CN111948683A - 一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及斜拉桥线形检测领域，公开了一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法，包括以下步骤：在主梁上设置轨道，将小车设置在轨道之间；使小车运行并测量主梁的实测空间线形；同时测量斜拉桥包括主梁、主塔及斜拉索设定断面的温度，根据设定断面的温度计算得到实际温度下的空间线形增量；将实测空间线形减去实际温度下的空间线形增量得到设计基准温度下的实际空间线形；通过有限元模型计算得到主梁设计基准温度下的理论空间线形；根据设计基准温度下的实际空间线形与理论空间线形之间的差异，进行斜拉桥对应工况的结构状态评估。能够解决现有技术中线形数据处理复杂、不能应用于斜拉桥悬臂施工期、温度效应修正误差较大等问题。

Description

一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法

技术领域

本发明涉及斜拉桥线形检测领域，具体涉及一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法。

背景技术

(1)主梁线形表示方法

斜拉桥主梁的空间线形是结构力学状态评估的重要参数。在斜拉桥的施工期施工控制、成桥荷载试验、运营期检测等工作中，一般先采用有限元方法计算主梁线形、主塔偏位、斜拉索索力、结构应变等结构参数的理论值；再采用各种技术手段测量上述参数的实际值，将实际值与理论值进行对比，综合分析进行结构力学状态的评估。

斜拉桥主梁的空间线形包括竖曲线与平曲线。竖曲线是沿里程方向的高程线形，受结构自重、索力、车辆荷载、温度等作用影响，结构力学状态评估中的重要参数。平曲线是沿里程方向的平面线形，受日照、风的影响大；水平均布荷载作用下简支梁的横向挠度与跨径的四次方成正比，可见随着跨径的增大斜拉桥的侧向刚度迅速减小，过大的横向挠度影响桥梁行车安全性。斜拉桥由索、梁、塔等构件组成，在日照、环境温度、风、雨等外部条件作用下，结构构件内部呈现复杂的随时间变化的温度场，且不同材料的温度变化不同步，通常结构的实际温度不等于设计基准温度。

建立桥梁局部坐标系，x轴沿里程方向指向大里程，y沿横桥向，z为高程方向，组成右手坐标系，坐标原点根据需要设置。则主梁的空间线形从概念上可以表示为以下函数形式：

z(x)＝f(x,T,C) (1)

y(x)＝g(x,T,C) (2)

式中，T表示是结构综合温度指标，包括索、梁、塔等主要构件的温度，随日照、环境温度、风、雨等外部条件变化而变化；C表示结构状态评估的工况，不同工况下的结构体系、边界条件、荷载分布等因素不同，对应不同的理论计算模型。根据地区年平均气温统计值确定桥梁的设计基准温度，设计参数均根据T₀进行计算得到。

因此，为获得主梁在设计基准温度下的空间线形从而与理论计算值进行对比，需要解决线形测量和温度修正两方面的问题。

(2)主梁线形测量方法

由式(1)、(2)可知主梁线形是里程的连续函数，要求测量桥面的连续线形，工作量大；一般在特征断面布置若干测点，中间插值处理。现有针对主梁单点线形检测的方法较多，包括几何测量法、连通管法、GNSS-RTK方法、倾角法、图像法等等。

为弥补单点线形检测方法获取数据有限、结果不全面的不足，目前已有采用沿桥面移动测量仪器进行连续数据采集从而获得整体桥面线形的方法，从技术原理上包括倾角法、和绝对坐标法以及混合方法。倾角法采用倾角仪或者陀螺仪测量桥梁的沿程倾角曲线，积分得到主梁线形；积分容易导致线形发散，需要采用桥墩处的固定约束进行数据处理，适用于小跨径桥梁。发明专利CN108180882A中公开了一种桥梁挠度检测装置及检测方法以及实用新型专利CN206095207U中公开了一种基于车载的桥梁线形快速检测装置，综合采用陀螺仪和GNSS-RTK方式测量桥梁的线形，弥补了单独采用倾角法积分容易发散的不足。但由于需要融合处理倾角和坐标两种数据，数据处理过程复杂，不便应用于需要快速得到测量结果的场合；另外由于作为测量平台的汽车难以与主梁中轴线平行的路线行走，车载方式平曲线测量结果精度较低，也不能应用于斜拉桥悬臂施工等禁止汽车走行的区域；对于处在高速公路上的桥梁，汽车需要在高速出入口调头才能进行重复校核测量，校核测量时间间隔加大导致引入结构温度效应。

由于北斗卫星导航系统(BDS)的发展，在亚太地区上空可用导航卫星数量多，大幅改善GNSS-RTK的测量精度和稳健性；单纯采用GNSS-RTK进行全桥线形的连续测量的精度也能满足斜拉桥主梁线形测量的误差要求，而且数据处理更为简单，可快速获得测量结果。

(3)主梁线形的温度修正

发明专利CN109101745A中公开了一种斜拉桥跨中挠度随温度变化的估算方法，仅考虑了斜拉桥跨中单点挠度的温度效应修正。发明专利CN106202781A公开了一种桥梁挠度温度效应和长期挠度的分离方法，代表了一种类型的桥梁挠度温度效应修正方法，即基于挠度的实测数据，采用滤波处理算法，提取挠度信号中的长周期成分作为挠度的温度效应。该方法需要大量的监测数据进行趋势分析，因此只适用于离线处理，而不能用于实时修正。

结构参数的温度效应实施修正的方法是根据结构温度监测值计算得到温度变化ΔT时的结构参数响应增量，从而将结构参数监测值扣除温度效应响应增量，该方法的关键在于结构构件温度场的监测。

斜拉桥主塔及主梁体量大，为连续结构，一般沿高度或长度方向布置少量监测断面，即可满足结构整体温度效应评估的需求。而斜拉索在全桥分散布置，除竖琴式索面布置外，一座斜拉桥的斜拉索倾角都是渐变式布置，加上斜拉索规格型号各异，在日照作用下不同索面、同一索面的不同斜拉索的温度不同。与主塔及主梁的温度监测相比，斜拉索的温度监测目前仍没有很好的解决方案。

目前施工期监测大多采用试验索进行索温的监测，即在永久斜拉索制造时多下料一定长度，切割出约1.5m长的小段，抽取其中一定数量和位置的钢丝形成孔洞，在孔洞中安装温度传感器，称为试验索。将试验索摆放在实桥永久斜拉索附近并设置与永久斜拉索相同的倾角，从而以试验索的温度代替永久索温度。该方法是国内外斜拉桥施工期斜拉索温度监测的普遍方法，试验索需要专门支架形成倾角，现场搬运不便；出于成本考虑，一般只设置少量的试验索。因此试验索的温度代表性有限，根据少量试验索温度监测结果进行全桥温度效应计算在日照作用下温度变化较大时会引起较大的误差。

综上所述，目前斜拉桥主梁存在无法进行空间线形的连续测量及温度效应修正误差大的技术问题，导致斜拉桥主梁的空间线形误差较大，并且现有技术中线形数据处理复杂、倾角积分发散、不能应用于斜拉桥悬臂施工期。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种斜拉桥主梁空间线形的检测及温度效应修正方法，能够解决现有技术中线形数据处理复杂、倾角积分发散、不能应用于斜拉桥悬臂施工期、温度效应修正误差较大等问题，是面向斜拉桥状态评估的主梁线形测量及温度修正的整体解决方案，其中的温度效应修正方法也可应用于桥梁运营期健康监测数据实时处理。

为达到以上目的，本发明提供一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法，包括以下步骤：

在主梁的测量区域设置与中轴线平行的轨道，将设有GNSS接收机的小车设置在轨道之间；使小车运行并测量主梁的实测空间线形，包括平曲线y(x)与竖曲线z(x)；

同时测量斜拉桥包括主梁、主塔及斜拉索设定断面的温度；根据设定断面的温度通过有限元模型计算得到实际温度下的空间线形增量g₂和f₂；

将实测空间线形y(x)和z(x)减去实际温度下的空间线形增量g₂和f₂得到设计基准温度下的实际空间线形g₁和f₁；

通过有限元模型计算得到主梁设计基准温度下的理论空间线形g₀和f₀；

根据设计基准温度下的实际空间线形g₁和f₁与理论空间线形g₀、f₀之间的差异，进行斜拉桥对应工况的结构状态评估，从而进行斜拉桥对应工况的结构状态评估及修正或继续施工。

在上述方案的基础上，所述的小车在轨道之间运行并测量主梁的实测空间线形，具体包括以下步骤：

在斜拉桥附近安装实时动态RTK基准站，建立卫星导航系统坐标系到桥梁局部坐标系之间的转换关系；

使小车以设定速度从测量区间的轨道上行走，GNSS接收机持续采集数据并发送至后方平台；

将采集的坐标数据转换为桥梁局部坐标系下的坐标；

采用小波变换对桥梁局部坐标系坐标进行滤波，并插值得到指定里程点上的坐标，得到主梁的实测平曲线y(x)与竖曲线z(x)。

在上述方案的基础上，使小车以设定速度从测量区间的轨道上行走时，使所述轨道与主梁纵向中轴线平行，内部宽度大于的小车的车轮外部宽度，且在1mm以内。

在上述方案的基础上，在轨道起点与终点均安装限位器，在小车的两端安装折返开关和终止开关，并在小车上设置电机控制模块，使小车的折返开关和终止开关在触碰到限位器后触发，自动折返和终止。

在上述方案的基础上，同时测量斜拉桥包括主梁、主塔及斜拉索设定断面的温度，根据设定断面的温度通过有限元模型计算得到实际温度下的空间线形增量g₂、f₂，具体包括：

在斜拉桥主梁、主塔、斜拉索上选取监测断面并安装断面内的温度传感器测点，对温度监测数据进行采集并将数据发送至后方平台；

根据公式T_ε＝∑_iT_ik_i，T_k＝∑_iT_in_i，求解主梁、主塔、斜拉索的等效温度，所述等效温度包括等效均匀温度T_ε和等效梯度温度T_k：

其中：

A_i为第i个测点实测温度T_i所代表的区域面积，i为正整数，T_i为第i个测点的实测温度，I_c为断面抗弯惯性矩，k_i为等效均匀温度的权系数，n_i为等效梯度温度权系数；

将斜拉桥的斜拉索、主梁、主塔的等效温度代入有限元模型中，计算得到相对于设计基准温度T₀的主梁线形增量g₂、f₂。

在上述方案的基础上，所述的在斜拉索上选取监测断面并安装断面内的温度传感器测点，对温度监测数据进行采集，具体包括：

在斜拉索的PE护套外表面新增保温层，使保温层与斜拉索的PE护套密贴，在保温层内侧沿圆周安装预设个数的温度传感器，将温度传感器通过信号线缆与数据采集与传输模块连接，使数据发送至后方平台。

在上述方案的基础上，保温层材料采用与对应斜拉索PE护套热物理属性一致的HDPE材料，并与斜拉索PE护套材质、厚度、颜色等均一致。

在上述方案的基础上，采用均匀间隔的布置方式布置温度传感器。

在上述方案的基础上，采用插值方法将未监测的斜拉索温度用被监测斜拉索的温度求得，从而得到全桥所有斜拉索的实时温度监测结果，作为有限元模型计算实际温度下的空间线形增量g₂和f₂的参数。

在上述方案的基础上，所述的根据设计基准温度下的实际空间线形g₁和f₁与理论空间线形g₀和f₀之间的差异，进行斜拉桥对应工况的结构状态评估及修正或继续施工，具体包括：

判断设计基准温度下的实际空间线形g₁和f₁与理论空间线形g₀和f₀之间的差异之间的差异是否大于规范误差；

若是，对悬臂主梁的空间线形进行调整或在下一桥梁节段施工时调整悬臂主梁的空间线形；

若否，继续在当前悬臂主梁的空间线形下施工下一桥梁节段。

与现有技术相比，本发明的优点在于：该方法采用通过轨道与可远程控制小车配合，实现系统的自运行，测量过程无需人的干预，提高了测量效率；采用外加保温层的方式对斜拉索温度的监测，可对斜拉桥任意工况下的温度效应进行精确计算，消除温度对实测空间线形的影响，提高了线形测量精度。另外，设置固定轨道，消除了移动测点运行轨迹造成的测量误差；所采用的斜拉索温度监测方法成本低，安装方便，可大量应用。可对实测主梁线形进行精确的温度效应修正，从而提高了线形测量精度。测量工作无须在凌晨进行，改善了测量人员工作条件。

附图说明

图1为本发明实施例中斜拉桥桥面空间线形GNSS-RTK移动测量方法示意图；

图2为本发明实施例中GNSS接收机在轨道中运行纵向示意图；

图3为本发明实施例中GNSS接收机在轨道中运行横向示意图；

图4为本发明实施例中斜拉桥斜拉索、主梁、主塔温度监测断面布置示意图；

图5为本发明实施例中主塔断面温度测点布置示意图；

图6为本发明实施例中主梁断面温度测点布置示意图；

图7为本发明实施例中斜拉索温度保温层监测装置示意图。

图中：1、轨道；2、限位结构；3、移动小车；4、GNSS一体化接收机；5、远程控制模块；6、折返开关；7、终止开关；

11、温度传感器；12、数据采集与传输模块；13、信号线缆；21、斜拉索；22、PE护套；23、保温层；24、紧固件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

本发明提供一种斜拉桥主梁空间线形的检测及温度修正方法，包括以下步骤：

S1：在主梁的测量区域设置与中轴线平行的轨道，将设有GNSS接收机的小车设置在轨道之间；使小车运行并测量主梁的实测空间线形，包括平曲线y(x)与竖曲线z(x)。

优选地，小车在轨道之间运行并测量主梁的实测空间线形，具体包括以下步骤：

在斜拉桥附近安装实时动态RTK基准站，建立卫星导航系统坐标系到桥梁局部坐标系之间的转换关系；

使小车以设定速度从测量区间的轨道上行走，GNSS接收机持续采集数据并发送至后方平台；

将采集的坐标数据转换为桥梁局部坐标系下的坐标；

采用小波变换对桥梁局部坐标系坐标进行滤波，并插值得到指定里程点上的坐标，得到主梁的实测平曲线y(x)与竖曲线z(x)。

具体地，如图1所示，在斜拉桥附近空旷处安装实时动态RTK基准站，基准站尽量安装在高处，与主梁之间没有遮挡，周围无杂草、树林及其他不利因素。采用GNSS静态测量方法求解坐标转换参数，将GNSS-RTK测量的WGS84坐标系坐标转换为桥梁局部坐标系坐标。

优选地，使小车以设定速度从测量区间的轨道上行走时，使所述轨道与主梁纵向中轴线平行，内部宽度大于的小车的车轮外部宽度，且在1mm以内。

具体地，如图2所示，在斜拉桥主梁测试区域安装轨道，对于施工期桥梁可以将轨道安装在桥面上，对于运营期桥梁可以将轨道安装在中间护栏顶面。轨道与主梁纵向中轴线平行，轨道内侧宽度大于小车车轮外侧宽度约1mm，确保小车运行轨迹与主梁纵向中轴线平行。

优选地，在轨道起点与终点均安装限位器，在小车的两端安装折返开关和终止开关，并在小车上设置电机控制模块，使小车的折返开关和终止开关在触碰到限位器后触发，自动折返和终止。

在本实施例中，轨道起点与终点均安装限位器，限位器为移动测点小车提供缓冲、触发折返开关和终止开关的作用。

如图3所示，GNSS-RTK移动测点包括移动小车3、GNSS一体化接收机4、远程控制模块5、折返开关6和终止开关7等装置。远程控制模块5接收后台指令对移动小车3进行行驶速度设定，使小车在在轨道1的限位结构2内开始或停止行驶等操作。GNSS一体化接收机4自带无线模块，可以将测量数据实时发送至后方平台。

将GNSS-RTK移动测点放置轨道起点，开机自动连接基准站、搜索卫星，准备就绪后进入测量模式。后方平台设置小车行驶速度，发出开始行驶指令，小车按照设置的速度沿轨道行驶。到达终点时小车撞击限位器，限位器弹簧吸收小车动能并转换为弹簧的弹性势能，弹簧被压缩后触发小车上的折返开关；小车在弹簧回弹力作用下开始反向行驶。返回起点时小车撞击限位器，限位器弹簧吸收小车动能并转换为弹簧的弹性势能，弹簧被压缩后触发小车上的停止开关；小车在弹簧回弹力缓冲下停在起点附近。小车行驶过程中GNSS一体化接收机4以设定的采样频率采集数据并回传给后方平台，在小车停止运行后，本测次测量完毕。

后方平台对采集数据进行处理。首先采用小波变换进行滤波，消除多路径噪声，使线形平滑；再将经滤波后的坐标序列插值到钢箱梁横隔板的里程点上；最后取往返两次测量结果的差值，差值小于设定阈值时本测次测量结果有效；否则应重新测量。

主梁线形测量结果为竖曲线线形z(x)和平曲线线形y(x)，该结果包含温度效应，需要进行温度修正。

S2：同时测量斜拉桥包括主梁、主塔及斜拉索设定断面的温度；根据设定断面的温度通过有限元模型计算得到实际温度下的空间线形增量g₂和f₂。g₂和f₂分别为平和竖两个方向的空间线形增量。

优选地，具体包括，S21：在斜拉桥主梁、主塔、斜拉索上选取监测断面并安装断面内的温度传感器测点，对温度监测数据进行采集并将数据发送至后方平台；

S22：根据公式T_ε＝∑_iT_ik_i，T_κ＝∑_iT_in_i，求解主梁、主塔、斜拉索的等效温度，所述等效温度包括等效均匀温度T_ε和等效梯度温度T_k，

其中：

A_i为第i个测点实测温度T_i所代表的区域面积，代表的区域面积指的是该温度测点在整个温度监测断面中所代表的区域面积，在一个温度监测断面离散分布着若干温度测点，每一个测点都可以相应的代表它周围的温度，这个面积取决于测点布置的数量，同一个温度监测断面，如果温度测点布置得很多，则A_i可以取很小的面积，结果会更加细腻，如果温度测点布置得很少，则A_i会取大一点，结果会偏粗糙；i为正整数，T_i为第i个测点的实测温度，I_c为温度测点的布置断面抗弯惯性矩，k_i为等效均匀温度的权系数，n_i为等效梯度温度权系数。

其原理如下：结构的等效温度包括等效均匀温度和等效梯度温度根据

和

求得，T为截面内任一点的温度，A为截面面积，y、I_c分别为相对于结构形心轴的距离、抗弯惯性矩。

本实施例中，实际温度监测断面内测点为离散布置，如图5、6、7所示，即根据截面内温度场连续分布的特点，以少量的测点反应截面温度分布情况，即可得到公式T_ε＝∑_iT_ik_i，T_k＝∑_iT_in_i。

在本实施例中，令截面温度处处相等、即为常数，可知权系数系数应满足∑_ik_i＝1；∑_in_i＝0作为权系数的校核条件。

其中主梁、主塔包括等效均匀温度和等效梯度温度，斜拉索仅包括等效均匀温度。由于温度均为自动化监测，故可得到任意时段结构的等效温度。

主梁、主塔的温度监测及等效温度的求解均较为常见。斜拉索为线状构件，截面尺寸很小，在有限元计算时仅考虑等效均匀温度；在温度监测截面测点均匀布置时采用全部测点的平均值作为等效均匀温度。

优选地，在斜拉索上选取监测断面并安装断面内的温度传感器测点，对温度监测数据进行采集，具体包括：

在斜拉索的PE护套外表面新增保温层，使保温层与斜拉索的PE护套密贴，在保温层内侧沿圆周安装预设个数的温度传感器，将温度传感器通过信号线缆与数据采集与传输模块连接，使数据发送至后方平台。

优选地，保温层材料采用与对应斜拉索PE护套热物理属性一致的HDPE材料，并与斜拉索PE护套材质、厚度、颜色等均一致。

优选地，采用均匀间隔的布置方式布置温度传感器。

优选地，采用插值方法将未监测的斜拉索温度用被监测斜拉索的温度求得，从而得到全桥所有斜拉索的实时温度监测结果，作为有限元模型计算实际温度下的空间线形增量g₂和f₂的参数。

具体地，如图4所示，在斜拉桥主梁、主塔、斜拉索上选取监测断面并安装断面内的温度传感器测点，对温度监测数据进行采集并将数据发送至后方平台。单个主塔悬臂结构体系中主梁选择主跨监测断面sg_1与边跨各监测断面sg_2；主塔选择下塔柱st_1、中塔柱st_2及上塔柱st_3共3个监测断面；斜拉索按照每3根索布置1根索温度断面，图中给出主跨斜拉索监测断面sc_1和边跨斜拉索监测断面sc_2两个监测断面作为示意。

主梁与主塔的监测断面内测点布置原则是使等效温度求解公式中的等效均匀温度和等效梯度温度积分数值最大，即兼顾结构外部温度梯度大的区域以及结构内部温度梯度小但面积较大的区域。主塔断面温度测点布置示意图见图5所示，主梁断面温度测点布置示意图见图6所示。

参见图7所示。首先选取合适的温度传感器11进行编号备用。要求长度及直径尺寸小、高温量程大于150℃、低温满足当地极端环境温度及其他使用条件。根据监测对象斜拉索14的规格型号确定其PE护套22的厚度、材质、颜色等参数，选取保温层23材料。将保温层23加热使其软化。由于HDPE的熔点约135℃，注意控制加热温度避免保温层23点燃。将温度传感器11等间距安装在保温层23的内壁，并整理信号线缆13。保持保温层23软化状态，将保温层23安装在斜拉索14监测断面处PE护套22上，使用紧固件24将保温层23固定在PE护套22上，并保持保温层23与PE护套22之间密贴。将信号线缆13连接在数据采集与传输模块12上，确认温度传感器11正常后开始温度数据的采集，将数据发送至后方平台。

斜拉索温度监测方法的理论基础如下：

平行钢丝斜拉索横断面由内部钢丝及外部PE护套组成，内部钢丝为受力结构；而PE护套为防护结构，保护内部钢丝免于机械损伤和环境水汽等导致的腐蚀。内部钢丝在制造过程中施加2～4°的扭转角，因此成品索体内钢丝之间紧密接触。外部PE护套采用双层高密度聚乙烯材料(HDPE)，通过加热挤压成型，紧密包裹在钢丝周围。《大跨度斜拉桥平行钢丝斜拉索》(JTT 775-2010)中最小规格的斜拉索型号为LPES7-109，外径为100mm，双层PE护套总厚度为9mm；最大规格的斜拉索型号为LPES7-649，外径为229mm，双层PE护套总厚度为17mm。

从桥梁结构分析角度而言，斜拉索的温度是指内部钢丝的温度。常温下，HDPE的导热系数约0.49w/(m·℃)，钢丝的导热系数约50w/(m·℃)，可见外部PE护套的导热系数约为内部钢丝的1/100。由热传导的基本公式(1)可知，考虑上述实际斜拉索PE护套厚度时，PE护套的导热能力仍远小于内部钢丝，因此PE护套也是内部钢丝的保温层。

式中，dQ为传导热量，λ为导热系数，dT/dx为温度梯度，dA为导热构件截面积。

对于斜拉索截面而言，PE护套受到太阳辐射、风、雨等作用而与外界产生热量交换，PE护套外表面的温度是一个时变量。通过PE护套这一个保温层，经过热传导与内部钢丝交换热量；包括PE护套和钢丝在内的斜拉索截面温度场服从二维热传导微分方程，见式(2)所示。

式中，T为截面温度场，t为时间，a为导温系数。

由式(2)可知，PE护套表面温度一般情况下不能代表内部钢丝的温度；斜拉索截面温度场T求解的关键边界条件是PE护套的表面温度。传统测温索方法是直接测得内部钢丝的温度。

本发明采用在已有斜拉索PE护套温度测试断面外面表局部区段增加一层新的保温层，该保温层的热物理属性与已有的PE护套保持一致。令在新的保温层与已有PE护套表面接触处的温度为T₁，已有PE护套与内部钢丝接触面处的温度为T₂；由于新增保温层改变了斜拉索截面的总体构造，理论上在温度测试断面处T₁不等于T₂。

但由于斜拉索总体为线状构件，长度方向尺寸远远大于横截面尺寸，而且内部钢丝的导热能力远大于PE护套。对《大跨度斜拉桥平行钢丝斜拉索》(JTT 775-2010)中所有斜拉索规格统计发现，斜拉索截面中钢丝的面积与PE护套面积的比值在8.24～13.75之间，由于钢丝的导热系数约为PE护套的100倍，由式(5)可知在长度方向导热能力上，钢丝是PE护套的824～1375倍，从斜拉索长度方向而言，可以忽略PE护套的热传导效应，主要是钢丝进行热量的传递。而钢丝的导热系数较大，在新增保温层长度较小时，新增保温层之外的钢丝通过热传导与新增保温层处温度测试断面的钢丝温度保持一致。因此在工程应用精度要求下可以认为T₁等于T₂。

从上述理论分析可以看出，传统方法将有限长测温索截面中钢丝的温度代表正常斜拉索内部钢丝的温度，测温索必须具有一定的长度，同时将测温索端部进行隔热处理，从而尽量减小端部钢丝与外界热量交换对温度测试断面的影响。测温索方法是通过PE护套导热并阻断测温索端部钢丝的导热从而测量内部钢丝的温度，本发明方法则是利用新增保温层导热并通过斜拉索纵向钢丝之间的导热、测量新增保温层内温度进而间接得到内部钢丝的温度。

2)斜拉索温度的外加保温层监测方法

在斜拉索索体新增保温层，保温层内侧沿圆周安装若干温度传感器，将保温层固定在斜拉索PE护套外表面，确保保温层与斜拉索PE护套密贴。温度传感器由信号线缆引出，与数据采集与传输模块连接，即可实现对斜拉索内部钢丝的温度监测。

保温层材料采用与对应斜拉索PE护套热物理属性一致的材料，例如选取与斜拉索PE护套材质、厚度、颜色等均一致的HDPE材料。

保温层横截面为圆环形，其内径等于已有斜拉索PE护套的外径。

保温层长度为温度传感器长度加上2倍的边界长度，边界长度根据斜拉索PE护套厚度及安装工艺等因素考虑。

3)以斜拉桥结构温度效应修正为目的的斜拉索温度监测

采用上述外加保温层的监测方法，可以方便地监测任何一根斜拉索的温度。由于一座斜拉桥的斜拉索倾角为渐变式布置，斜拉索规格总体上也是渐变式布置，邻近斜拉索之间的温度具有较强的相关性；根据这一特点，采用均匀间隔的布置方式可大幅减少监测点数量，同时保证了监测结果的代表性。采用均匀间隔的布置方式时，可采用插值方法将未监测的斜拉索温度用被监测斜拉索的温度求得，从而得到全桥所有斜拉索的实时温度监测结果，作为结构温度效应计算的输入参数。

S23：将斜拉桥的斜拉索、主梁、主塔的等效温度代入有限元模型中，计算得到相对于设计基准温度T₀的主梁线形增量g₂、f₂。

具体地，建立桥梁结构整体有限元模型。设置参考温度为设计基准温度T₀，进行主梁线形测量工况的计算，得到设计基准温度T₀下的主梁线形理论值，即理论竖曲线f₀和理论平曲线g₀。

将主梁线形测量时段的主梁、主塔、斜拉索等效温度代入上述有限元模型，计算得到结构等效温度分布下的主梁线形，将该主梁线形减去f₀、g₀，即得到相对于设计基准温度T₀的线形增量，即式f₁＝z(x)-f₂、g₁＝y(x)-g₂中的f₂、g₂。式中，z(x)为经滤波处理的竖曲线实测值，y(x)为经滤波处理的平曲线实测值；f₂为实测温度相对于基准温度的竖曲线线形增量计算值，g₂为实测温度相对于基准温度的平曲线线形增量计算值；f₁为经温度效应修正后的主梁竖曲线线形，g₁为经温度效应修正后的主梁平曲线线形。采用本发明的移动GNSS-RTK测量方法，能够快速完成线形测量，由于测量时间很短，该时段范围内结构的温度变化很小，可任选取测量时段某时刻的温度进行计算；例如对于主跨1000m的斜拉桥，小车运行速度为5m/s，则往返测量时间约400s，该时段范围结构温度变化很小。对于运营期健康监测系统中的固定点而言，由于结构温度及位移均为实时连续采集，采用本发明方法可以实时修正固定测点位移的温度效应，与对位移监测信号进行离线趋势分析、滤波得到温度效应的做法相比，本发明具有实时性这一优势。

将实测竖曲线线形z(x)、平曲线线形y(x)、温度作用线形增量f₂、g₂代入式f₁＝z(x)-f₂、g₁＝y(x)-g₂中，即可求得经温度修正后的主梁竖曲线线形f₁、主梁平曲线线形g₁。f₁-f₀反映了竖曲线误差，g₁-g₀反映了平曲线误差，以此为基础开展结构状态评估等后续工作。

S3：将实测空间线形y(x)和z(x)减去实际温度下的空间线形增量g₂和f₂得到设计基准温度下的实际空间线形g₁和f₁；

S4：通过有限元模型计算得到主梁设计基准温度下的理论空间线形g₀和f₀；g₀和f₀分别为平竖两个方向的理论空间线形。

S5：根据设计基准温度下的实际空间线形g₁和f₁与理论空间线形g₀和f₀之间的差异，进行斜拉桥对应工况的结构状态评估，从而进行斜拉桥对应工况的结构状态评估及修正或继续施工。

所述的根据设计基准温度下的实际空间线形g₁、f₁与理论空间线形g₀、f₀之间的差异，进行斜拉桥对应工况的结构状态评估及修正或继续施工，具体包括：

判断设计基准温度下的实测空间线形g₁和f₁与理论空间线形g₀、f₀之间的差异之间的差异是否大于规范误差；

若是，对悬臂主梁的空间线形进行调整或在下一桥梁节段施工时调整悬臂主梁的空间线形；

若否，继续在当前悬臂主梁的空间线形下施工下一桥梁节段。

综上所述，在使用该斜拉桥主梁空间线形的检测及温度修正方法时，首先在主梁的桥面测量区间上设置与主梁中轴线平行的轨道，将设有全球导航卫星系统GNSS接收机的小车设置在轨道上，使小车在轨道上运行并测量主梁的实际空间线形，其包括主梁的平曲线与竖曲线；同时测量斜拉桥主梁、主塔及斜拉索设定断面的温度，通过有限元模型计算得到主梁在设计基准温度下的理论空间线形；再根据所述设定断面的温度计算得到实际温度下的空间线形增量，将实际空间线形减去实际温度下的空间线形增量，得到修正到设计基准温度下的实测线形；设计基准温度下的实测空间线形与理论空间线形对比作为结构状态评估的依据。该方法采用轨道与测量小车之间的配合实现连续线形测量的自运行，提高了测量效率；采用外加保温层的方式对斜拉索温度的监测，可对斜拉桥任意工况下的温度效应进行精确计算，消除温度对实测空间线形的影响，提高了线形测量精度。

本发明能够解决现有技术中线形数据处理复杂、倾角积分发散、不能应用于斜拉桥悬臂施工期、温度效应修正误差较大等问题，是面向斜拉桥状态评估的主梁线形测量及温度修正的整体解决方案，其中的温度效应修正方法也可应用于桥梁运营期健康监测位移数据的实时处理中。

本发明不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。

Claims (10)

1.一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

在主梁的测量区域设置与中轴线平行的轨道，将设有GNSS接收机的小车设置在轨道之间；使小车运行并测量主梁的实测空间线形，包括平曲线y(x)与竖曲线z(x)；

同时测量斜拉桥包括主梁、主塔及斜拉索设定断面的温度；根据设定断面的温度通过有限元模型计算得到实际温度下的空间线形增量g₂和f₂；

将实测空间线形y(x)和z(x)减去实际温度下的空间线形增量g₂和f₂得到设计基准温度下的实际空间线形g₁和f₁；

通过有限元模型计算得到主梁设计基准温度下的理论空间线形g₀和f₀；

根据设计基准温度下的实际空间线形g₁和f₁与理论空间线形g₀和f₀之间的差异，进行斜拉桥对应工况的结构状态评估，从而进行斜拉桥对应工况的结构状态评估及修正或继续施工。

2.如权利要求1所述的一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法，其特征在于，所述的小车在轨道之间运行并测量主梁的实测空间线形，具体包括以下步骤：

在斜拉桥附近安装实时动态RTK基准站，建立卫星导航系统坐标系到桥梁局部坐标系之间的转换关系；

使小车以设定速度从测量区间的轨道上行走，GNSS接收机持续采集数据并发送至后方平台；

将采集的坐标数据转换为桥梁局部坐标系下的坐标；

采用小波变换对桥梁局部坐标系坐标进行滤波，并插值得到指定里程点上的坐标，得到主梁的实测平曲线y(x)与竖曲线z(x)。

3.如权利要求2所述的一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法，其特征在于，使小车以设定速度从测量区间的轨道上行走时，使所述轨道与主梁纵向中轴线平行，内部宽度大于的小车的车轮外部宽度，且在1mm以内。

4.如权利要求2所述的一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法，其特征在于，在轨道起点与终点均安装限位器，在小车的两端安装折返开关和终止开关，并在小车上设置电机控制模块，使小车的折返开关和终止开关在触碰到限位器后触发，自动折返和终止。

5.如权利要求1所述的一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法，其特征在于，同时测量斜拉桥包括主梁、主塔及斜拉索设定断面的温度，根据设定断面的温度通过有限元模型计算得到实际温度下的空间线形增量g₂和f₂，具体包括：

在斜拉桥主梁、主塔、斜拉索上选取监测断面并安装断面内的温度传感器测点，对温度监测数据进行采集并将数据发送至后方平台；

根据公式T_ε＝∑_iT_ik_i，T_k＝∑_iT_in_i，求解主梁、主塔、斜拉索的等效温度，所述等效温度包括等效均匀温度T_ε和等效梯度温度T_k：

其中：

A_i为第i个测点实测温度T_i在整个温度监测断面中所代表的区域面积，i为正整数，T_i为第i个测点的实测温度，I_c为温度测点的布置断面抗弯惯性矩，k_i为等效均匀温度的权系数，n_i为等效梯度温度权系数；

将斜拉桥的斜拉索、主梁、主塔的等效温度代入有限元模型中，计算得到相对于设计基准温度T₀的空间线形增量g₂和f₂。

6.如权利要求5所述的一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法，其特征在于，所述的在斜拉索上选取监测断面并安装断面内的温度传感器测点，对温度监测数据进行采集，具体包括：

在斜拉索的PE护套外表面新增保温层，使保温层与斜拉索的PE护套密贴，在保温层内侧沿圆周安装预设个数的温度传感器，将温度传感器通过信号线缆与数据采集与传输模块连接，使数据发送至后方平台。

7.如权利要求6所述的一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法，其特征在于，保温层材料采用与对应斜拉索PE护套热物理属性一致的HDPE材料，并与斜拉索PE护套材质、厚度和颜色均一致。

8.如权利要求6所述的一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法，其特征在于，采用均匀间隔的布置方式布置温度传感器。

9.如权利要求5所述的一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法，其特征在于，采用插值方法将未监测的斜拉索温度用被监测斜拉索的温度求得，从而得到全桥所有斜拉索的实时温度监测结果，作为有限元模型计算实际温度下的空间线形增量g₂和f₂的参数。

10.如权利要求1所述的一种斜拉桥主梁空间线形的检测修正方法，其特征在于，所述的根据设计基准温度下的实际空间线形g₁和f₁与理论空间线形g₀和f₀之间的差异，进行斜拉桥对应工况的结构状态评估及修正或继续施工，具体包括：

判断设计基准温度下的实测空间线形g₁和f₁与理论空间线形g₀和f₀之间的差异之间的差异是否大于规范误差；

若是，对悬臂主梁的空间线形进行调整或在下一桥梁节段施工时调整悬臂主梁的空间线形；

若否，继续在当前悬臂主梁的空间线形下施工下一桥梁节段。

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