CN114252283A - 中小跨径桥梁全寿命的安全监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中小跨径桥梁全寿命的安全监测系统和方法。首先，通过剖析环境温度效应对桥梁安全监测信息的影响规律，构建监测信息受环境温度影响的数学模型；然后，基于中小跨径桥梁的活载特征，构建中小跨桥梁安全监测的阈值体系和评估方法；最后，基于扣除环境温度影响的监测信息与阈值体系的关系，判别中小跨径桥梁的安全状态。本申请适用于中小跨径桥梁安全监测信息的识别，能有效去除干扰信息，提高监测信息的可靠度和监测效率；通过基于中小跨径桥梁特征的阈值设定，实现有效预警，可对中小跨径桥梁大面积推广，能有效降低管养压力；可实现远程遥控、可视化，成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁安全监测技术领域，尤其涉及一种中小跨径桥梁全寿命的安全监测系统和方法。
背景技术
中小跨度的桥梁结构有变形较小、刚度较大的特点，在公路桥梁中数量众多，在高速铁路行业中也得到了广泛应用。桥梁的安全状态是社会各界关注的重大问题，有效的检查维护和安全监测对于及时掌握桥梁技术和安全状况，以便有针对性的采取应对措施具有重要意义。中小跨径桥梁在重要性、社会影响、结构受力特点、安全事故出现的频次等方面都与目前广受关注的大型斜拉桥、悬索桥等存在明显差异。对于大量在役中小跨桥梁，如果缺乏系统科学的管养手段和方法将会缩短桥梁的使用寿命，甚至引发由于桥梁严重病害没有及时发现而导致重大安全事故的发生。目前国内对中、小跨径桥梁的安全与安全监测实践及经验还比较少，直接移植大跨径桥梁安全监测系统构建方法存在成本太高、技术上不完全适合等问题。
因此，亟需一种适用于中小跨径桥梁的全寿命的安全监测系统和安全监测方法。
发明内容
本申请提供一种中小跨径桥梁全寿命的安全监测方法，所述方法包括以下步骤：
S1：从原始监测信息中获取无活载下目标桥梁的监测信息，所述监测信息包括应力、挠度等；
S2：构建监测信息受环境温度影响的数学模型，所述温度影响的数学模型包括太阳辐射的影响和环境整体升降温的影响；
所述太阳辐射的影响采用如下方法确定：
Y＝6.312+X0+1.113X1-18.562X2+0.47X3 0≤X1＜1.6 (1)
Y＝7.5+X0-18.75X2+0.498X3 X1≥1.6 (2)
其中：Y表示梁体测点的温度值/℃，X0表示环境温度/℃，X1表示梁体测点到辐射表面的距离/m，X2表示测点所在区域构件的厚度/m，X3表示太阳辐射引起的梁体混凝土表面和内部温差/℃；
所述环境整体升降温的影响采用如下方法确定：
Y＝-1.324+X0+0.523X1+0.0674X2-0.1195X3 (3)
其中：Y表示梁体测点的温度值/℃，X0表示环境温度/℃，X1表示环境整体升降温引起的梁体外部和内部的温差/℃，X2表示测点所在区域构件的厚度 /mm，X3表示梁体测点到表面的距离/mm；
S3：通过有限元方法构建目标桥梁的有限元模型，利用S2所述数学模型获取梁截面的真实温度梯度，计入有限元模型后，可得温度对目标桥梁影响的理论计算值；
S4：利用S3所建的目标桥梁的有限元模型，获取最不利活载作用下的应力和挠度；
S5：根据实际监测数据，扣除S3所得温度影响值，即为活载作用下的监测信息；
S6：构建目标桥梁四级阈值，所述四级阈值包括一级阈值、二级阈值、三级阈值和四级阈值；
所述一级阈值采用如下方法确定：
Z1，y＝0·4·μ·α·γ·Zj (4)
所述二级阈值采用如下方法确定：
Z2y＝0.7·μ·α·γ·Zj (5)
所述三级阈值采用如下方法确定：
Z3y＝1.0·μ·α·γ·Zj (6)
所述四级阈值采用如下方法确定：
Z4y＝1.0·μ·γ·Zj (7)
其中，Ziy表示相应等级的预警阈值，i取1、2、3、4可表示相应等级应力或挠度响应值，μ表示冲击系数，α表示校验系数，γ表示数据完整性系数，Zj表示S4计算所得应力或挠度；
将S4所得理论值代入上述四级阈值公式，可得相应等级预警阈值；
S7：将S5所得数据与S6所得预警阈值做比较，由此可判定目标桥梁实际安全状况。
相应地，本申请还提供一种中小跨径桥梁全寿命的安全监测系统，所述中小跨径桥梁全寿命的安全监测方法，其特征在于：所述系统包括信息采集子系统、通信子系统、第一服务器和第二服务器，所述第一服务器用于数据处理与控制，所述第二服务器用于结构健康诊断，所述信息采集子系统经所述通信子系统将采集信息传输至第一服务器，所述第一服务器与所述第二服务器通信连接；
所述信息采集子系统包括应力传感器、距离传感器和温度传感器。
进一步，所述系统还包括存储器，所述存储器与所述第一服务器通信连接，所述服务器与所述第二服务器通信连接。
进一步，所述系统还包括显示器，所述显示器与所述第二服务器输出端连接。
在监测结构的运营状态时，通过荷载输入和结构响应判断结构是否处于正常使用极限状态内，是否即将达到或超越服役极限状态(SLS，Serviceability Limit State，此状态下加载或卸载对结构不会产生任何结构损伤。但当荷载超越SLS指标时，结构构件则有可能产生结构损伤)。为及时提供结构状态信息，指导维修养护措施实施，尽量减少结构达到SLS状态的可能，保障结构健康正常运行，需要建立预警报警体系，判断结构状态，对发生的可能威胁到桥梁结构安全状况的情况进行预警，提供报警信号，提醒管养人员关注结构运营安全状况，及时进行维修养护，并根据需要启动评估机制以确定结构是否处于安全状态。有鉴于此，本发明提供一种中小跨径桥梁全寿命的安全监测系统和方法。
本发明的有益技术效果：
本申请适用于中小跨径桥梁安全监测信息的有效识别，能有效去除干扰信息，提高监测信息的可靠度，提高监测效率。本申请采用适用于中小跨径桥梁特征的阈值设定方法，建立结构安全判别体系，更能实现有效预警。本申请造价低，可对中小跨径桥梁大面积推广。本申请满足与中小跨径桥梁的结构及受力特点，能有效降低管养压力。本申请可实现远程遥控、可视化，能降低人工成本。本申请能够整合所有与项目相关的设计、施工、养护、巡检及加固等资料，利于管养单位进行科学管养和维护。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为40mT梁跨中活载和正温差位移图。
图2为40mT梁跨中活载和负温差位移图。
图3正温差效应T梁跨中截面上下缘应力监测偏差示例图。
图4为预警报警流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：
本发明的目的是提供一种中小跨径桥梁全寿命的安全监测方法，所述方法包括以下步骤：
S1：从原始监测信息中获取无活载下目标桥梁的监测信息，所述监测信息包括应力、挠度等；
S2：构建监测信息受环境温度影响的数学模型，所述温度影响的数学模型包括太阳辐射的影响和环境整体升降温的影响；
所述太阳辐射的影响采用如下方法确定：
Y＝6.312+X0+1.113X1-18.562X2+0.47X3 0≤X1＜1.6 (1)
Y＝7.5+X0-18.75X2+0.498X3 X1≥1.6 (2)
其中：Y表示梁体测点的温度值/℃，X0表示环境温度/℃，X1表示梁体测点到辐射表面的距离/m，X2表示测点所在区域构件的厚度/m，X3表示太阳辐射引起的梁体混凝土表面和内部温差/℃；
所述环境整体升降温的影响采用如下方法确定：
Y＝-1.324+X0+0.523X1+0.0674X2-0.1195X3 (3)
其中：Y表示梁体测点的温度值/℃，X0表示环境温度/℃，X1表示环境整体升降温引起的梁体外部和内部的温差/℃，X2表示测点所在区域构件的厚度 /mm，X3表示梁体测点到表面的距离/mm；
S3：通过有限元方法构建目标桥梁的有限元模型，利用S2所述数学模型获取梁截面的真实温度梯度，计入有限元模型后，可得温度对目标桥梁影响的理论计算值；
S4：利用S3所建的目标桥梁的有限元模型，获取最不利活载作用下的应力和挠度；
S5：根据实际监测数据，扣除S3所得温度影响值，即为活载作用下的监测信息；
S6：构建目标桥梁四级阈值，所述四级阈值包括一级阈值、二级阈值、三级阈值和四级阈值；
所述一级阈值采用如下方法确定：
Z1y＝0.4·μ·α·γ·Zj (4)
所述二级阈值采用如下方法确定：
Z2y＝0.7·μ·α·γ·Zj (5)
所述三级阈值采用如下方法确定：
Z3y＝1.0·μ·α·γ·Zj (6)
所述四级阈值采用如下方法确定：
Z4y＝1.0·μ·γ·Zj (7)
其中，Ziy表示相应等级的预警阈值，i取1、2、3、4可表示相应等级应力或挠度响应值，μ表示冲击系数，α表示校验系数，γ表示数据完整性系数，Zj表示S4计算所得应力或挠度；
将S4所得理论值代入上述四级阈值公式，可得相应等级预警阈值；
S7：将S5所得数据与S6所得预警阈值做比较，由此可判定目标桥梁实际安全状况。
相应地，本申请还提供一种中小跨径桥梁全寿命的安全监测系统，所述系统适用于权利要求1所述中小跨径桥梁全寿命的安全监测方法，其特征在于：所述系统包括信息采集子系统、通信子系统、第一服务器和第二服务器，所述第一服务器用于数据处理与控制，所述第二服务器用于结构健康诊断，所述信息采集子系统经所述通信子系统将采集信息传输至第一服务器，所述第一服务器与所述第二服务器通信连接；
所述信息采集子系统包括应力传感器、距离传感器和温度传感器。
在本实施例中，所述系统还包括存储器，所述存储器与所述第一服务器通信连接，所述服务器与所述第二服务器通信连接。
在本实施例中，所述系统还包括显示器，所述显示器与所述第二服务器输出端连接。
在监测结构的运营状态时，通过荷载输入和结构响应判断结构是否处于正常使用极限状态内，是否即将达到或超越服役极限状态(SLS，Serviceability Limit State，此状态下加载或卸载对结构不会产生任何结构损伤。但当荷载超越 SLS指标时，结构构件则有可能产生结构损伤)。为及时提供结构状态信息，指导维修养护措施实施，尽量减少结构达到SLS状态的可能，保障结构健康正常运行，需要建立预警报警体系，判断结构状态，对发生的可能威胁到桥梁结构安全状况的情况进行预警，提供报警信号，提醒管养人员关注结构运营安全状况，及时进行维修养护，并根据需要启动评估机制以确定结构是否处于安全状态。有鉴于此，本发明提供一种中小跨径桥梁全寿命的安全监测系统和方法。
一种剔除干扰信息(温度)的活载作用下的桥梁全寿命安全监测系统，图 1，图2说明，温度作用下，会影响桥梁的实际竖向位移，如不剔除温度的影响，则不能准确判断桥梁的安全状态，存在安全隐患；图3说明，温度作用下，桥梁实际所受应力值与监测所得应力值存在一定误差；图4说明，通过对不同活载下应力、挠度值的理论计算，得出相应活载下不同等级的预警阈值，输入监测系统，利用监测系统对目标桥梁进行监测，获得除去温度影响得结构响应值，最终，得出目标桥梁的安全等级。根据目标桥梁的安全等级，采取相应的人工处治措施。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种中小跨径桥梁全寿命的安全监测方法，所述方法包括以下步骤：
S1：从原始监测信息中获取无活载下目标桥梁的监测信息，所述监测信息包括应力、挠度等；
S2：构建监测信息受环境温度影响的数学模型，所述温度影响的数学模型包括太阳辐射的影响和环境整体升降温的影响；
所述太阳辐射的影响采用如下方法确定：
Y＝6.312+X0+1.113X1-18.562X2+0.47X3 0≤X1＜1.6 (1)
Y＝7.5+X0-18.75X2+0.498X3 X1≥1.6 (2)
其中：Y表示梁体测点的温度值/℃，X0表示环境温度/℃，X1表示梁体测点到辐射表面的距离/m，X2表示测点所在区域构件的厚度/m，X3表示太阳辐射引起的梁体混凝土表面和内部温差/℃；
所述环境整体升降温的影响采用如下方法确定：
Y＝-1.324+X0+0.523X1+0.0674X2-0.1195X3 (3)
其中：Y表示梁体测点的温度值/℃，X0表示环境温度/℃，X1表示环境整体升降温引起的梁体外部和内部的温差/℃，X2表示测点所在区域构件的厚度/mm，X3表示梁体测点到表面的距离/mm；
S3：通过有限元方法构建目标桥梁的有限元模型，利用S2所述数学模型获取梁截面的真实温度梯度，计入有限元模型后，可得温度对目标桥梁影响的理论计算值；
S4：利用S3所建的目标桥梁的有限元模型，获取最不利活载作用下的应力和挠度；
S5：根据实际监测数据，扣除S3所得温度影响值，即为活载作用下的监测信息；
S6：构建目标桥梁四级阈值，所述四级阈值包括一级阈值、二级阈值、三级阈值和四级阈值；
所述一级阈值采用如下方法确定：
Z1y＝0.4·μ·α·γ·Zj (4)
所述二级阈值采用如下方法确定：
Z2y＝0.7·μ·α·γ·Zj (5)
所述三级阈值采用如下方法确定：
Z3y＝1.0·μ·α·γ·Zj (6)
所述四级阈值采用如下方法确定：
Z4y＝1.0·μ·γ·Zj (7)
其中，Ziy表示相应等级的预警阈值，i取1、2、3、4可表示相应等级应力或挠度响应值，μ表示冲击系数，α表示校验系数，γ表示数据完整性系数，Zj表示S4计算所得应力或挠度；
将S4所得理论值代入上述四级阈值公式，可得相应等级预警阈值；
S7：将S5所得数据与S6所得预警阈值做比较，由此可判定目标桥梁实际安全状况。
2.一种中小跨径桥梁全寿命的安全监测系统，所述系统适用于权利要求1所述中小跨径桥梁全寿命的安全监测方法，其特征在于：所述系统包括信息采集子系统、通信子系统、第一服务器和第二服务器，所述第一服务器用于数据处理与控制，所述第二服务器用于结构健康诊断，所述信息采集子系统经所述通信子系统将采集信息传输至第一服务器，所述第一服务器与所述第二服务器通信连接；
所述信息采集子系统包括应力传感器、距离传感器和温度传感器。
3.根据权利要求2所述中小跨径桥梁全寿命的安全监测系统，其特征在于：所述系统还包括存储器，所述存储器与所述第一服务器通信连接，所述服务器与所述第二服务器通信连接。
4.根据权利要求2所述中小跨径桥梁全寿命的安全监测系统，其特征在于：所述系统还包括显示器，所述显示器与所述第二服务器输出端连接。
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