CN113701968B - 桥梁动态挠度监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种桥梁动态挠度监测系统，包括柔索，柔索的两端分别与待测梁体的两端相连接；目标基准装置，安装在柔索上且与待测梁体的目标测点垂直对应；位移测量装置，安装在待测梁体的目标测点上且与目标基准装置相对设置，位移测量装置用于测量目标基准装置与位移测量装置间的相对竖向位移。该监测系统安装于待测梁体，以柔索为参考基准，由位移测量装置测得桥梁变形前后目标基准装置与位移测量装置间的相对竖向位移，从而得到目标测点的动态挠度。这样安装方便，整个过程中无需多次调整监测设备的几何位置关系。基准与测点间的测量距离短，可避免远距离测量受传播介质的影响。并且直接监测基准与测点间的位移，减少误差源，提高监测精度。

Description

桥梁动态挠度监测系统

技术领域

本发明涉及桥梁健康监测技术领域，尤其涉及一种桥梁动态挠度监测系统。

背景技术

在自重和外界荷载的长期作用下，桥梁结构塑性变形不断累积，加剧了桥梁结构发生脆性破坏的可能性。桥梁挠度直接反映桥梁结构的受力情况，是评估桥梁安全性和耐久性的重要参数，也是日常管理运维的重要依据。实现对桥梁挠度的长期监测、实时监测，对于桥梁安全运营具有重要意义。目前，桥梁挠度监测方法主要有以下几种：

以全站仪、经纬仪、水准仪等测量设备为主的大地监测方法，是桥梁挠度监测的重要手段。但是在测量过程中，需要重复架设设备，机动性差。还需要多次调整设备的几何位置关系，以便对测点进行观测。同时，远距离监测还会受能见度影响以及气密差引起的光线折射影响。

GPS(Global Positioning System，全球定位系统)/GNSS(Global NavigationSatellite System，全球导航卫星系统)监测法，使用卫星定位系统实时监测桥梁结构上的测点位移变化。但是，测点选择的自由度较低，受到磁场影响大，并且GPS/GNSS定位函数关系复杂、视场狭窄，从而引入较多的误差源。

激光遥感法，利用激光束对结构测点进行远距离感测，从而根据几何关系得到结构测点的变化，但是受到水汽和尘埃堆积等传播介质的影响较大。

视觉图像法，融合了摄影测量、图像处理和计算机技术，可连续记录结构瞬态变形，并可精确提取局部结构变化。但是受能见度影响较高，并且原理复杂。

综上所述，现有方法存在架设装置不便、受传播介质影响、数据处理复杂、误差源较多等缺陷。因此，提供一种新型的桥梁挠度监测装置，具有积极的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种桥梁动态挠度监测系统，用以解决现有技术中所存在的不足。

本发明提供一种桥梁动态挠度监测系统，包括：

柔索，所述柔索的两端分别与待测梁体的两端相连接；

目标基准装置，所述目标基准装置安装在所述柔索上且与所述待测梁体的目标测点垂直对应设置；

位移测量装置，所述位移测量装置安装在所述待测梁体的目标测点上且与所述目标基准装置相对设置，所述位移测量装置用于测量所述目标基准装置与所述位移测量装置之间的相对竖向位移。

根据本发明提供的桥梁动态挠度监测系统，所述柔索呈悬链线型，所述柔索的两端分别连接在所述待测梁体的两端的中性轴位置处。

根据本发明提供的桥梁动态挠度监测系统，所述位移测量装置设置为激光位移传感器，所述目标基准装置设置为用于反射激光的反射板。

根据本发明提供的桥梁动态挠度监测系统，还包括应变测量仪，所述应变测量仪用于测量所述柔索的底部截面轴向应变，以计算出所述柔索的竖向位移变化量。

根据本发明提供的桥梁动态挠度监测系统，还包括温度传感器，所述温度传感器用于测量环境温度，以计算出所述柔索的竖向位移变化量。

根据本发明提供的桥梁动态挠度监测系统，还包括数据采集设备，所述数据采集设备通过数据传输线与所述位移测量装置相连接。

根据本发明提供的桥梁动态挠度监测系统，所述待测梁体设置为内部具有中空腔体的箱梁，所述柔索、所述目标基准装置和所述位移测量装置安装在所述中空腔体内。

根据本发明提供的桥梁动态挠度监测系统，所述位移测量装置安装在待测梁体的底板上。

根据本发明提供的桥梁动态挠度监测系统，所述位移测量装置的数量与所述待测梁体的目标测点的数量相一致，各个所述位移测量装置安装在所述待测梁体不同的目标测点上，且所述目标基准装置与所述位移测量装置一一对应。

根据本发明提供的桥梁动态挠度监测系统，所述待测梁体的两端设有端横隔板，所述柔索的两端分别连接在两个所述端横隔板上。

本发明提供的桥梁动态挠度监测系统，包括：柔索，柔索的两端分别与待测梁体的两端相连接；目标基准装置，目标基准装置安装在柔索上且与待测梁体的目标测点垂直对应设置；位移测量装置，位移测量装置安装在待测梁体的目标测点上且与目标基准装置相对设置，位移测量装置用于测量目标基准装置与位移测量装置之间的相对竖向位移。将该监测系统安装于待测梁体，以柔索作为参考基准，通过位移测量装置测得桥梁弯曲变形前后的目标基准装置与位移测量装置之间的相对竖向位移，从而得到目标测点的动态挠度。这样安装方便，整个过程中无需多次调整监测设备的几何位置关系。基准与测点间的测量距离短，可避免远距离测量受传播介质的影响。并且直接监测基准与测点间的位移，易于进行数据处理，原理简单，数据传送链短，减少误差源，提高监测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的桥梁动态挠度监测系统的安装结构示意图；

图2是本发明提供的桥梁未发生变形时的桥梁动态挠度监测系统的结构示意图；

图3是本发明提供的桥梁发生变形时的桥梁动态挠度监测系统的结构示意图；

图4是本发明提供的呈悬链线型的柔索结构示意图；

图5是本发明提供的位移测量装置的工作原理示意图；

附图标记：

1：柔索； 2：目标基准装置； 3：位移测量装置；

4：应变测量仪； 5：箱梁； 6：端横隔板；

7：底板； 8：顶板； 9：数据传输线；

10：数据采集设备； 11：半导体激光发生器； 12：聚光透镜；

13：参考平面； 14：成像透镜； 15：光电检测器；

16：温度传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图5描述本发明实施例的桥梁动态挠度监测系统。

如图1所示，本发明实施例提供一种桥梁动态挠度监测系统，包括：柔索1，目标基准装置2，以及位移测量装置3。其中，柔索1是指抗弯刚度极小或抗弯刚度不影响自然下垂线形的细长构件。柔索1均匀且柔软，其单位长度质量不宜过大，以减少柔索1质量对其轴力的影响，降低材料蠕变效应。并且柔索1具有较高的结构阻尼，以在监测过程中能够降低柔索1由于振动引起的影响。柔索1的两端分别与待测梁体的两端相连接，使得柔索1构成贯通于桥梁全长的参考基线。

目标基准装置2安装在柔索1上，并且与待测梁体上的目标测点垂直对应设置。也就是说，目标基准装置2与桥梁挠度测点处于同一竖向直线上。

位移测量装置3安装在待测梁体的目标测点上且与目标基准装置2相对设置，位移测量装置3用于测量目标基准装置2与位移测量装置3之间的相对竖向位移。这样，如图2所示，目标基准装置2、位移测量装置3和目标测点位于同一竖向直线上。需要说明的是，以如图2所示的桥梁动态挠度监测系统的摆放位置来说，图中上下方向即为所指上下方位、竖直方向。

如此设置，将该桥梁动态挠度监测系统安装于待测梁体，以柔索作为参考基准，通过位移测量装置测得桥梁弯曲变形前后的目标基准装置与位移测量装置之间的相对竖向位移，从而得到目标测点的动态挠度。这样安装方便，整个过程中无需多次调整监测设备的几何位置关系，使柔索上的目标基准装置和目标测点处的位移测量装置垂直对应，满足梁结构安装空间要求，即可长期使用。以柔索为基准，基准与测点间的空间距离短，相应地，测量距离较短，可避免远距离测量受传播介质的影响，抗干扰能力强。并且直接监测基准与测点之间的位移变化，原理简单，易于进行数据处理，不必引入过多的计算误差，减少了误差源，提高了测量精度。

参考图2至图4，本发明实施例中，柔索1呈悬链线型，即柔索1的长度大于待测梁体的长度。柔索1的两端固定，在重力作用下自然下垂。需要说明的是，以如图2所示的桥梁动态挠度监测系统的摆放位置来说，图中左右方向即为所指长度方向。并且，柔索1的两端分别连接在待测梁体的两端的中性轴位置处。只要柔索1端部位置不发生变化，柔索1将始终保持初始悬链线型，即与待测梁体上目标测点对应的目标基准装置2的空间位置始终保持不变。因此，柔索1形成了一条贯通于桥梁全长、空间位置稳定的参考基线。

具体地，如图2所示，待测梁体的两端设有端横隔板6，柔索1的两端分别连接在两个端横隔板6上，以便于安装柔索1。作为可选的实施方式，该柔索1的两端以铰接的形式安装在待测梁体的端横隔板6上，在端横隔板6上的铰接位置处于待测梁体的中性轴位置上，以保证柔索1保持悬链线型，且不随梁体弯曲变形而在柔索1两端连接点之间发生直线距离变化。

在本发明实施例中，位移测量装置3设置为激光位移传感器，目标基准装置2设置为用于反射激光的反射板。反射板表面光洁且保持水平设置，其反射平面与激光位移传感器的激光投射方向相垂直。在桥梁未发生变形时，待测梁体和反射板均处于水平状态。测量时，安装在梁体挠度测点的激光位移传感器，向安装在柔索1上的反射板，发射和接收激光信号，然后由激光位移传感器处理得到挠度测点与柔索1的相对竖向位置变化，并将位置变化数据信息向外发送。

具体地，激光位移传感器包括半导体激光发生器11、聚光透镜12、参考平面13、成像透镜14和光电检测器15。激光位移传感器可采用三角测距法进行测量，其工作原理如图5所示。激光位移传感器内部的半导体激光发生器11投射激光，经过聚光透镜12，分别被激光位移传感器内部的参考平面13和柔索1上垂直对应的目标基准装置2反射，再经成像透镜14，最终在光电检测器15上形成两道光斑。光电检测器15将光斑差异信息进行处理，得到参考平面13和目标基准装置2之间的相对位移数据，即目标基准装置2与位移测量装置3之间的竖向位移。

在桥梁未发生变形时，如图2所示，激光位移传感器测得初始位移数据。当桥梁发生弯曲变形时，如图3所示，安装在目标测点处的激光位移传感器会发生与测点挠度一致的竖向位移，经激光位移传感器实时监测得到的位移数据与初始位移数据之间的差值，就可以得出目标测点的动态挠度。

这样设置，以线型稳定的柔索作为参考基线，该基线与目标测点的空间距离短，能够充分发挥激光三角测距原理的短距离监测精度高、线性处理容易以及高频率测量等优势。而且根据监测需求，采用不同的激光位移传感器，其测量精度可达到0.01％高分辨率，0.1％高线性度，以及9.4KHz高响应。

本发明实施例中，根据桥梁具体结构，位移测量装置3安装在待测梁体的底板7上，以便安装位移测量装置3进行测量。于本发明的具体实施例中，需要调整激光位移传感器与反射板的对应位置。激光位移传感器安装在待测梁体的底板7上，则使反射板的反射平面朝下。当然，激光位移传感器还可安装在梁体的其他位置，如安装在顶板8上，则需要做适应性调整，以便能够进行挠度监测。

一方面，由于材料受温度变化会发生热膨胀效应，因而会引起柔索1的索长发生变化，从而改变柔索1的初始悬链线型，即改变挠度测量的参考基线。当温度升高，柔索1长度增加，在保持柔索1两端位置不变的情况下，柔索1跨中各点将向下移动，导致监测数据减小。反之，当温度降低，导致监测数据增大。因此，本发明实施例中的桥梁动态挠度监测系统还包括应变测量仪4，应变测量仪4用于测量柔索1的底部截面轴向应变。然后根据计算公式计算出在温度变化影响下柔索1的竖向位移变化量，对挠度监测数值进行修正，从而消除了温度变化引起柔索1热膨胀效应对挠度测量的影响。需要说明的是，以如图2所示的桥梁动态挠度监测系统的摆放位置来说，图中左右方向即为所指轴向，图中柔索的最低点处即为柔索的底部。

于本发明的具体实施例中，如图2所示，应变测量仪4安装在待测梁体的中部，能够方便地测量柔索1在悬链线底部的截面轴向应变，测量更加便捷准确。

另一方面，温度变化会导致待测梁体发生长度伸缩变形，也就改变了柔索1端部的位置。当温度升高，梁长增加，柔索1受端部拉伸，跨中各点将向上移动，导致监测数据增大。反之，当温度降低，导致监测数据减小。因此，本发明实施例中的桥梁动态挠度监测系统还包括温度传感器16，温度传感器16用于测量环境温度，从而得到待测梁体所处环境温度的变化值。然后根据计算公式最终计算出在温度变化影响下柔索1的竖向位移变化量，对挠度监测数值进行修正，从而消除了温度变化引起待测梁体热膨胀效应对挠度测量的影响。

进一步地，本发明实施例中的桥梁动态挠度监测系统还包括数据采集设备10，数据采集设备10通过数据传输线9与位移测量装置3相连接。这样可以将位移测量装置3测得的数据通过数据传输线9实时记录在数据采集设备10中，便于进行数据统计和分析，实现无人化监测。此外，应变测量仪4和温度传感器16也通过数据传输线9与数据采集设备10相连接，从而将测量数据实时记录在数据采集设备10中。若待测梁体为箱梁，则应变测量仪4、温度传感器16和数据传输线9可安装在梁体内部，数据采集设备10可安装在梁体外部。

在一些实施例中，如图1所示，待测梁体设置为内部具有中空腔体的箱梁5，柔索1、目标基准装置2和位移测量装置3安装在中空腔体内。这样设置，能够进一步避免气候、能见度等光学测距受到的传播介质对挠度监测的影响，增强检测系统的抗干扰性能和测量精度。

一般地，为了保证测试结果的准确性，在挠度监测时会进行多点测量。因此，本发明实施例中，位移测量装置3的数量与待测梁体的目标测点的数量相一致，各个位移测量装置3安装在待测梁体不同的目标测点上，且目标基准装置2与位移测量装置3一一对应。并且，各个位移测量装置3均通过数据传输线9与数据采集设备10相连接。

综合上述实施例，本发明提供了一种桥梁动态挠度监测系统，包括柔索1、目标基准装置2、位移测量装置3、应变测量仪4、温度传感器16、数据采集设备10等，其中位移测量装置3设置为激光位移传感器。该监测系统采用基于激光位移传感器的三角测距法进行测量，其具体工作原理如下：

柔索1端部连接在梁体端横隔板6的中性轴位置，并保持悬链线型。如图4所示，以悬链线底部为0点建立笛卡尔坐标系，悬链线型公式如下：

其中，x表示梁体初始状态下中性轴上点相对于悬链线底部的水平距离；y表示悬链线上点相对于悬链线底部的竖向距离；σ₀表示柔索1在悬链线底部的初始拉应力(MPa)；g表示柔索1的比载(N/m·mm²)，比载按下式计算：

g＝9.81m/A (2)

其中，m表示柔索1每米质量(kg/m)；A表示柔索1截面面积(mm²)。

只要柔索1端部位置不发生变化，柔索1将始终保持初始悬链线型，即与梁体各测点对应的目标基准装置2的空间位置始终保持不变。

如图3所示，当梁体发生弯曲产生挠度时，安装在梁体测点处的激光位移传感器会产生与测点挠度一致的竖向位移。而梁的中性轴不随梁弯曲发生变化，由上述柔索1变形条件可知，柔索1将保持初始悬链线型，目标基准装置2的空间位置也会保持不变。经激光位移传感器实时监测与目标基准装置2之间的位置变化就等于梁体各测点的动态挠度。再通过数据传输线9实时记录在数据采集设备10中，完成无人化监测。

进一步地，考虑到环境温度变化会对该监测系统的挠度测量产生影响。其中，温度影响主要包括两个方面：

一方面，温度变化导致待测梁体发生长度伸缩变形，即改变了柔索1端部的位置。当温度升高，梁长增加，柔索1受端部拉伸，跨中各点将向上移动，导致监测数据增大。反之温度降低，监测数据减小。

另一方面，温度变化导致柔索1总长发生变化。当温度升高，柔索1长度增加，在保持柔索1两端位置不变的情况下，柔索1跨中各点将向下移动，导致监测数据减小。反之温度降低，监测数据增大。

首先，考虑温度变化引起梁体热膨胀效应对挠度测量的影响。

材料热膨胀效应如下：

ΔL＝αLΔt (3)

其中，ΔL中表示结构的长度变化量；L表示结构总长；α表示材料热膨胀系数；Δt示表示温度变化量。

根据材料热膨胀效应(式3)可知，梁体受温度变化，梁上任意x处截面延伸至x'：

x'＝x(1+αΔt) (4)

根据比载公式(式2)可知，柔索1的比载不受温度变化影响。再根据悬链线弧长公式(式5)可知，当不考虑温度对柔索1长度S(x)的影响(式6)时，柔索1端部的水平位置x发生变化仅会改变柔索1在悬链线底部的拉应力σ'(式7)。其中：

S(x)＝S(x') (6)

根据材料力学和应变测量仪4实时监测得到的柔索1在悬链线底部的轴向应变，计算得到σ'，代入式(1)，再将温度传感器16实时监测得到的温度变化Δt代入式(1)，最后将式(4)代入式(1)，即可得到温度变化引起梁体热膨胀效应对挠度测量的修正值Δy'如下：

进一步地，考虑温度变化引起柔索1热膨胀效应对挠度测量的影响。

根据悬链线弧长公式(式5)可知，当不考虑温度对梁长度影响(式9)时，柔索1长度变化仅会改变柔索1在悬链线底部的拉应力σ”(式10)。其中：

S(x)→S(x)(1+αΔt) (9)

采用应变测量仪4实时监测柔索1在悬链线底部的轴向应变，根据材料力学计算得到σ”，代入式(1)，即可得到温度变化引起柔索1热膨胀效应对挠度测量的修正值Δy”如下：

当同时考虑温度变化引起柔索1和梁体的热膨胀效应对挠度测量的影响时，结合式(8)、式(11)得到最终的修正值公式如下：

其中，σ是由应变测量仪4实时监测的轴向应变，根据材料力学计算得到柔索1在悬链线底部的拉应力。需要注意的是，式(8)中的σ'表示由梁体长度变化引起的应力变化，式(11)中的σ”表示由柔索1长度变化引起的应力变化，式(12)中的σ表示两种影响同时作用下的应力变化。

将监测值减去由式(12)计算得到的修正值Δy，从而消除了温度变化引起的对挠度测量的影响。

本发明实施例中的桥梁动态挠度监测系统，利用梁结构中性轴的稳定性质，使连接梁两端的柔索不发生变形，从而实现长期稳定的参考基线。再通过激光位移传感器实时监测测点与柔索的相对竖向位置变化，从而实现桥梁挠度的无人化、长期、实时监测。

进一步地，当考虑温度引起的材料热膨胀效应时，梁体和柔索的长度会发生变化，从而导致柔索悬链线型发生改变。再结合悬链线计算公式，针对柔索的空间位置进行修正。

该监测系统测量距离短，受能见度、气候变化等影响较小，能够适用于大、中、小跨径桥梁。监测数据直接反应桥梁挠度变化，数据传递链短，除了温度修正以外，不需要做额外处理，避免了计算误差影响。并且安装方便，测量原理简单，监测过程中不需要人工操作。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种桥梁动态挠度监测系统，其特征在于，包括：

柔索，所述柔索为呈自然下垂线形的细长构件，所述柔索的两端分别与待测梁体的两端相连接，使得所述柔索构成贯通于桥梁纵向全长的参考基线；其中，所述柔索呈悬链线型，所述柔索的两端分别连接在所述待测梁体的两端的中性轴位置处；

目标基准装置，所述目标基准装置安装在所述柔索上且与所述待测梁体的目标测点垂直对应设置；

位移测量装置，所述位移测量装置安装在所述待测梁体的目标测点上且与所述目标基准装置相对设置，所述位移测量装置用于测量所述目标基准装置与所述位移测量装置之间的相对竖向位移，所述位移测量装置设置为激光位移传感器，所述目标基准装置设置为用于反射激光的反射板；

其中，所述位移测量装置的数量与所述待测梁体的目标测点的数量相一致，各个所述位移测量装置安装在所述待测梁体不同的目标测点上，且所述目标基准装置与所述位移测量装置一一对应；

所述待测梁体设置为内部具有中空腔体的箱梁，所述柔索、所述目标基准装置和所述位移测量装置安装在所述中空腔体内。

2.根据权利要求1所述的桥梁动态挠度监测系统，其特征在于，还包括应变测量仪，所述应变测量仪用于测量所述柔索的底部截面轴向应变，以计算出所述柔索的竖向位移变化量。

3.根据权利要求2所述的桥梁动态挠度监测系统，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器用于测量环境温度，以计算出所述柔索的竖向位移变化量。

4.根据权利要求1所述的桥梁动态挠度监测系统，其特征在于，还包括数据采集设备，所述数据采集设备通过数据传输线与所述位移测量装置相连接。

5.根据权利要求1所述的桥梁动态挠度监测系统，其特征在于，所述位移测量装置安装在待测梁体的底板上。

6.根据权利要求1所述的桥梁动态挠度监测系统，其特征在于，所述待测梁体的两端设有端横隔板，所述柔索的两端分别连接在两个所述端横隔板上。