CN113790714A - 一种基于激光位移计的高墩支架位移监测方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种基于激光位移计的高墩支架位移监测方法和系统。该方法包括：基于高墩支架的三维模型，确定高墩支架可能发生位移的多个位移监测点；在多个位移监测点分别安装激光发射器，并在高墩支架上多个位移监测点相对应的桥墩侧壁上设立参考标靶；其中，激光发射器的激光投射点的初始位置正对参考标靶的靶心；根据实时采集的参考标靶上的激光投射点的运动轨迹信息，对高墩支架的位移进行动态监测。籍此，使得对高墩支架的位移的动态监测的整个过程操作简单、可靠，而且成本可控。

Description

一种基于激光位移计的高墩支架位移监测方法和系统
技术领域
本申请涉及桥梁施工技术领域，特别涉及一种基于激光位移计的高墩支架位移监测方法和系统。
背景技术
随着我国交通运输网络的逐步发展与完善，桥梁工程逐步朝山区延伸，建设在山区桥梁的施工更多采用现浇技术。支架承受着混凝土未凝结前整体的全部重量，高墩支架水平位移超过一定的限制直接关系着临时支架系统能否正常施工。
目前，国内外关于高墩支架监测的方法具有实用价值的主要有两种：其一是对支架架体关键部位的位移或应变进行监测的技术方法，如运用摄影测量技术；其二是利用支架自振频率随外力增加而下降的趋势，通过捕捉架体震动特性，掌握架体的几何非线性特征。测量支架位移或应变变化值的在线监测方法较为直观，但对于高墩大跨径桥梁结构的临时钢管支架，应用摄影测量法难以解决曲率矫正与焦距调节间的矛盾，且成本较高；振动测量法易于实现，却与其它动力指纹法所面临的困境相同，即复杂结构的可能损伤对其频率变化的影响并不明显。如何简单直接的对支架架体关键部位位移进行可靠监测是目前面临的主要问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于激光位移计的高墩支架位移监测方法和系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请提供了一种基于激光位移计的高墩支架位移监测方法，包括：基于所述高墩支架的三维模型，确定所述高墩支架可能发生位移的多个位移监测点；在多个所述位移监测点分别安装激光发射器，并在所述高墩支架上多个所述位移监测点相对应的桥墩侧壁上设立参考标靶；其中，所述激光发射器的激光投射点的初始位置正对所述参考标靶的靶心；根据实时采集的所述参考标靶上的所述激光投射点的运动轨迹信息，对所述高墩支架的位移进行动态监测。
优选的，所述基于所述高墩支架的三维模型，确定所述高墩支架可能发生位移的多个位移监测点，具体为：基于所述高墩支架的三维模型，根据所述高墩支架的材料特性、截面特性和边界条件，以及所述高墩支架承受的混凝土箱梁荷载、支架自重荷载、施工荷载和风荷载，确定所述高墩支架可能发生位移的多个所述位移监测点。
优选的，所述基于激光位移计的高墩支架位移监测方法还包括：根据每个所述位移监测点的分级预警阈值，及每个所述位移监测点对应的所述运动轨迹信息，对每个所述位移监测点进行分级预警；其中，每个所述位移监测点的分级预警阈值根据所述高墩支架的设计荷载和极限荷载确定。
优选的，所述参考标靶为间隔1毫米的环形标靶，且分别沿水平方向、垂直方向划分有间距为1毫米的网格。
本申请实施例还提供一种基于激光位移计的高墩支架位移监测系统，包括：激光发射器、所述激光发射器有多个，多个所述激光发射器分别安装于预先确定的所述高墩支架的多个位移监测点处；参考标靶，所述参考标靶有多个，多个所述参考标靶均安装于所述高墩支架的桥墩侧壁上，且分别与多个所述激光发射器一一对应；其中，每个所述激光发射器的激光投射点的初始位置正对相对应的所述参考标靶的靶心；视频采集模块，所述视频采集模块有多个，多个所述视频采集模块均安装于靠近所述高墩支架的桥墩处，且分别与多个所述参考标靶一一对应，并实时采集相对应的所述参考标靶上的所述激光投射点的运动轨迹信息，以对所述高墩支架的位移进行动态监测。
优选的，所述位移监测点有三个，三个所述位移监测点均位于所述高墩支架的箱梁腹板以下；对应的；所述激光发射器有三个，其中，一个所述激光发射器安装于所述高墩支架的最高一联匝道桥近顶端的一根竖直钢管处，其余两个所述激光发射器分别安装于所述高墩支架的最高一联匝道桥近顶端的两根水平钢管处；所述视频采集模块有三个，三个所述视频采集模块分别沿纵桥向安装于靠近所述高墩支架的三个桥墩处。
优选的，所述基于激光位移计的高墩支架位移监测系统还包括：MIWAVE无线传输模块和管控中心，所述视频采集模块通过无线网桥接入所述MIWAVE无线传输模块，所述MIWAVE无线传输模块与所述管控中心通讯连接，以将所述视频采集模块采集的所述运动轨迹信息发送至所述管控中心，由所述管控中心根据所述运动轨迹信息确定所述高墩支架是否发生位移。
优选的，所述管控中心根据每个所述位移监测点预设的分级预警阈值，以及相对应的每个所述位移监测点的所述运动轨迹信息，对相对应的所述位移监测点进行分级预警。
优选的，所述分级预警阈值包括：一级预警阈值和二级预警阈值，所述一级预警阈值为所述位移监测点处所述高墩支架的设计荷载的10％；二级预警阈值为所述位移监测点处所述高墩支架的极限荷载的90％。
与最接近的现有技术相比，本申请实施例的技术方案具有如下有益效果：
本申请提供的技术方案中，首先基于高墩支架的三维模型，对高墩支架进行分析，确定高墩支架上可能发生位移的多个位移监测点；然后，在多个位移监测点处分别安装激光发射器，在高墩支架的桥墩侧壁上相对应设立参考标靶，并使激光发射器的激光投射点的初始位置正对参考标靶的靶心；最后，通过对参考标靶上激光投射点的运动轨迹信息的实时采集，实现高墩支架的位移的动态监测，整个过程操作简单、可靠，而且成本可控。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种基于激光位移计的高墩支架位移监测方法的流程示意图；
图2为根据本申请的一些实施例提供的一跨高墩支架三维模型的示意图；
图3为根据本申请的一些实施例提供的参考标靶的示意图；
图4为根据本申请的一些实施例提供的一种基于激光位移计的高墩支架位移监测系统的结构示意图；
图5为根据本申请的一些实施例提供的一种基于激光位移计的高墩支架位移监测系统的安装示意图；
图6为图5所示实施例中A处的局部放大视图。
附图标记说明：
401-激光发射器；402-参考标靶；403-视频采集模块；404-无线网桥；405-MIWAVE无线传输模块；406-管控中心。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1、图2所示，该基于激光位移计的高墩支架位移监测方法包括：
步骤S101、基于高墩支架的三维模型，确定高墩支架可能发生位移的多个位移监测点；
具体的，基于高墩支架的三维模型，根据高墩支架的材料特性、截面特性和边界条件，以及高墩支架承受的混凝土箱梁荷载、支架自重荷载、施工荷载和风荷载，确定高墩支架可能发生位移的多个位移监测点。
在本申请实施例中，以实际工程中的一跨钢管支架(高墩支架)为例进行说明。首先，建立一跨钢管支架的三维有限元模型(三维模型)，根据实际工程中钢管支架各构件所采用的材料特性、截面特性对三维模型进行参数设定，并根据现场工程概况在三维有限元模型中添加边界条件；按照桥梁、钢结构施工的规范要求对钢管支架施加荷载，主要包括：混凝土箱梁荷载、支架自重荷载、施工荷载和风荷载。
在本申请实施例中，钢管支架的构件包括：贝雷梁顶部的竹胶板(虚拟板)、管形截面(P)的连接杆、双槽钢截面(2C10)的加强竖杆、背对背布置的双槽钢截面的弦杆、工字钢截面(H)的竖杆、角钢截面(L)的支撑架、管形截面(P)的钢管、14号工字钢(I 14)、3拼45a号工字钢、箱型截面(B)的连墙杆件A、双槽钢截面(2C10)的连墙杆件B。其中，加强竖杆、弦杆和支撑架共同组成贝雷梁。各构件的截面特性如表1所示，表1如下：
表1构件截面特性表
Figure BDA0003285581830000051
在本申请实施例中，各构件的材料特性如表2所示，表2如下：
表2构件的材料特性表
Figure BDA0003285581830000052
Figure BDA0003285581830000061
在此，需要说明的是，钢管支架的各构件均采用Q235钢。
在本申请实施例中，高墩支架的钢管立柱的底部与桥梁基础刚性连接的，且桥梁基础为独立桩基础，并且为端部承压型桩，因而，在三维有限元模型中添加的边界条件时，限制三维模型桩钢管立柱模型在XYZ方向上的平动和转动；高墩支架的钢管立柱附着在桥墩上的，其连接方式为弹性连接，在三维有限元模型中添加边界条件时，限制三维模型中钢管立柱模型在XYZ方向上的平动，而不限制其在XYZ方向上的转动。
通过对钢管支架的三维有限元模型的应力应变分析，从三维有限元模型的应力应变云图中确定钢管支架可能发生较大位移的关键部位，作为高墩支架的位移监测点。
步骤S102、在多个位移监测点分别安装激光发射器，并在高墩支架上多个位移监测点相对应的桥墩侧壁上设立参考标靶；其中，激光发射器的激光投射点的初始位置正对参考标靶的靶心；
在本申请实施例中，根据钢管支架分析得到的应力应变云图，找到钢管支架可能发生较大位移的部位，并在这些部位固定安装激光发射器，在位移监测点对应的桥墩侧壁上设置参考标靶，使激光发射器的激光投射点的初始位置正对参考标靶的靶心。籍此，在高墩支架位移监测点处发生位移变化时，激光发射器将会随之产生位移，激光发射器在参考标靶上的激光投射点将会随之变化，偏离参考标靶的靶心。
步骤S103、根据实时采集的参考标靶上的激光投射点的运动轨迹信息，对高墩支架的位移进行动态监测。
在本申请实施例中，通过实时采集激光投射点在参考标靶上的运动轨迹信息，以参考标靶的中心(激光投射点的初始位置)为坐标原点，即可实时分析处激光发射器与参考标靶的中心之间的位移。如果激光发射器与参考标靶的中心之间存在位移变化，则说明高墩支架具有位移；如果激光发射器与参考标靶的中心之间不存在位移变化，则说明高墩支架没有位移。籍此，简单直观、准确的实现对高墩支架位移的动态监测。
在一些可选实施例中，基于激光位移计的高墩支架位移监测方法还包括：根据高墩支架的设计荷载和极限荷载，确定每个位移监测点的分级预警阈值；并根据每个位移监测点的分级预警阈值，以及每个位移监测点对应的运动轨迹信息，对每个位移监测点进行分级预警。籍此，通过钢管支架的设计荷载和极限荷载确定每个位移监测点的多级预警阈值，实现钢管支架位移的分级、分目标预警。
在一些可选实施例中，参考标靶为间隔1毫米的环形标靶，且分别沿水平方向(横向、x轴方向)、垂直方向(纵向、y轴方向)划分有间距为1毫米的网格，如图3所示。当激光投射点位于横向、纵向网格线的交点时，可快速的确定出激光投射点与参考标靶中心的横向距离、纵向距离，对应的，就是高墩支架的位移监测点与参考标靶中心的横向位移、纵向位移。当激光投射点没有处于横向、纵向网格线的交点时，采用内插方法计算出位移监测点与参考标靶中心的横向位移、纵向位移。
本申请实施例还提供一种基于激光位移计的高墩支架位移监测系统，如图4、图5、图6所示，该基于激光位移计的高墩支架位移监测系统包括：激光发射器401、参考标靶402和视频采集模块403；激光发射器401有多个，多个激光发射器401分别安装于预先确定的高墩支架的多个位移监测点处；参考标靶402有多个，多个参考标靶402均安装于高墩支架的桥墩侧壁上，且分别与多个激光发射器401一一对应；其中，每个激光发射器401的激光投射点的初始位置正对相应的参考标靶402的靶心；视频采集模块403有多个，多个视频采集模块403均安装于靠近高墩支架的桥墩处，且分别与多个参考标靶402一一对应，并实时采集相对应的参考标靶402上的激光投射点的运动轨迹信息，以对高墩支架的位移进行动态监测。
在本申请实施例中，通过对高墩支架的三维模型进行有限元分析，从高墩支架的三维模型的应力应变云图上确定高墩支架可能发生较大位移的点，并在这些点出固定安装激光发射器401。具体的，位移监测点有三个，三个位移监测点均位于高墩支架的箱梁腹板以下；对应的，激光发射器401有三个，其中，一个激光发射器401安装于高墩支架的最高一联匝道桥近顶端的一水平钢管处(三维模型的应力应变云图中位移较大的点)，两个激光发射器401分别安装于高墩支架的最高一联匝道桥近顶端的两水平钢管处(三维模型的应力应变云图中位移较大的点)；相应的，视频采集模块403有三个，三个视频采集模块403分别沿纵桥向(钢管支架两跨的延伸方向)安装于靠近高墩支架的三个桥墩处。
在一些可选实施例中，基于激光位移计的高墩支架位移监测系统还包括：MIWAVE无线传输模块405和管控中心406，其中，视频采集模块403通过无线网桥404接入MIWAVE无线传输模块405，MIWAVE无线传输模块405与管控中心406通讯连接，以将视频采集模块403采集的运动轨迹信息发送至管控中心406，由管控中心406根据运动轨迹信息确定高墩支架是否发生位移。
在本申请实施例中，视频采集模块403(比如：摄像头)实时追踪激光投射点的运动轨迹，进行视频采集；并将采集的视频通过无线网桥404接入MIWAVE无线传输模块405，由MIWAVE无线传输模块405将采集的视频(运动轨迹信息)汇总发送至管控中心406，从而方便施工安全管理人员实时动态查看钢管支架关键部位的位移状况。在此，需要说明的是，由于钢管支架通常为多跨延伸，因而，对每个视频采集模型均对应设置一个无线网桥404，实现视频信号(运动轨迹信息)的高效传输，并通过MIWAVE无线传输模块405对采集的视频进行汇总发送给管控中心406，进一步提高视频信号传输效率和稳定性。
在一具体的例子中，管控中心406根据每个位移监测点预设的分级预警阈值，以及相对应的每个位移监测点的运动轨迹信息，对相应的位移监测点进行分级预警。进一步的，分级预警阈值包括：一级预警阈值和二级预警阈值，一级预警阈值为位移监测点处高墩支架的设计荷载的10％；二级预警阈值为位移监测点处高墩支架的极限荷载的90％。
在本申请实施例中，通过对高墩支架的位移监测点进行分目标、分级预警，有效提高高墩支架的监控效果，以便针对不同的预警级别采取不同的应对措施。
在本申请实施例中，通过建立的高墩支架的有限元模型计算分析高墩支架可能发生较大位移的关键部位，确定高墩支架上位移监测预警值(分级预警阈值)；进而，在高墩支架可能发生较大位移的关键部位布置激光发射器401，通过激光发射器401发射的激光在桥墩侧壁的参考标靶402内轨迹变化，确定高墩支架关键部位的水平方向的位移和竖直方向的位移，从事实现对高墩支架的动态监测与倒塌预警。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于激光位移计的高墩支架位移监测方法，其特征在于，包括：
基于所述高墩支架的三维模型，确定所述高墩支架可能发生位移的多个位移监测点；
在多个所述位移监测点分别安装激光发射器，并在所述高墩支架上多个所述位移监测点相对应的桥墩侧壁上设立参考标靶；其中，所述激光发射器的激光投射点的初始位置正对所述参考标靶的靶心；
根据实时采集的所述参考标靶上的所述激光投射点的运动轨迹信息，对所述高墩支架的位移进行动态监测。
2.根据权利要求1所述的基于激光位移计的高墩支架位移监测方法，其特征在于，所述基于所述高墩支架的三维模型，确定所述高墩支架可能发生位移的多个位移监测点，具体为：
基于所述高墩支架的三维模型，根据所述高墩支架的材料特性、截面特性和边界条件，以及所述高墩支架承受的混凝土箱梁荷载、支架自重荷载、施工荷载和风荷载，确定所述高墩支架可能发生位移的多个所述位移监测点。
3.根据权利要求1所述的基于激光位移计的高墩支架位移监测方法，其特征在于，所述基于激光位移计的高墩支架位移监测方法还包括：
根据每个所述位移监测点的分级预警阈值，及每个所述位移监测点对应的所述运动轨迹信息，对每个所述位移监测点进行分级预警；其中，每个所述位移监测点的分级预警阈值根据所述高墩支架的设计荷载和极限荷载确定。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于激光位移计的高墩支架位移监测方法，其特征在于，所述参考标靶为间隔1毫米的环形标靶，且分别沿水平方向、垂直方向划分有间距为1毫米的网格。
5.一种基于激光位移计的高墩支架位移监测系统，其特征在于，包括：
激光发射器，所述激光发射器有多个，多个所述激光发射器分别安装于预先确定的所述高墩支架的多个位移监测点处；
参考标靶，所述参考标靶有多个，多个所述参考标靶均安装于所述高墩支架的桥墩侧壁上，且分别与多个所述激光发射器一一对应；其中，每个所述激光发射器的激光投射点的初始位置正对相对应的所述参考标靶的靶心；
视频采集模块，所述视频采集模块有多个，多个所述视频采集模块均安装于靠近所述高墩支架的桥墩处，且分别与多个所述参考标靶一一对应，并实时采集相对应的所述参考标靶上的所述激光投射点的运动轨迹信息，以对所述高墩支架的位移进行动态监测。
6.根据权利要求5所述的基于激光位移计的高墩支架位移监测系统，其特征在于，所述位移监测点有三个，三个所述位移监测点均位于所述高墩支架的箱梁腹板以下；
对应的；
所述激光发射器有三个，其中，一个所述激光发射器安装于所述高墩支架的最高一联匝道桥近顶端的一根竖直钢管处，其余两个所述激光发射器分别安装于所述高墩支架的最高一联匝道桥近顶端的两根水平钢管处；
所述视频采集模块有三个，三个所述视频采集模块分别沿纵桥向安装于靠近所述高墩支架的三个桥墩处。
7.根据权利要求5所述的基于激光位移计的高墩支架位移监测系统，其特征在于，还包括：MIWAVE无线传输模块和管控中心，
所述视频采集模块通过无线网桥接入所述MIWAVE无线传输模块，所述MIWAVE无线传输模块与所述管控中心通讯连接，以将所述视频采集模块采集的所述运动轨迹信息发送至所述管控中心，由所述管控中心根据所述运动轨迹信息确定所述高墩支架是否发生位移。
8.根据权利要求7所述的基于激光位移计的高墩支架位移监测系统，其特征在于，
所述管控中心根据每个所述位移监测点预设的分级预警阈值，以及相对应的每个所述位移监测点的所述运动轨迹信息，对相对应的所述位移监测点进行分级预警。
9.根据权利要求8所述的基于激光位移计的高墩支架位移监测系统，其特征在于，所述分级预警阈值包括：一级预警阈值和二级预警阈值，所述一级预警阈值为所述位移监测点处所述高墩支架的设计荷载的10％；二级预警阈值为所述位移监测点处所述高墩支架的极限荷载的90％。
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