CN111060270B - 一种城市高架桥梁可移动式快速监测与智能评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及桥梁检测及评估技术领域，具体地说是一种城市高架桥梁可移动式快速监测与智能评估方法，根据桥梁类型的监测重点，选择传感器类型及布置方式；传感器采集的数据存储于可移动数据采集站，对数据进行校正、记录整理后，可移动数据采集站通过4G或5G通讯技术传递至远程服务器；远程服务器收到数据后，进行分类存储；结构安全状态评估模块从远程服务器获取数据，并进行预处理；计算中性轴位置偏差率或跨中总挠度最大值，判断结构状态安全状态。本发明同现有技术相比，针对城市高架桥梁的受力特点，设计了可移动式快速监测与智能评估方法，提出监测指标体系，能够进行结构安全状态的快速智能化评估，适用性强，可进行广泛推广与应用。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁检测及评估技术领域，具体地说是一种城市高架桥梁可移动式快速监测与智能评估方法。
背景技术
我国城市化的快速发展，高架桥作为解决交通拥堵、实现城市快速交通的一个有效方法，越来越多的出现在人们的视野中。面对城市建设的快速进程，在桥龄、环境和交通荷载效应等不利因素的长期耦合作用下，都将对城市高架桥梁的安全性和耐久性带来隐患，所以对城市高架桥进行健康监测是必要的。
而目前，国内外对桥梁健康监测与预警系统方面的相关研究及实践应用主要集中在大型复杂桥梁，这些研究成果还不能很好的满足高架桥梁的健康监测需求，特别是考虑城市高架桥梁结构形式多样，设施体量巨大，交通环境复杂，车辆运行要求高等特点，健康监测系统需具备快速安装、可移动式重复利用、智能分析与评估、经济成本低等条件，而目前国内外在这方面的研究与实践极少。
近年来，随着桥梁健康监测领域一些新技术的发展，如InSAR技术、激光扫描、无线传感、云计算、物联网技术等，为城市高架桥梁快速监测研究提供了条件。
因此，有必要针对城市高架桥梁结构受力特点，设计一种城市高架桥梁可移动式快速监测与智能评估方法，以对常见类型梁桥进行智能监测与结构安全状态评估。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种城市高架桥梁可移动式快速监测与智能评估方法，以对常见类型梁桥进行智能监测与结构安全状态评估。
为了达到上述目的，本发明是一种城市高架桥梁可移动式快速监测与智能评估方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，根据桥梁类型的监测重点，选择传感器类型及布置方式；步骤2，传感器采集的数据存储于可移动数据采集站，对数据进行校正、记录整理后，可移动数据采集站通过4G或5G通讯技术传递至远程服务器；步骤3，远程服务器收到数据后，进行分类存储；步骤4，结构安全状态评估模块从远程服务器获取数据，并进行预处理；步骤5，对于大箱梁桥或小箱梁桥，计算实测中性轴位置h实测和理论中性轴位置h理论，并计算中性轴位置偏差率hh＝|h实测-h理论|×100％/h理论，如中性轴位置偏差率hh在0～10％的区间，则结构状态安全，如中性轴位置偏差率hh不在0～10％的区间，则结构状态偏不安全；步骤6，对于空心板梁桥或T梁桥，计算动挠度最大值yd max，计算跨中静挠度实测值y实测静，计算跨中总挠度最大值y总max＝yd max+y实测静，如跨中总挠度最大值y总max在0～桥跨的跨径/1000的区间内，则结构状态安全，如跨中总挠度最大值y总max不在0～桥跨的跨径/1000的区间内，则结构状态偏不安全。
所述的选择传感器类型及布置方式具体如下：如桥梁类型为大箱梁桥或小箱梁桥，应变传感器对称布置在跨中截面腹板与底板上进行应变监测，温度传感器布置在底板和腹板的应变传感器旁；如桥梁类型为空心板梁桥或T梁桥，速度传感器沿纵桥向等间距布置3个进行结构模态和基频的识别，并沿跨中截面横桥向布置于每块空心板梁或T梁下，用于计算每块单梁的动挠度，应变传感器布置在空心板梁或T梁跨中、1/4截面、3/4截面处的梁底处。
所述的可移动数据采集站设置在跨中护栏处，可移动数据采集站外设置有防抛网，可移动数据采集站采用螺栓固定在预制钢板上，预制钢板、传感器外均包覆有透明胶带，透明胶带与桥梁梁底的平滑处之间采用AB胶水连接。
所述的预处理具体如下：如数据中存在丢包，则丢包时间段内的所有传感器数据全部忽略；如数据中存在单点异常数据，则采用拉伊达准则，将数据中大于μ+γσ的测量值看作异常数据，其中，μ为数据均值，σ为标准差，γ为系数；如数据中存在噪声，采用平均滤波器，设置窗宽与噪声拟合方式，达到降噪效果。
所述的计算实测中性轴位置h实测具体如下：根据材料力学中的平截面假定，两横截面绕各自中性轴相对转过角度dθ，并保持为平面，ρ为弯曲梁单元的曲率半径，三个应变传感器平行贴于箱梁腹板，纵向应变为εi(yi，t)，i＝1，2，3，三个应变传感器距离截面顶端的距离分别为yi，i＝1，2，3，h实测为中性轴到截面顶端的距离，当t时刻，对于横截面中的任意一点，其纵向应变εi(yi，t)，i＝1，2，3与该点相距中性轴的距离成正比，横截面上的纵向应变为
曲率表达式为
三个应变传感器检测的中性轴位置分别为
根据
计算实测中性轴位置h实测。
所述的理论中性轴位置h理论根据设计图纸，利用中性轴定义求得。
所述的计算动挠度最大值yd max具体如下：采用最小二乘法去除速度信号的趋势项，并结合数字高通滤波去除低频信号，积分后得到动挠度信号，采用最小二乘法去除动挠度信号的趋势项，并结合数字高通滤波去除低频信号，得到理想的动挠度信号时程，并得到动挠度最大值yd max。
所述的计算跨中静挠度实测值y实测静具体如下：结合有限元软件ANSYS建立模型得到的静挠度、基频理论值以及基于沿纵向布设的速度信号进行模态识别得到的基频实测值，根据静挠度校验系数公式，得到跨中静挠度实测值y实测静。
本发明同现有技术相比，针对城市高架桥梁的受力特点，设计了可移动式快速监测与智能评估方法，提出监测指标体系，能够进行结构安全状态的快速智能化评估，适用性强，可进行广泛推广与应用。
附图说明
图1为本发明大箱梁桥或小箱梁桥的传感器及可移动数据采集站布置图。
图2为本发明空心板梁桥的传感器及可移动数据采集站布置图。
图3为本发明T梁桥的传感器及可移动数据采集站布置图。
图4为本发明可移动数据采集站与桥梁梁底的连接图。
图5为本发明计算实测中性轴位置时，横截面上的弯曲应变示意图。
图6为本发明实施例中，传感器的测点布置图。
图7为本发明实施例中，2号速度测点理想的位移数据时程图。
具体实施方式
现结合附图对本发明做进一步描述。
本发明的可移动式快速监测与智能评估系统包括监测方案模块、系统硬件集成模块、数据快速采集及传输模块、结构安全状态评估模块四个部分。
监测方案模块包括：针对城市高架桥的多种桥型，优化设计可移动式无线传感器类型及布设方案、数据采集站机柜，以更好地获取桥梁结构在不同荷载工况下的位移、频率等涉及结构安全的重要参数。
系统硬件集成模块包括：针对箱梁、空心板梁、T梁等每种桥型的结构受力特点，集成无线传感设备、可移动数据采集站与数据传输系统，并进行改装及优化配置，实现高架桥梁短期监测数据的快速采集。集成无线传感设备、可移动数据采集站可实现快速安装与拆卸，集成无线传感设备与可移动数据采集站之间采用局域网连接，可移动数据采集站与远程服务器采用4G或5G连接。
数据快速采集及传输模块包括：运用无线传感技术、5G通讯技术进行数据快速实时采集、传输到远程电脑端或云端。
结构安全状态评估模块包括：通过云计算、物联网等先进技术手段，对桥梁结构安全状态进行智能分析评估，针对存在安全隐患的桥梁结构类型进行重要监测分析，获取结构的安全状况。
本发明是一种城市高架桥梁可移动式快速监测与智能评估方法，包括如下步骤：步骤1，根据桥梁类型的监测重点，选择传感器类型及布置方式。选择传感器类型及布置方式具体如下：参见图1，如桥梁类型为大箱梁桥或小箱梁桥，八个应变传感器1对称布置在跨中截面腹板与底板上进行应变监测，两个温度传感器2布置在底板和腹板的应变传感器1旁，若实际单箱箱梁底板横向宽度较大，为保证监测数据的可靠性可适当增加梁底布置的传感器数量。参见图2、3，如桥梁类型为空心板梁桥或T梁桥，速度传感器沿纵桥向等间距布置3个进行结构模态和基频的识别，并沿跨中截面横桥向布置于每块空心板梁或T梁下，用于计算每块单梁的动挠度，应变传感器1布置在空心板梁或T梁跨中、1/4截面、3/4截面处的梁底处。对于具体桥梁，可适当调整布置的传感器数量。
步骤2，传感器采集的数据存储于可移动数据采集站，为保证采集的数据真实有效，对数据进行校正、记录整理后，可移动数据采集站通过4G或5G通讯技术传递至远程服务器。为尽可能减少传感器与数据采集仪之间的距离，可移动数据采集站3设置在跨中护栏处，参见图4，可移动数据采集站3外设置有防抛网4，可移动数据采集站3采用螺栓固定在预制钢板6上，预制钢板6、传感器外均包覆有透明胶带，透明胶带与桥梁梁底7的平滑处之间采用AB胶水连接。
本发明可完成传感器、可移动数据采集站的快速安装与拆卸。拆卸时，借助铲子等工具将传感器与透明胶带分离，即可将传感器快速卸下。拆下可移动数据采集站时，将预制钢板6上的螺栓卸下即可。整个安装与拆卸过程均未对桥梁结构产生破坏。
可移动式数据采集站包括数据采集仪、桥底支撑支架、防盗装置、监控摄像头、路由器、蓄电池和太阳能板组成，并封装于一定尺寸的机柜中。数据采集仪主要用于无线传感设备的数据采集与记录，并将数据实时传输给远程服务器。桥底支撑支架主要用于支撑整个机柜，使其保持稳定工作。防盗装置和监控摄像头配合使用，主要用于防盗手段，防止机柜的设备被不正当操作和移动，当发生不正当操作和移动时，防盗装置启动警示并将警示信息发送给远程服务器。蓄电池和太阳能板主要用于路由器和采集仪的用电需求，蓄电池用于设备短期监测。太阳能板则负责给蓄电池充电和直接给设备供电，可保证设备的长期监测。
步骤3，远程服务器收到数据后，进行分类存储，保证数据传输的实时性与可靠性。
步骤4，结构安全状态评估模块从远程服务器获取数据，并进行预处理。预处理具体如下：数据采集与传输方式为无线方式，在快速监测过程中，更容易产生由于传感器故障、网络传输故障等引起的数据丢包现象，如数据中存在丢包，则丢包时间段内的所有传感器数据全部忽略，以消除其对承载能力评估的影响。如数据中存在单点异常数据，由于本系统采集的只有速度与应变数据，则采用拉伊达准则，将数据中大于μ+γσ的测量值看作异常数据，其中，μ为数据均值，σ为标准差，γ为系数，根据具体情况选择。由于环境中大多数为白噪声，如数据中存在噪声，采用平均滤波器，设置窗宽与噪声拟合方式，达到降噪效果。另一方面，从源头上尽可能规避噪声，选择信噪比较大的传感器。
步骤5，对于大箱梁桥或小箱梁桥，计算实测中性轴位置h实测和理论中性轴位置h理论，并计算中性轴位置偏差率hh＝|h实测-h理论|×100％/h理论，如中性轴位置偏差率hh在0～10％的区间，则结构状态安全，如中性轴位置偏差率hh不在0～10％的区间，则结构状态偏不安全。
大箱梁在运营期间重点病害为顶板、底板、腹板与横隔板裂缝，选用的监测物理量为应变。小箱梁桥在运营期间重点病害为铰缝失效、跨中横向裂缝与腹板裂缝，监测的物理量为应变。中性轴是受弯结构中性层与横截面的交线，在结构未受损伤时中性轴位置不会变化，受外荷载作用下中性轴位置也不会改变，当结构发生损伤时，中性轴位置则会发生改变。中性轴位置作为梁式结构的固有的结构特性参数，反映了结构刚度的变化及性能退化等，可作为反映大、小箱梁桥安全状态的重要指标。
计算实测中性轴位置h实测具体如下：参见图5，横截面上的虚线为中性层，根据材料力学中的平截面假定，两横截面绕各自中性轴相对转过角度dθ，并保持为平面，ρ为弯曲梁单元的曲率半径，三个应变传感器平行贴于箱梁腹板，纵向应变为εi(yi，t)，i＝1，2，3，三个应变传感器距离截面顶端的距离分别为yi，i＝1，2，3，h实测为中性轴到截面顶端的距离，当t时刻，对于横截面中的任意一点，其纵向应变εi(yi，t)，i＝1，2，3与该点相距中性轴的距离成正比，横截面上的纵向应变为
曲率表达式为
三个应变传感器检测的中性轴位置分别为
根据
计算实测中性轴位置h实测。
理论中性轴位置h理论根据设计图纸，利用中性轴定义求得。
步骤6，对于空心板梁桥或T梁桥，计算动挠度最大值yd max，计算跨中静挠度实测值y实测静，计算跨中总挠度最大值y总max＝yd max+y实测静，如跨中总挠度最大值y总max在0～桥跨的跨径/1000的区间内，则结构状态安全，如跨中总挠度最大值y总max不在0～桥跨的跨径/1000的区间内，则结构状态偏不安全。
空心板梁与T梁桥在运营期间主要病害为铰缝失效，严重情况下会形成单梁受力，挠度能直观反映桥梁结构整体变形及承受荷载能力，是结构安全状态评估的重要指标。
理想状况下，标准车在进桥之前，桥梁的初始速度及加速度均应为0，但在实际中由于环境等因素，桥梁始终处于微振动状态，以及传感设备的缘故，导致标准车进桥时结构初始状况的精确确定较为困难。
计算动挠度最大值yd max具体如下：采用最小二乘法去除速度信号的趋势项，并结合数字高通滤波去除低频信号，积分后得到动挠度信号，采用最小二乘法去除动挠度信号的趋势项，并结合数字高通滤波去除低频信号，得到理想的动挠度信号时程，并得到动挠度最大值yd max。
计算跨中静挠度实测值y实测静具体如下：结合有限元软件ANSYS建立模型得到的静挠度、基频理论值以及基于沿纵向布设的速度信号进行模态识别得到的基频实测值，根据静挠度校验系数公式，得到跨中静挠度实测值y实测静。
实施例：下面通过在上海市内环高架靠近中山北二路1116#～1117#桥跨进行现场试验，试验工况为一辆重28.87t的加载车以匀速40码的速度通过实验跨，进行城市高架桥梁快速监测与安全状态智能评估系统实例验证。
本次试验选取的桥跨1116#～1117#长为19.72m，横截面形式为空心板梁，故监测指标为跨中总挠度。利用ansys软件进行有限元建模，在跨中位置加相应的静荷载，得到跨中静挠度值，作为理论值，用于与基于速度信号得到的跨中静挠度的比对，并设置合理的阈值区间，进行结构安全状态智能评估。
如图6所示，沿纵桥向等间距布设3个无线速度传感器8，在车道3处放置数据采集仪及电脑，通过线缆将速度传感器与数据采集仪连接，用于速度信号的采集，采用数据采集仪进行速度信号的采集。
采用数据采集仪进行无线传感器的数据采集，由于封道时间较短，故本次试验只进行了从无线传感器数据到数据采集站的传输过程。
经过信号的预处理，然后进行空心板梁跨中总挠度指标的计算，具体过程如下：
1、跨中动挠度计算：采集跨中位置2号速度传感器数据，通过速度积分理论进行数值积分，得到理想的位移信号，如图7所示，得到最大值yd max＝0.1387mm。
2、计算跨中静挠度理论值y理论静：利用有限元软件ANSYS建立模型，进行动力特性计算与加载计算，得到结构基频与静挠度理论值分别为f理论＝4.2740Hz、y理论静＝2.5253mm；并对采集的1～3号无线速度传感器信号，利用频域分解法(FDD)进行结构模态识别，求得结构基频实测值f实测＝4.9415H；结合静挠度校验系数得到静挠度理论值y实测静＝1.8891mm。
3、计算桥梁跨中总挠度最大值y总max＝2.0278mm。
4、结构安全状态评估：通过设置阈值区间，根据《城市桥梁检测与评定技术规范》(CJJ/T 233-2015)5.4.1节中规定考虑长期作用影响计算的挠度值应按现行行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)中6.5.3节中由汽车荷载(不计冲击力)和人群荷载频遇组合在梁式桥主梁产生的最大挠度不应超过计算跨径的1/600。由《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)表5.1.1-8跨中挠度为3标度时跨中最大挠度不超过计算跨径的1/1000。综合考虑，y总max的阈值区间取为
L为桥跨的跨径，为19.712m，即的阈值区间取为(0，19.712mm)。故y总max＝2.0278mm在区间内，则结构状态安全，该结果符合该桥目前的技术状况等级及现场检测检查情况。
Claims (5)
1.一种城市高架桥梁可移动式快速监测与智能评估方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，根据桥梁类型的监测重点，选择传感器类型及布置方式；步骤2，传感器采集的数据存储于可移动数据采集站，对数据进行校正、记录整理后，可移动数据采集站通过4G或5G通讯技术传递至远程服务器；步骤3，远程服务器收到数据后，进行分类存储；步骤4，结构安全状态评估模块从远程服务器获取数据，并进行预处理；步骤5，对于大箱梁桥或小箱梁桥，计算实测中性轴位置h实测和理论中性轴位置h理论，并计算中性轴位置偏差率hh＝|h实测-h理论|×100％/h理论，如中性轴位置偏差率hh在0～10％的区间，则结构状态安全，如中性轴位置偏差率hh不在0～10％的区间，则结构状态偏不安全；步骤6，对于空心板梁桥或T梁桥，计算动挠度最大值ydmax，计算跨中静挠度实测值y实测静，计算跨中总挠度最大值y总max＝ydmax+y实测静，如跨中总挠度最大值y总max在0～桥跨的跨径/1000的区间内，则结构状态安全，如跨中总挠度最大值y总max不在0～桥跨的跨径/1000的区间内，则结构状态偏不安全，
所述的计算实测中性轴位置h实测具体如下：根据材料力学中的平截面假定，两横截面绕各自中性轴相对转过角度dθ，并保持为平面，ρ为弯曲梁单元的曲率半径，三个应变传感器平行贴于箱梁腹板，纵向应变为εi(yi，t)，i＝1，2，3，三个应变传感器距离截面顶端的距离分别为yi，i＝1，2，3，h实测为中性轴到截面顶端的距离，当t时刻，对于横截面中的任意一点，其纵向应变εi(yi，t)，i＝1，2，3与该点相距中性轴的距离成正比，横截面上的纵向应变为
曲率表达式为
三个应变传感器检测的中性轴位置分别为
根据
计算实测中性轴位置h实测；
所述的计算动挠度最大值ydmax具体如下：采用最小二乘法去除速度信号的趋势项，并结合数字高通滤波去除低频信号，积分后得到动挠度信号，采用最小二乘法去除动挠度信号的趋势项，并结合数字高通滤波去除低频信号，得到理想的动挠度信号时程，并得到动挠度最大值ydmax；
所述的计算跨中静挠度实测值y实测静具体如下：结合有限元软件ANSYS建立模型得到的静挠度、基频理论值以及基于沿纵向布设的速度信号进行模态识别得到的基频实测值，根据静挠度校验系数公式，得到跨中静挠度实测值y实测静。
2.根据权利要求1所述的一种城市高架桥梁可移动式快速监测与智能评估方法，其特征在于：所述的选择传感器类型及布置方式具体如下：如桥梁类型为大箱梁桥或小箱梁桥，应变传感器(1)对称布置在跨中截面腹板与底板上进行应变监测，温度传感器(2)布置在底板和腹板的应变传感器(1)旁；如桥梁类型为空心板梁桥或T梁桥，速度传感器沿纵桥向等间距布置3个进行结构模态和基频的识别，并沿跨中截面横桥向布置于每块空心板梁或T梁下，用于计算每块单梁的动挠度，应变传感器(1)布置在空心板梁或T梁跨中、1/4截面、3/4截面处的梁底处。
3.根据权利要求1所述的一种城市高架桥梁可移动式快速监测与智能评估方法，其特征在于：所述的可移动数据采集站(3)设置在跨中护栏处，可移动数据采集站(3)外设置有防抛网(4)，可移动数据采集站(3)采用螺栓固定在预制钢板(6)上，预制钢板(6)、传感器外均包覆有透明胶带，透明胶带与桥梁梁底(7)的平滑处之间采用AB胶水连接。
4.根据权利要求1所述的一种城市高架桥梁可移动式快速监测与智能评估方法，其特征在于：所述的预处理具体如下：如数据中存在丢包，则丢包时间段内的所有传感器数据全部忽略；如数据中存在单点异常数据，则采用拉伊达准则，将数据中大于μ+γσ的测量值看作异常数据，其中，μ为数据均值，σ为标准差，γ为系数；如数据中存在噪声，采用平均滤波器，设置窗宽与噪声拟合方式，达到降噪效果。
5.根据权利要求1所述的一种城市高架桥梁可移动式快速监测与智能评估方法，其特征在于：所述的理论中性轴位置h理论根据设计图纸，利用中性轴定义求得。
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