布的测量。
本发明有益效果：
本发明提出的一种基于分布式光纤监测的大型悬索桥钢箱梁全长位移分布测量方法可以测量覆盖大型悬索桥钢箱梁全长的连续位移分布，可以反映在桥梁检测中钢箱梁全长范围内所有位置由于荷载作用产生的位移变化，极大丰富了桥梁结构响应信息，并显著提升桥梁安全检测结果的可靠性。另外，此方法可以直接测量出钢箱梁整体的变形模式，对进一步分析桥梁结构体系受力特征的变化起到关键作用。
附图说明
图1为本发明所述的分布式传感光缆和GPS传感器在大型悬索桥钢箱梁上的布设位置示意图，其中，(a)为顺桥向整体示意图，(b)为横截面局部放大示意图；
图2为本发明所述的分布式传感光缆在大型悬索桥钢箱梁上的实际布设照片示例；
图3为本发明所述的分布式传感光缆的全桥应变分布测量结果；
图4为本发明所述的分布式传感光缆的全桥位移分布测量结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
结合图1，图2，图3和图4说明本实施例，一种基于分布式光纤监测的大型悬索桥钢箱梁全长位移分布测量方法，对大型悬索桥在左侧边跨跨中位置施加车辆荷载，荷载分两级，分别为Case1＝3600kN和Case2＝7200kN，测量由此荷载引起的钢箱梁全长位移响应。分布式传感光缆在悬索桥钢箱梁上布设的位置示意如图1所示，将一条分布式应变传感光缆和一条分布式温度传感光缆相邻布设在钢箱梁内底板上，应变传感光缆使用胶黏剂与箱梁底板黏贴，胶黏剂可使用丙烯酸酯胶黏剂或环氧树脂胶黏剂，而温度传感光缆处于自由状态。分布式传感光缆的具体位置为钢箱梁截面的对称轴中心区域(以图1中位置1至位置4为宜)，穿过底板加劲肋与横隔板之间的空隙沿顺桥向布设，分布式传感光缆覆盖钢箱梁全长，实际布设照片如图2所示。另外，在钢箱梁左侧边跨跨中位置(非支座位置)安装一个(至少一个)GPS位移传感器，具体安装位置如图1所示。
具体的，所述基于分布式光纤监测的大型悬索桥钢箱梁全长位移分布测量方法的步骤包括：
步骤一、将分布式传感光缆沿长度方向布设在钢箱梁内底板上，所述分布式传感光缆覆盖钢箱梁全长；
步骤二、使用长距离高空间分辨率分布式光纤传感测量方式对钢箱梁底板的全长应变分布进行测量，并且在测量过程中消除温度效应；
步骤三、基于平截面假定，并以钢箱梁悬索桥两端支座位移为零作为边界条件，对传感光缆应变分布进行二次积分计算，获得包含一个待定参数Cm的钢箱梁全长位移分布函数；
步骤四、在钢箱梁上至少布设一个GPS位移传感器，使用GPS位移传感器检测的数据求解获取钢箱梁位移分布函数中的待定参数Cm，进而获得钢箱梁全长位移分布的测量结果。
其中，步骤二所述钢箱梁底板的全长应变分布测量的具体过程包括：
第一步、利用空间分辨率为50cm，传感长度为20km的布里渊时域分析系统对所述分布式应变传感光缆进行解调，利用空间分辨率为100cm，传感长度为10km的拉曼分布式光纤传感系统对所述分布式温度传感光缆进行解调。
第二步、将所述分布式应变传感光缆测量结果和分布式温度传感光缆测量结果带入以下计算模型中，获取钢箱梁全长应变分布ε(z)，所述计算模型为：
其中，
和νB(z)分别代表对钢箱梁施加荷载前和施加外部荷载后的分布式应变传感光缆的布里渊频移分布测量结果，tr(z)和t(z)分别代表对钢箱梁施加荷载前和施加外部荷载后的分布式温度传感光缆测量得到的全桥温度分布，Cs代表应变传感光缆的应变灵敏系数，Ct代表钢箱梁底板的温度效应系数。实际获得的钢箱梁全长应变分布ε(z)结果如图3所示。
步骤三所述钢箱梁全长位移分布函数为：
其中，w(x0)代表悬索桥钢箱梁在端部支座x0距离的位移值，ε(z)代表由分布式传感光缆获得的仅由外部荷载引起的钢箱梁底板全长应变分布，h代表钢箱梁截面高度，L代表钢箱梁全长长度，Cm代表待定系数。
同时，步骤四所述获得钢箱梁全长位移分布的测量结果的过程包括：将GPS位移传感器测量钢箱梁在非支座位置x0＝x1处的位移值w(x1)，代入到钢箱梁全长位移分布函数
中，得到
然后求解出Cm的值
并最终求解出w(x0)的表达式
实现对钢箱梁全长位移分布的测量。实际获得的钢箱梁全长位移分布的测量结果如图4所示。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (8)
1.一种基于分布式光纤监测的大型悬索桥钢箱梁全长位移分布测量方法，其特征在于，所述测量方法的步骤包括：
步骤一、将分布式传感光缆沿长度方向布设在钢箱梁内底板上，所述分布式传感光缆覆盖钢箱梁全长；
步骤二、使用长距离高空间分辨率分布式光纤传感测量方式对钢箱梁底板的全长应变分布进行测量，并且在测量过程中消除温度效应；
步骤三、基于平截面假定，并以钢箱梁悬索桥两端支座位移为零作为边界条件，对传感光缆应变分布进行二次积分计算，获得包含一个待定参数Cm的钢箱梁全长位移分布函数；所述钢箱梁全长位移分布函数为：
其中，w(x0)代表悬索桥钢箱梁在端部支座x0距离的位移值，ε(z)代表由分布式传感光纤获得的仅由外部荷载引起的钢箱梁底板全长应变分布，h代表钢箱梁截面高度，L代表钢箱梁全长长度，Cm代表待定系数
步骤四、在钢箱梁上至少布设一个GPS位移传感器，使用GPS位移传感器检测的数据求解获取钢箱梁位移分布函数中的待定参数Cm，进而获得钢箱梁全长位移分布的测量结果。
2.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，所述分布式传感光缆的位置为钢箱梁截面的对称轴中心，穿过底板加劲肋与横隔板之间的空隙沿顺桥向布设。
3.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，步骤二所述钢箱梁底板的全长应变分布测量和消除温度效应的具体过程包括：
第一步、布设两条分布式传感光缆，所述两条分布式传感光缆包括一条分布式应变传感光缆和一条是分布式温度传感光缆；所述分布式应变传感光缆用于测量包含了温度效应和外部荷载引起的钢箱梁全长应变分布；所述分布式温度传感光缆，用于测量钢箱梁全长的温度分布；
第二步、将所述分布式应变传感光缆的测量结果和分布式温度传感光缆测量结果带入以下计算模型中，消除温度效应，获取钢箱梁全长的应变分布ε(z)，所述计算模型为：
其中，
和νB(z)分别代表对钢箱梁施加荷载前和施加外部荷载后的应变传感光缆的布里渊频移分布测量结果，tr(z)和t(z)分别代表对钢箱梁施加荷载前和施加外部荷载后的温度传感光缆测量得到的钢箱梁全长温度分布，Cs代表应变传感光缆的应变灵敏系数，Ct代表钢箱梁底板的温度效应系数。
4.根据权利要求3所述测量方法，其特征在于，第一步所述分布式应变传感光缆通过胶黏剂黏贴到钢箱梁底板上，并利用布里渊分布式光纤传感系统对所述分布式应变传感光缆进行解调；所述分布式温度传感光缆在测量过程中处于自由状态，并利用布里渊分布式光纤传感系统或者拉曼分布式光纤传感系统对所述分布式温度传感光缆进行解调。
5.根据权利要求4所述测量方法，其特征在于，所述分布式应变传感光缆与钢箱梁粘结采用丙烯酸酯胶黏剂或环氧树脂胶黏剂。
6.根据权利要求3所述测量方法，其特征在于，所述分布式应变传感光缆的解调系统采用布里渊分布式光纤传感系统，所述布里渊分布式光纤传感系统包括布里渊时域分析系统和布里渊频域分析系统。
7.根据权利要求6所述测量方法，其特征在于，所述布里渊分布式光纤传感系统的空间分辨率不低于50cm，并且传感长度大于被测钢箱梁全长长度的两倍。
8.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，步骤四所述获得钢箱梁全长位移分布的测量结果的过程包括：将GPS位移传感器测量钢箱梁在非支座位置x0＝x1处的位移值w(x1)，代入到钢箱梁全长位移分布函数
中，得到
然后求解出Cm的值
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实现对钢箱梁全长位移分布的测量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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