CN110608862A - 一种通过倾角传感器测量桥梁动态均值挠度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过倾角传感器测量桥梁动态均值挠度方法，包括如下步骤，分析桥梁竖向变形的振动频率f₁，根据振动频率与振动周期的关系，即T＝1/f，获得桥梁振动周期T₁，利用倾角传感器测量桥梁结构的竖向挠度变形，桥梁上布置n个倾角传感器，与采集仪器相连接，设置传感器的采样频率f₀，按照等时间间距采样，每个传感器同一时刻采集数据，传感器的采样频率至少大于两倍的梁竖向变形的振动频率；利用倾角传感器测量结构挠度变形，不需要直接测量桥梁动态挠度变形，而是通过间接的方式，测量反映结构承载力情况的静态挠度，能实现自动化实时监测并且能显著降低桥梁长期监测测量的成本同时大大提高测量的效率。

Description

一种通过倾角传感器测量桥梁动态均值挠度方法

技术领域

本发明涉及桥梁结构测量技术领域，特别是一种通过倾角传感器测量桥梁动态均值挠度方法。

背景技术

桥梁挠度测量是桥梁检测的重要组成部分，是桥梁安全性评价的一项重要指标，是最直观的一个评价指标，测量其变化情况很大程度上能获悉桥梁的使用状况。因为桥梁的变形应符合初始设计时所考虑的变形情况，若实际的桥梁的变形不符合理论变形情况，例如下沉过大、偏转过大等，说明结构很大可能处于一个不健康的使用情况。桥梁的挠度与桥梁的承载能力及抵御地震等动荷载的能力有密切的关系。因此桥梁动、静挠度测量方法的研究和仪器设备的开发研制对于桥梁承载能力检测和桥梁的防震减灾有着重要的意义。

测量方法主要有精密水准仪法、经纬仪法、百分表法、全站仪法、连通管测量法、激光图像测量法、机器人测量法、GPS测量法、倾角仪测量法。与其它测量方法相比，倾角法有良好的低频特性和瞬态反应能力，它不仅能测量出桥梁变形的角度，还能通过积分方法获得桥梁挠度的变形。因此可以选择倾角法来测量桥梁挠度变形。

但是绝大多数测量方法(包括倾角法)在正常测量下，只能测量桥梁静止状态的挠度变化。而对于振动荷载下，桥梁结构变形处于一直变化的状态，测量的结果为桥梁的动态挠度。

桥梁结构动挠度的测量一般用于计算桥梁的冲击系数，以此来分析桥梁结构的动力特征。结构动态变形的测量是一个复杂的问题。实际上没有必要测量桥梁结构的动态瞬时挠度变形，这既不能很好反映出桥梁的实际承载力情况，又会产生海量数据，占据大量的储存空间。在实践中，需要获得结构的静态挠度变形，但桥梁在运营期间下，其变形是一个动态值，因此如何从动态值中获得结构的静态值，是个必须解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种通过倾角传感器测量桥梁动态均值挠度方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种通过倾角传感器测量桥梁动态均值挠度方法，包括如下步骤：

S1、分析桥梁竖向变形的振动频率f₁，根据振动频率与振动周期的关系，即T＝1/f，获得桥梁振动周期T₁；

S2、利用倾角传感器测量桥梁结构的竖向挠度变形，桥梁上布置n个倾角传感器，与采集仪器相连接，设置传感器的采样频率f₀，按照等时间间距采样，每个传感器同一时刻采集数据，传感器的采样频率至少大于两倍的梁竖向变形的振动频率，即f0≥2f₁；

S3、分析桥梁结构发生挠度均值稳态的动态变形，利用倾角传感器测量桥梁结构动态变形的变化值，得出传感器测量值θ_i，则每个传感器的测量值θ_i是时间t_i的函数式，θ_i＝f(t_i)；

S4、对每个传感器测量值进行周期的平均处理，T₀为需要平均处理的周期， T₀≥aT₁(a∈N+)，为传感器i的测量值的T₀周期平均值，θ_iN为桥梁 T0周期内的测量值，T0周期内有N个测量值，则θ_i＝(θ_i1+θ_i2......+θ_iN)/N；

S5、利用倾角积分原理将获得的换算成桥梁的挠度变形，此时获得的挠度变形为桥梁动态均值挠度，它与桥梁静态挠度变形一致。

本发明的有益效果是：利用倾角传感器测量结构挠度变形，不需要直接测量桥梁动态挠度变形，而是通过间接的方式，测量反映结构承载力情况的静态挠度，能实现自动化实时监测并且能显著降低桥梁长期监测测量的成本同时大大提高测量的效率，同时针对运营期间桥梁结构变形处于不断变化的情况，利用高频采样的方式测量结构的动态均值挠度能有效消除动态瞬时挠度对静态挠度的影响，测量结果符合静态挠度的挠度变形。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是简支梁动态瞬时挠度变形曲线；

图2是本发明利用倾角传感器测量桥梁动态均值挠度变形的过程示意图；

图3是本发明实践中A点的挠度时程曲线图(T₁＝2Hz)；

图4是本发明实践中A点的挠度时程曲线图(T＝11Hz)；

图5是本发明试验中单个测点倾角法测量挠度曲线图(同步采集、1个周期平均)；

图6是本发明试验中多个测点倾角法测量挠度曲线图(同步采集、4个周期平均)；

图7是本发明的桥梁挠度变形换算原理示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中会涉及一些特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明创造仍可实现，即所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员可更有效的介绍他们的工作本质。

结构由于荷载作用产生的挠度可以分为静态挠度及动态挠度。静态挠度是指结构在恒载或者在变化缓慢的荷载作用下产生的挠度变形，动态挠度是指结构在动载或者在短周期的荷载作用下产生的挠度变形。例如，车辆静止在桥梁上，结构所产生的挠度变形，可以称之为静态挠度；而当一辆车在桥面上通过，由于车移动荷载作用下结构产生的挠度变形，可以称之为动态挠度。结构的动态挠度一般是指结构的动态瞬时挠度，它反映结构每个瞬间时刻所发生的变形情况。若在振动过程中振动挠度均值为稳态时，将结构动态瞬时挠度测量值进行周期平均，则可得到结构的动态均值挠度，其能反映静态挠度与动态瞬时挠度的关系，测量结构动态均值挠度的意义是消除动态瞬时挠度来获得静态挠度值。

在动荷载作用下，简支梁跨中点的位移时程曲线是一段波浪曲线，这个曲线是长周期的静态响应与短周期扰动的叠加。结构静态挠度曲线是一条平滑的弧线段，而动态挠度曲线是以静态挠度曲线为基准震动，因此，桥梁结构的动态挠度可以认为是结构静态挠度叠加短周期的振动挠度。例如参照图1，某简支梁在施加周期荷载后，简支梁整体动态挠度曲线如所示。实线为静态挠度曲线，虚线为动态挠度曲线，动态挠度曲线以静态挠度曲线为基准上下振动。若简支梁的振动为均值稳定的振动时，取其振动周期内动态挠度的均值，则得到的动态均值挠度应与静态挠度一致。

基于此，参照图2，一种通过倾角传感器测量桥梁动态均值挠度方法，包括如下步骤：

S1、分析桥梁竖向变形的振动频率f₁，根据振动频率与振动周期的关系，即T＝1/f，获得桥梁振动周期T₁。其中振动频率f₁可通过模拟程序计算，例如可以利用有限元软件建立桥梁结构的模型，通过软件计算，就能获得桥梁结构的振动频率。

S2、利用倾角传感器测量桥梁结构的竖向挠度变形，桥梁上布置n个倾角传感器，与采集仪器相连接，设置传感器的采样频率f₀，按照等时间间距采样，每个传感器同一时刻采集数据，传感器的采样频率至少大于两倍的梁竖向变形的振动频率，即f₀≥2f₁。

S3、分析桥梁结构发生挠度均值稳态的动态变形，利用倾角传感器测量桥梁结构动态变形的变化值，得出传感器测量值θ_i，则每个传感器的测量值θ_i是时间t_i的函数式，θ_i＝f(t_i)，其中对于不同的倾角传感器，能分别测量出不同轴方向的偏移值。例如双轴传感器，能够同时测量出x轴与y 轴的测量值，但对于本次测量方法而言，只需得出所测量方向的偏移值即可，而不需要区分然后再分别计算各个轴方向的变化值，处理更简单。

S4、对每个传感器测量值进行周期的平均处理，T₀为需要平均处理的周期， T₀≥aT₁(a∈N+)，为传感器i的测量值的T₀周期平均值，θ_iN为桥梁T0周期内的测量值，T0周期内有N个测量值，则

θ_i＝(θ_i1+θ_i2......+θ_iN)/N。

S5、利用倾角积分原理将获得的换算成桥梁的挠度变形，此时获得的挠度变形为桥梁动态均值挠度，它与桥梁静态挠度变形一致。具体参照图7，根据梁的转角方程与挠度方程可以得出，其中所测的梁某一截面的转角等于挠度曲线在该点处的转角，即挠度曲线在该点的切线与直角坐标下x轴之间的夹角。因此，通过测量桥梁变形过程中某些点的角度并通过相关换算，就可以得到桥梁的竖向变形，计算公式为：Δy_i＝L_itanθ_i。

假设结构作自由振动，结构的一阶竖向频率f＝1Hz，则振动周期T₀＝1s，参照图3，结构某一点A点的挠度时程曲线如图3所示，A点在1秒钟内完成一次竖向周期运动。若以T₁＝2Hz的采用频率对A点变化进行采集，则一个完整的周期内可以得出(t₁,y₁)、(t₂,y₂)的采集值，y₁、y₂则为A点的动态瞬时值。若t₁、t₂时刻，A点的变化为峰值，则|y₀|＝|y₁|＝|y₂|(y₀为A 点简谐运动方程中的振幅)，则(y₁+y₂)/2＝0，在一个周期内，对测量值进行平均可以消除A点由振动产生的动态挠度，使A点处于静止状态。则对A点的动态瞬时值进行周期内平均后，获得了A点的动态均值挠度值，此时A点的动态均值挠度值与静态挠度值一致。而实际测量时，采样点在一个周期内不一定达到峰值时刻，但当采样频率T₁＝n(n≥2)足够多时，则(y₁+y₂+......+y_n)/n→0，参照图4，在一个周期内采样点数足够多，对动态测量值进行周期内平均，消除动点由振动产生的动态变化，得到该点的动态均值挠度值，可认为获得该点的静态挠度值。

因此，若利用高频采样采集结构动态挠度的变化，对测量值进行合理的平均处理可以获得结构的动态均值挠度。当结构振动过程中变形均值是稳定时，动态均值挠度值与静态挠度值一致。

根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

桥梁结构动挠度的测量一般用于计算桥梁的冲击系数，以此来分析桥梁结构的动力特征。结构动态变形的测量是一个复杂的问题，尤其是大跨度桥梁结构。实践中没有必要测量桥梁结构的动态瞬时挠度变形，这既不能很好反映出桥梁的实际承载力情况，又会产生海量数据，占据大量的储存空间。但桥梁在运营期间下，需要获得结构的静态挠度变形的话，其变形是一个动态值，因此可以从动态值中获得结构的静态值。具体可利用高频采样，对动态测量值进行周期内平均消除动态变化的方法，测量动态均值挠度，间接获得结构的静态挠度。

现将简支梁竖向自由振动期间采集的数据进行同步处理后，分析动态均值挠度结果。同步处理模拟的是采集仪对传感器实现等间距同步采集，即采集仪发送一个采集指令，全部传感器能同时记录数据，这通过插值同步方式实现。

试验用简支梁的振动周期约为T＝0.5s，倾角传感器采用f₀＝20Hz的采样频率进行采集。采用插值同步处理数据后，取各个传感器在同一个振动周期内的数据进行平均来消除动态挠度，从而获得动态均值挠度的测量值，各测点的挠度值如下表(表1倾角法实测挠度值、1个周期平均、单位： mm)所示，

将各测点的挠度值进行曲线拟合，结果如图5所示。

以试验简支梁振动的一个周期内读数平均值作为测量值，得出动态均值挠度值及动态均值挠度曲线，挠度曲线变化趋势及形状与静止状态挠度一致，测试得到曲线基本以静止状态时的曲线为基准上下波动。虽然测试得到的挠度值与静止状态时的挠度值不相同，存在一定的误差，但误差较小，总体上可以认为采用同步高频率采样消除动态挠度的方法，获得的动态均值挠度与静态挠度一致。

同理，将各传感器取4个振动周期内读数进行平均，各测点的挠度值如下表(倾角法实测挠度值、4个周期平均、单位：mm)所示，

将各测点的挠度值进行曲线拟合，结果如图6所示。以倾角法测量的静止状态时挠度作为基准值，将测量的动态均值挠度值与基准值进行对比，分析采用高频率采样测量获得动态均值挠度的可行性。

以试验简支梁振动的四个周期内读数平均值作为测量值，得出动态均值挠度值及动态均值挠度曲线，测试得到的挠度值与静止状态时的挠度值误差比一个周期时的要小，测试得到的曲线基本与静止状态时的曲线相重合。采取多个周期的平均值，能提高测量的精确性。

综上试验结果可以得出，结构振动过程中变形均值是稳定时，利用高频同步采集结构动态挠度的变化，对测量值进行合理的平均处理消除结构动态挠度，得到的结构动态均值挠度与静态挠度一致。因此，测量结构动态均值挠度以间接获得静态挠度的方法是可行的。若要保证动态均值挠度值与静态挠度值接近，所求的动态均值挠度需比动态挠度大，以减小由于消除动态挠度所造成的误差。

Claims (1)

1.一种通过倾角传感器测量桥梁动态均值挠度方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、分析桥梁竖向变形的振动频率f₁，根据振动频率与振动周期的关系，即T＝1/f，获得桥梁振动周期T₁；

S2、利用倾角传感器测量桥梁结构的竖向挠度变形，桥梁上布置n个倾角传感器，与采集仪器相连接，设置传感器的采样频率f₀，按照等时间间距采样，每个传感器同一时刻采集数据，传感器的采样频率至少大于两倍的梁竖向变形的振动频率，即f₀≥2f₁；

S3、分析桥梁结构发生挠度均值稳态的动态变形，利用倾角传感器测量桥梁结构动态变形的变化值，得出传感器测量值θ_i，则每个传感器的测量值θ_i是时间t_i的函数式，θ_i＝f(t_i)；

S4、对每个传感器测量值进行周期的平均处理，T₀为需要平均处理的周期，T₀≥aT₁(a∈N+)，为传感器i的测量值的T₀周期平均值，θ_iN为桥梁T₀周期内的测量值，T0周期内有N个测量值，则

S5、利用倾角积分原理将获得的换算成桥梁的挠度变形，此时获得的挠度变形为桥梁动态均值挠度，它与桥梁静态挠度变形一致。