CN112964438A - 一种桥梁动挠度在线监测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种桥梁动挠度在线监测方法与系统，该系统包括数字成像装置、红外补光装置、成像目标板、反光装置和数据处理装置，红外补光装置发出红外光经反光装置反射后在成像目标板上形成红外光斑，数字成像装置采集成像目标板的数字图像，并传输到数据处理装置进行处理，得出每张图像采集时刻的各个反光板的实时纵向位移信息，对多个监测断面的实时纵向位移信息进行拟合后，即可得到该时刻的桥梁挠曲线。本发明采用光学成像与光线反射放大原理，不仅可以实现桥梁静态挠度监测，显著提高监测精度，还可以实现对桥梁动挠度的实时监测，动态获取桥梁在不同荷载作用下全跨不同位置的挠度，有效把控桥梁安全状态，避免桥梁超负载损伤。

Description

一种桥梁动挠度在线监测方法与系统

技术领域

本发明属于桥梁动挠度监测领域，具体涉及一种桥梁动挠度在线监测方法与系统。

背景技术

桥梁的挠度，尤其是不同荷载通行下的动挠度，是评估桥梁安全状态的关键指标。因此，为了确保对桥梁结构服役性能的实时把握，有必要对桥梁挠度进行长期监测和定期检测。

对于大跨径桥梁挠度变化的测量，传统的人工方法耗时长，需要封闭交通，作业风险高，而激光挠度计成本高，难以大面积推广。同时，这两种方法都难以实现动挠度的实时测量。为了准确实时测量桥梁在不同行车荷载下的动挠度，需要采用一种桥梁动挠度在线监测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种桥梁动挠度在线监测方法与系统，能够准确实时测量桥梁在不同行车荷载下的动挠度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供的桥梁动挠度在线监测系统，包括光电成像系统、反光装置以及数据处理装置，所述光电成像系统包括数字成像装置、红外补光装置和成像目标板；所述反光装置包括若干反光板和可旋转的反光板固定件，反光板通过反光板固定件悬挂于待测桥梁各个挠度监测断面下方；所述红外补光装置安装在桥梁与桥墩内侧的连接处，安装高度高于全部桥梁挠度监测断面的反光板上边缘，所述红外补光装置照射范围覆盖全部反光板，且各个反光板之间在桥梁量程内任意挠度下无相互遮挡；所述成像目标板竖直安装在红外补光装置同一侧的桥墩内侧，用于接收全部反光板反射的红外光斑；所述数字成像装置和数据处理装置安装在成像目标板对侧的桥墩内测，数字成像装置与数据处理装置之间设有数字链路，数字成像装置用于拍摄带有全部反光板反射的红外光斑的成像目标板图像并传输至数据处理装置，数据处理装置用于计算每个红外光斑的相对偏移尺寸，并根据相对偏移尺寸计算桥梁的挠度测量值。

所述桥梁挠度监测断面的反光板设置规则为：全部桥梁挠度监测断面下悬挂的所有反光板高度一致；桥梁跨度方向至少在L/4、L/2、L3/4这三个桥梁挠度监测断面下安装反光板，L为桥梁跨度；桥梁宽度方向不同桥梁挠度监测断面下的反光板相互错开，宽度方向各个反光板间距不小于2b，不大于4b，b为反光板宽度。

所述反光板固定件从上到下依次分为第一节段、第二节段和第三节段，第一节段的顶部固定连接到桥梁挠度监测断面底部的监测点，第一节段与第二节段之间为360度旋转连接，同时该旋转连接处设有锁止机构；第二节段与第三节段之间为±30度以内的旋转阻尼连接，旋转面为桥梁跨度高度所在平面；第三节段面向两个桥墩的两侧分别设有反光板。

所述第三节段的重心位于距离第三节段底部不超过第三节段高度的1/5处。

所述第二、三节段高度为5~30cm；

所述反光板为正方形的宽度为5~15cm的平面反光镜。

所述红外补光装置为点光源。

所述成像目标板为黑色哑光表面。

本发明提供的桥梁动挠度在线监测方法，包括以下步骤：

1）在待监测桥梁上安装桥梁动挠度在线监测系统，在L/4、L/2、L3/4这三个待测点安装反光板，L为桥梁跨度；

2）在待监测桥梁未加载前先对每个待测点进行测量，红外补光装置发出红外光照射到反光板上，经反光板反射后在成像目标板上形成红外光斑，数字成像装置采集成像目标板的数字图像，并传输到数据处理装置进行处理，得到红外光斑在成像目标板上的初始位置坐标(x0,y0)；

3）在桥梁加载后再次对待测点进行测量，得到红外光斑的实时位置坐标(x1,y1)，则待测点两次测量的红外光斑位置沿x方向和y方向的距离之差分别为Δx=x1－x0和Δy=y1－y0，由此得到待测点的不含桥梁的徐变自重挠度；

4）对于某一时刻测量得到的多个待测点的挠度，以及两端的两个支点处挠度为0，经过样条插值后，拟合出桥梁在该时刻的挠曲线，从而得出桥梁动挠度在线监测结果。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的桥梁动挠度在线监测系统，采用基于光学反射原理的近景摄影测量技术，可以实现桥梁动挠度的高精度实时测量，能够准确实时测量桥梁在不同行车荷载下的动挠度。

本发明提供的桥梁动挠度在线监测方法，采用光学成像与光线反射放大原理，不仅可以实现桥梁静态挠度监测，显著提高监测精度，还可以实现对桥梁动挠度的实时监测，动态获取桥梁在不同荷载作用下全跨不同位置的挠度，有效把控桥梁安全状态，避免桥梁超负载损伤，本发明同时有效降低挠度测量系统的部署与维护成本。

附图说明

图1是本发明挠度监测装置布置图；

图2为桥梁宽度方向反光板布置图；

其中：1为红外补光装置，2为成像目标板，3为反光装置，4为数字成像装置，5为数据处理装置，6为桥梁，7为桥墩。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明，以下实例仅用于描述本发明而不用于限制本发明的使用范围，各领域工程技术人员对本发明的各种等价变换均包含在本发明所要求的权力范围内。

如图1所示，本发明提供一种桥梁动挠度在线监测系统，包括光电成像系统、反光装置3以及数据处理装置5。

对于每一跨桥梁6，其中光电成像系统包括1套数字成像装置4、1套红外补光装置1和1套成像目标板2，其中数字成像装置4安装于一侧桥墩7的内测，红外补光装置1和成像目标板2安装于另一侧桥墩7的内测。反光装置3为1套反光板，悬挂于待测桥梁各个监测断面。

数字成像装置4与数据处理装置5之间建立数字链路。监测任务启动后，红外补光装置1发出红外光照射到各个反光板上，经反光板反射后在成像目标板2上形成红外光斑，数字成像装置4按照5-30帧每秒的帧率采集成像目标板2的数字图像，并传输到数据处理装置5进行处理，得出每张图像采集时刻的各个反光板的实时纵向位移信息。对多个监测断面的实时纵向位移信息进行拟合后，即可得到该时刻的桥梁挠曲线。

各个监测断面反光板的布设规则为：假设该跨桥梁高度为H，跨度为L，宽度为W。全部监测断面反光板悬吊于桥梁底部，高度要一致，最大高度差不超过10cm；桥梁跨度方向分布根据监测要求部署，最少需要在L/4、L/2、L3/4三个位置安装反光板；桥梁宽度方向要相互错开，如果反光板宽度为b，则宽度方向各个反光板间距不小于2b，不大于4b。

反光板固定件为3个节段结构形式，最上部第一节段的顶部通过膨胀螺栓连接到桥梁底部监测点，第一节段下部与第二节段为旋转连接，第二节段在一、二节段连接平面上可以相对第一节段做360度旋转，同时该旋转连接处有锁止机构，可以保证锁止后第一节段与第二节段之间不再产生相对移动。第二节段与第三节段之间是旋转阻尼连接，旋转面为桥梁跨度高度所在平面，第三节段可以相对第一节段做±30度旋转。第三节段重心位于该节段的下部，距离底部不超过该节段高度的1/5处；第三节段面向两个桥墩的两侧分别设有正方形平面反光镜，用于反射红外补光装置照射来的光源。第二、三节段高度为5~30cm，反光镜宽度为5~15cm。

红外补光装置1安装于桥梁6与桥墩7的连接处，安装高度需高于桥梁全部挠度监测断面的反光板上边缘，红外补光装置为点光源，照射范围覆盖全部反光板，且各个反光板之间在桥梁量程内任意挠度下无相互遮挡。

成像目标板2安装于红外补光装置1同一侧的桥墩内侧，成像目标板2位于红外补光装置1下方，为黑色哑光表面，用于接收反光板反射的光斑，该成像目标板竖直安装，且成像目标板范围覆盖桥梁各挠度下的全部反光板反射光斑。

数字成像装置4安装于成像目标板2对侧的桥墩内测，视野覆盖成像目标板范围且避开红外补光装置，并调整焦距保证成像目标板的最大图像分辨率；数字成像装置拍摄成像目标板图像，将带反射光斑的成像目标板信息转换为数字图像信息，传输至数据处理装置5，得到各个反射红外光斑的相对偏移尺寸，即可得到桥梁的挠度测量值。

数字成像装置4镜头前安装滤光片，通过成像镜头使光学标靶在图像传感器(CCD)上成像，获得对称性好、能量均匀的红外光斑图像。

本发明提供的桥梁动挠度在线监测方法，使用桥梁动挠度在线监测系统，利用光杠杆放大原理，利用反射式的靶标将桥梁的微小挠度转化为反射光斑在成像面上的大位移量，再根据成像和图像处理技术解算出每个被测点的光斑中心位移量便得到该点的挠度值。

检测时在桥梁梁体上部指定几个待测点，一般选取跨中L/2和2个L/4点，将反光板安放在待测位置处，同时将成像目标板安放在桥墩固定部位，此时红外补光装置的红外点光源经过各个反射板反射到成像目标板上形成一个个红外光光斑。

在桥梁未加载前先对每个待测点进行测量，得到光斑在成像目标板上的初始位置坐标(x0,y0)，桥梁加载之后再次对待测点进行测量，得到光斑的位置坐标(x1,y1)，则桥梁的待测点两次测量的光斑位置沿x方向和y方向的距离之差分别为:Δx=x1－x0和Δy=y1－y0，由此可以得到待测点的挠度值(不含桥梁的徐变自重挠度)，对于某一时刻测量得到的多个测点的挠度，以及两端的两个支点处挠度为0，经过样条插值后，即可拟合出桥梁在该时刻的挠曲线。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种桥梁动挠度在线监测系统，其特征在于：包括光电成像系统、反光装置（3）以及数据处理装置（5），所述光电成像系统包括数字成像装置（4）、红外补光装置（1）和成像目标板（2）；所述反光装置（3）包括若干反光板和可旋转的反光板固定件，反光板通过反光板固定件悬挂于待测桥梁各个挠度监测断面下方；所述红外补光装置（1）安装在桥梁（6）与桥墩（7）内侧的连接处，安装高度高于全部桥梁挠度监测断面的反光板上边缘，所述红外补光装置（1）照射范围覆盖全部反光板，且各个反光板之间在桥梁量程内任意挠度下无相互遮挡；所述成像目标板（2）竖直安装在红外补光装置（1）同一侧的桥墩内侧，用于接收全部反光板反射的红外光斑；所述数字成像装置（4）和数据处理装置（5）安装在成像目标板（2）对侧的桥墩内测，数字成像装置（4）与数据处理装置（5）之间设有数字链路，数字成像装置（4）用于拍摄带有全部反光板反射的红外光斑的成像目标板图像并传输至数据处理装置（5），数据处理装置（5）用于计算每个红外光斑的相对偏移尺寸，并根据相对偏移尺寸计算桥梁的挠度测量值。

2.根据权利要求1所述的桥梁动挠度在线监测系统，其特征在于：所述桥梁挠度监测断面的反光板设置规则为：全部桥梁挠度监测断面下悬挂的所有反光板高度一致；桥梁跨度方向至少在L/4、L/2、L3/4这三个桥梁挠度监测断面下安装反光板，L为桥梁跨度；桥梁宽度方向不同桥梁挠度监测断面下的反光板相互错开，宽度方向各个反光板间距不小于2b，不大于4b，b为反光板宽度。

3.根据权利要求1或2所述的桥梁动挠度在线监测系统，其特征在于：所述反光板固定件从上到下依次分为第一节段、第二节段和第三节段，第一节段的顶部固定连接到桥梁挠度监测断面底部的监测点，第一节段与第二节段之间为360度旋转连接，同时该旋转连接处设有锁止机构；第二节段与第三节段之间为±30度以内的旋转阻尼连接，旋转面为桥梁跨度高度所在平面；第三节段面向两个桥墩的两侧分别设有反光板。

4.根据权利要求3所述的桥梁动挠度在线监测系统，其特征在于：所述第三节段的重心位于距离第三节段底部不超过第三节段高度的1/5处。

5.根据权利要求3所述的桥梁动挠度在线监测系统，其特征在于：所述第二、三节段高度为5~30cm。

6.根据权利要求3所述的桥梁动挠度在线监测系统，其特征在于：所述反光板为正方形的宽度为5~15cm的平面反光镜。

7.根据权利要求1或2所述的桥梁动挠度在线监测系统，其特征在于：所述红外补光装置（1）为点光源。

8.根据权利要求1或2所述的桥梁动挠度在线监测系统，其特征在于：所述成像目标板（2）为黑色哑光表面。

9.根据权利要求1所述的桥梁动挠度在线监测系统的桥梁动挠度在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在待监测桥梁上安装桥梁动挠度在线监测系统，在L/4、L/2、L3/4这三个待测点安装反光板，L为桥梁跨度；

2）在待监测桥梁未加载前先对每个待测点进行测量，红外补光装置（1）发出红外光照射到反光板上，经反光板反射后在成像目标板（2）上形成红外光斑，数字成像装置（4）采集成像目标板（2）的数字图像，并传输到数据处理装置（5）进行处理，得到红外光斑在成像目标板上的初始位置坐标(x0,y0)；

3）在桥梁加载后再次对待测点进行测量，得到红外光斑的实时位置坐标(x1,y1)，则待测点两次测量的红外光斑位置沿x方向和y方向的距离之差分别为Δx=x1－x0和Δy=y1－y0，由此得到待测点的不含桥梁的徐变自重挠度；

4）对于某一时刻测量得到的多个待测点的挠度，以及两端的两个支点处挠度为0，经过样条插值后，拟合出桥梁在该时刻的挠曲线，从而得出桥梁动挠度在线监测结果。

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