CN113551638A - 大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法、系统及终端 - Google Patents

大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法、系统及终端 Download PDF

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Abstract

本发明属于桥梁量测技术领域，公开了一种大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法、系统及终端，获取桥梁实际挠度曲线的无量纲幅值形状；获取桥梁某参考点处实际挠度值或倾斜角；修正无量纲幅值形状获得实际挠度曲线。本发明利用模态识别理论辨识与桥梁挠度曲线对应的最低阶模态振型，以作为桥梁真实挠度曲线的无量纲形状，仅需另获知桥梁某单一参考点处实际挠度测量值或参考截面处倾斜角度即可。本发明在获得全桥静载挠度曲线的同时，也可得到桥梁在当前静载工况下的各阶模态特性参数。本发明依赖的最低阶振型辨识精度高，挠度曲线测试简单且成本较低；同时无需在待测桥下搭设测试支架，适用于大跨度桥梁全桥静载试验挠度曲线测量。

Description

大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法、系统及终端
技术领域
本发明属于桥梁量测技术领域，尤其涉及一种大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法、系统及终端。
背景技术
目前，交通基础设施为经济社会发展的基础和必备条件，桥梁结构作为交通生命线中的枢纽工程，其畅通和安全在国民经济快速稳定的发展中起着至关重要的作用。而随着桥梁结构分析理论不断发展完善以及新建筑材料和新施工工艺的不断应用，桥梁结构朝着大型化、复杂化以及柔性化方向不断发展。大跨度桥梁在长期运营过程中会受到车辆荷载、地震、风及环境侵蚀等各种因素影响，其技术状况往往不断产生变化，通常表现为其功能性的降低，影响其安全使用，近几十年来，国内外发生的大跨度桥梁安全事故不在少数，因此，开展大跨度桥梁检测鉴定与健康监测评估，确保桥梁在施工期与运营期的健康安全至关重要。桥梁静载试验是对桥梁结构物工作状态进行直接测试的一种鉴定手段，通过静载试验获得的桥梁挠度，是直接反映桥梁结构竖向整体刚度的一个至关重要参数，也与桥梁的承载能力及抵抗地震等动荷载的能力密切相关。根据桥梁挠度曲线的变化情况可以判断出桥梁状态是否正常，是否需要修复或停用，有效预防灾难事故发生。因此，发展一种针对大跨度桥梁静载挠度测量的科学有效手段，对于桥梁实际承载能力评估与桥梁抗震减灾具有重要意义，同时也能为完善桥梁设计理论和施工工艺积累经验与相关科学资料。
现有相关挠度测量技术及其主要不足如下：
位移计挠度测量法(如专利CN203053665U、CN106908207A及CN208171233U等)：该类方法利用机械或电子式百分表、千分表等测量桥梁挠度，其优点是设备简单、安装方便并且可以多点同步测量，但缺点是需要在待测桥梁下方搭设测试支架，测试效率低下，工时耗费较多，仅适用于桥梁下方可搭设支架的情况，而对于跨河、跨线、高敦以及大跨度桥梁难以适用。
水准仪挠度测量法(如专利CN204064597U、CN212228339U及CN212482473U等)：该类方法采用精密水准仪测定桥面两测点之间的高差，通过已知高程的桥面测点出发，沿着选定的水准路线逐站测定各点高程，其优点是测试精度较高，测试方便且无需搭设支架，但缺点是水准测试需要设置转站，对于大跨度桥梁测试时间较长，且测试精度较容易受标尺立尺与读数等影响。
全站仪挠度测量法(如专利CN112393717A及论文编号1672-5867(2019)01-0041-04等)：该类方法基于三角高程测量法原理，采用高精度全站仪通过测量两点间的竖直角和水平距离求得此两点间高差以得出桥梁挠度，其优点是测量方法简单，测试精度较高且不受地形条件的限制，为桥梁挠度测量的基本方法之一，但缺点是测试精度受仪器高、棱镜高、测距、竖直角以及大气环境等因素综合影响。
连通管挠度测量法(如专利CN1542405A、CN201034799Y及论文DOI：10.19776/j.gdgljt.2021-01-0040-04等)：该类方法基于连通管测量原理，间隔一定距离在被测桥面铺设连通管，当桥梁梁体发生挠曲变形时，各测点处的液位相应变化，通过传感器采集液位变化而间接得到挠度，其优点是测试简单易行，相对精度较高，但缺点是连通管铺设安装较为复杂，大跨桥梁测试成本可观，且测量实时性相对较差。
倾角仪挠度测量法(如专利CN105320596B与CN109029882B等)：该类方法不同于直接量测桥梁在测点处挠度值的传统方式，通过测量桥梁在若干待测截面处的倾斜角度，根据倾斜角拟合出挠度的倾角曲线，进而获得桥梁的挠度曲线，其优点是无需被测桥梁上的静止参考点，较好地适用于于下方不便于搭设测试支架的桥梁，但缺点是测量误差相对较大，操作较困难，难以适用于大跨度桥梁。
桥梁挠度仪测量法(如专利CN1789905A、CN207007456U及CN210037118U等)：该类方法通常基于光电成像原理进行桥梁挠度测试，其将带光学标志的目标靶安装于桥梁测点，桥梁挠曲导致目标靶移动，通过CCD接收面上光标点成像位置改变量，可推算出桥梁测点处的实际挠度值，其优点是测量精度较高、范围较大，但缺点是应用于大跨度桥梁等大型待测目标时容易受到障碍物遮挡以及大气环境影响。
GPS挠度测量法(如专利CN108180882A、CN211853261U及论文DOI：10.3969/j.issn.1006-8872(x).2021.01.079等)：该类方法基本原理是将两台GPS接收机分别安装于岸基参考点与桥梁挠度测点处，从该两台接收机处同步观测卫星以获取挠度测点相对于参考点的变化，通过该测点空间位置变化可获得桥梁挠度值，其优点是全球全天候定位，但缺点是测量误差较大，当应对测量精度要求较高且测量数据较完备的大跨度桥梁时，GPS测试成本将异常昂贵。
通过上述分析，现有各种主要挠度测量方法在应对大跨度桥梁完整静载挠度曲线测量时所存在的一定问题及缺陷为：现有的挠度量测方法测试成本较高，且测量实时性相对较差，误差相对较大，操作较困难，难以适用于大跨度桥梁。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法、系统及终端，能快捷有效地实现大跨度桥梁全桥静载挠度曲线测量。
本发明是这样实现的，一种大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法，所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法包括：
步骤一，获取桥梁实际挠度曲线的无量纲幅值形状；
步骤二，获取桥梁某参考点处实际挠度值或倾斜角；
步骤三，修正无量纲幅值形状获得实际挠度曲线。
进一步，步骤一中，所述获取桥梁实际挠度曲线的无量纲幅值形状包括：
获取待测桥梁在环境激励下的竖向加速度响应信号，利用振动模态识别理论分析所采集到的动态响应信号，辨识获得与桥梁挠度曲线相对应的最低阶模态振型，替代桥梁真实挠度曲线的无量纲幅值形状。
进一步，所述获取待测桥梁在环境激励下的竖向加速度响应信号包括：利用桥面各挠度测点处布设的竖向或三轴加速度传感器获取待测桥梁在环境激励下的竖向加速度响应信号，并进行降噪滤波等信号预处理。
进一步，步骤二中，所述获取桥梁某参考点处实际挠度值或倾斜角包括：
获知某单个参考点i处的实际挠度测量值Di或参考截面处的实际倾斜角度Ti。
进一步，所述单个参考点可选择理论静载挠度较大处。
进一步，所述参考截面处的实际倾斜角度可选择理论挠度曲线斜率较大处。
进一步，步骤三中，所述修正无量纲幅值形状获得实际挠度曲线包括：
基于选定的单个参考点i，对应提取获得的桥梁无量纲挠度幅值曲线在该点处的无量纲挠度值Di或倾斜角度Ti，并计算其与参考点处的绝对挠度值或倾斜角度的比值Di/Di或Ti/Ti，再依据该比值从整体上缩放此前获得的无量纲挠度幅值曲线，进而得到待测桥梁在所有测点处的真实静载挠度曲线。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法的大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测系统，所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测系统包括：
无量纲幅值形状获取模块，用于获取桥梁实际挠度曲线的无量纲幅值形状；
参考点测量参数获取模块，用于获取桥梁某参考点处实际挠度值或倾斜角；
幅值修正模块，用于修正无量纲幅值形状以获得实际挠度曲线。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法。
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法，所述包括下列步骤：
步骤一，获取桥梁实际挠度曲线的无量纲幅值形状；
步骤二，获取桥梁某参考点处实际挠度值或倾斜角；
步骤三，修正无量纲幅值形状获得实际挠度曲线。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明利用模态识别理论辨识与桥梁挠度曲线对应的最低阶模态振型，以作为桥梁真实挠度曲线的无量纲形状，仅需另获知桥梁某单一参考点处实际挠度测量值或参考截面处倾斜角度即可，除此之外无需测量参考点以外的其他任何待测点的实际挠度值或待测截面实际倾斜角度，本发明在获得全桥静载挠度曲线的同时，也可得到桥梁在当前静载工况下的各阶模态特征参数。
本发明依赖的最低阶振型辨识精度高：在本发明中，与待测桥梁挠度曲线无量纲形状相对应的桥梁最低阶振动模态可通过环境激励激发，无需额外的激振设备，且相应低阶模态振型辨识容易、抗噪能力强、辨识精度高，其确保了与之对应的桥梁挠度曲线无量纲形状的精确性与可靠性。
本发明挠度曲线测试简单且成本较低：本发明除需要待测桥梁某单一参考点或参考截面处实际挠度或倾斜角度外，无需任何额外的静载挠度测试装置及相应测试流程来获取其余所有测点实际挠度值，而仅需于各挠度测点处布设竖向加速度传感器，可通过少量加速度传感器跑点测量方式开展整座桥梁完整挠度曲线测试，以进一步降低测试成本。
本发明无需在待测桥下搭设测试支架：本发明基于对待测桥面加速度传感器所采集的环境激励动力响应数据进行模态分析以获取待测桥梁的无量纲挠度曲线形状，完全避免在待测桥梁下部搭设测试支架，应用方便快捷，广泛适用于跨河、跨线、高墩以及大跨度桥梁在施工期以及成桥运营期的全桥静载试验挠度曲线测量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法原理图。
图2是本发明实施例提供的大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法流程图。
图3是本发明实施例提供的大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测系统结构示意图；
图中：1、无量纲幅值形状获取模块；2、参考点参数获取模块；3、幅值修正模块。
图4是本发明实施例提供的某大跨度悬索桥自重荷载作用下的实际挠度曲线示意图。
图5是本发明实施例提供的某大跨度悬索桥自重荷载作用下的实际挠度曲线对应最低阶模态振型示意图。
图6是本发明实施例提供的某大跨度悬索桥自重荷载作用下通过本发明获取桥面挠度曲线与其实际值对比示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法原理图。
如图2所示，本发明实施例提供的大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法包括：
S101，获取桥梁实际挠度曲线的无量纲幅值形状；
S102，获取桥梁某参考点处实际挠度值或倾斜角；
S103，修正无量纲幅值形状获得实际挠度曲线。
本发明实施例提供的获取桥梁实际挠度曲线的无量纲幅值形状包括：
获取待测桥梁在环境激励下的竖向加速度响应信号，利用振动模态识别理论分析所采集到的动态响应信号，辨识获得与桥梁挠度曲线相对应的最低阶模态振型，替代桥梁真实挠度曲线的无量纲幅值形状。
本发明实施例提供的获取待测桥梁在环境激励下的竖向加速度响应信号包括：利用桥面各挠度测点处布设的竖向或三轴加速度传感器获取待测桥梁在环境激励下的竖向加速度响应信号，并进行降噪滤波等信号预处理。
本发明实施例提供的获取桥梁某参考点处实际挠度值或倾斜角包括：
获知某单个参考点i处的实际挠度测量值Di或参考截面处的实际倾斜角度Ti。
本发明实施例提供的单个参考点可选择理论静载挠度较大处。
本发明实施例提供的参考截面处的实际倾斜角度可选择理论挠度曲线斜率较大处。
本发明实施例提供的修正无量纲幅值形状获得实际挠度曲线包括：
基于选定的单个参考点i，对应提取获得的桥梁无量纲挠度幅值曲线在该点处的无量纲挠度值Di或倾斜角Ti，并计算其与参考点处的绝对挠度值或倾斜角度的比值Di/Di或Ti/Ti，再依据该比值从整体上缩放无量纲挠度幅值曲线，进而得到待测桥梁在所有测点处的真实静载挠度曲线。
如图3所示，本发明实施例提供的大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测系统包括：
无量纲幅值形状获取模块1，用于获取桥梁实际挠度曲线的无量纲幅值形状；
参考点参数获取模块2，用于获取桥梁某参考点处实际挠度值或参考截面的实际倾斜角；
幅值修正模块3，用于修正无量纲幅值形状获得实际挠度曲线。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1：
本发明的基本原理是基于自重或重力加速度作用下桥梁挠度曲线的无量纲幅值形状与对应的桥梁最低阶模态振型曲线具有高度相似性的特征(如图1所示，其中，实线表示自重下的实际挠度曲线，虚线表示对应的最低阶模态振型)，本发明的操作过程可以概括为以下三个主要步骤：
(1)获取桥梁实际挠度曲线的无量纲幅值形状：于桥面各挠度测点处布设竖向或三轴加速度传感器，拾取待测桥梁在环境激励下的竖向加速度响应信号，并进行降噪滤波等信号预处理；利用振动模态识别理论分析所采集到的动态响应信号，辨识获得与桥梁挠度曲线相对应的最低阶模态振型，用以替代桥梁真实挠度曲线的无量纲幅值形状。
(2)获取桥梁某参考点处实际挠度值或倾斜角：为了进一步确定待测桥梁实际挠度曲线绝对幅值大小，本发明仅需要另外获知某单个参考点i处的实际挠度测量值Di(建议取理论静载挠度较大处，如跨中或悬臂端附近)，或者是该参考截面处的实际倾斜角度Ti(建议取理论挠度曲线斜率较大处)，除此之外，本发明无需参考点或参考截面以外的其他任何测点实际挠度测量值或倾斜角度。
(3)修正无量纲幅值形状以获得实际挠度曲线：按步骤(2)中选定的单个参考点i，对应提取步骤(1)中获得的桥梁无量纲挠度幅值曲线在该点处的无量纲挠度值Di或倾斜角Ti，并计算其与步骤(2)中参考点处的绝对挠度值或倾斜角度的比值Di/Di或Ti/Ti，再依据该比值从整体上缩放步骤(1)中的无量纲挠度幅值曲线，进而得到待测桥梁在所有测点处真实静载挠度曲线的间接量测结果。
实施例2：
本发明的大跨度桥梁工程应用：为验证本发明的实际工程应用效果，以某大跨度悬索桥为例，运用计算机软件建立该悬索桥的三维数值仿真模型，并按实际情况合理考虑边界条件，通过有限元静力计算和模态特征值分析分别得到该悬索桥在自重荷载作用下的整体实际挠度曲线(如图4所示)与对应最低阶的模态振型(如图5所示)其中，虚线和实线分别表示变形前后的曲线形状。考察该悬索桥在自重荷载作用下主桥桥面的整体挠度曲线，先依据所建立的计算机模型，在主桥桥面上按前述原则选取适当的单个参考节点，从图4中提取该参考点处的绝对挠度计算值D；接着将图5中所获得的对应阶次模态振型作为该主桥桥面的完整无量纲挠度幅值曲线，并从该曲线上提取该参考点处对应的无量纲挠度值D；再计算该参考点处的绝对挠度值与无量纲挠度值的比值D/D，然后依据该比值从整体上缩放桥面无量纲挠度幅值曲线，最终得到该大跨度悬索桥主桥桥面在所有测点处实际自重挠度曲线的间接量测结果，如图6所示，该图同时给出了从图4中提取到的主桥桥面实际自重挠度曲线。从该图的桥面挠度对比结果中可以很明显地看出，本发明获得的桥面挠度曲线间接测量结果与实际挠度曲线非常吻合，从而验证了本发明在大跨度桥梁全桥静载挠度曲线测量工程应用中的正确性和有效性。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本发明领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法，其特征在于，所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法包括：
步骤一，获取桥梁实际挠度曲线的无量纲幅值形状；
步骤二，获取桥梁某参考点处实际挠度值或倾斜角；
步骤三，修正无量纲幅值形状获得实际挠度曲线。
2.如权利要求1所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法，其特征在于，步骤一中，所述获取桥梁实际挠度曲线的无量纲幅值形状包括：
获取待测桥梁在环境激励下的竖向加速度响应信号，利用振动模态识别理论来分析所采集到的动态响应信号，辨识获得与桥梁挠度曲线相对应的最低阶模态振型，替代桥梁真实挠度曲线的无量纲幅值形状。
3.如权利要求1所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法，其特征在于，所述获取待测桥梁在环境激励下的竖向加速度响应信号包括：利用桥面各挠度测点处布设的竖向或三轴加速度传感器获取待测桥梁在环境激励下的竖向加速度响应信号，并进行降噪滤波信号预处理。
4.如权利要求1所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法，其特征在于，步骤二中，所述获取桥梁某参考点处实际挠度值或倾斜角包括：
获知某单个参考点i处的实际挠度测量值Di或参考截面处的实际倾斜角度Ti。
5.如权利要求1所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法，其特征在于，所述单个参考点可选择理论静载挠度较大处。
6.如权利要求1所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法，其特征在于，所述参考截面处的实际倾斜角度可选择理论挠度曲线斜率较大处。
7.如权利要求1所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法，其特征在于，步骤三中，所述修正无量纲幅值形状获得实际挠度曲线包括：
基于选定的单个参考点i，对应提取获得的桥梁无量纲挠度幅值曲线在该点处的无量纲挠度值Di或对应截面的倾斜角度Ti，并计算其与参考点处的绝对挠度值或对应截面倾斜角度的比值Di/Di或Ti/Ti，再依据该比值从整体上缩放无量纲挠度幅值曲线，进而得到待测桥梁在所有测点处真实静载挠度曲线的间接量测结果。
8.一种实施如权利要求1-7任意一项所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法的大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测系统，其特征在于，所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测系统包括：
无量纲幅值形状获取模块，用于获取桥梁实际挠度曲线的无量纲幅值形状；
参考点参数获取模块，用于获取桥梁某参考点处实际挠度值或对应截面的倾斜角度；
幅值修正模块，用于修正无量纲幅值形状获得实际挠度曲线。
9.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求1-7任意一项所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法，所述包括下列步骤：
步骤一，获取桥梁实际挠度曲线的无量纲幅值形状；
步骤二，获取桥梁某参考点处实际挠度值或倾斜角；
步骤三，修正无量纲幅值形状获得实际挠度曲线。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-7任意一项所述大跨度桥梁静载挠度曲线的间接量测方法。
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