CN114323510B - 一种简支梁桥挠度快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了工程检测技术领域的一种简支梁桥挠度快速检测方法，包括：利用安装在桥梁底部跨中位置的应变传感器采集车辆经过桥梁时的跨中应变时程响应；采用小波变换的方法过滤跨中应变时程响应的高频振动信号，得到准静态响应；将准静态响应转换成桥梁跨度方向的换算应变分布；将换算应变分布输入考虑误差修正的应变‑挠度计算公式计算等效静力挠度。本发明通过在桥梁底部跨中位置安装一个应变传感器，采集车辆交通荷载通过桥梁的结构应变时程响应，实现桥梁跨中等效静力挠度快速测量，本发明理论清晰，技术装置简单，成本低，适用于中小跨桥梁的挠度快速检测或监测。

Description

一种简支梁桥挠度快速检测方法

技术领域

本发明涉及一种简支梁桥挠度快速检测方法，属于工程检测技术领域。

背景技术

因其施工方便、管理维护造价低、受力合理等优点，简支梁桥广泛应用于公路交通。但是，在交通荷载和环境的长期作用下，出现了各种病害，如梁板开裂、铰缝破损等，影响了桥梁正常使用甚至安全运营。同时，考虑到简支梁桥数量庞大，故对桥梁实施快速检测显得尤为重要。

挠度是反映桥梁健康状况的关键参数，同时也是评价结构状态的最直观、最重要的指标。目前，测量挠度的方法主要有位移计法、GPS法、激光图像法、连通管法、应变传感器法等，这些方法各有其优点，但也存在一些不足：位移计法需要在桥底架设位移计，受环境因素制约；GPS不受大气环境影响，布设简单，但精度较低，不适用于中小跨桥梁；激光图像法精度高，但设备成本高，其精度受限于测量距离；液体连通管法简单，但长期性能差；应变传感器法主要是通过测量桥梁的应变分布来计算挠度，受环境限制因素少，但需要传感器数量多，后期维护成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种简支梁桥挠度快速检测方法，通过在桥梁关键位置安装一个应变传感器，采集车辆交通荷载作用下结构动态应变响应，即可反演桥梁的挠度。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

利用安装在桥梁底部跨中位置的应变传感器采集车辆经过桥梁时的跨中应变时程响应；

采用小波变换的方法过滤跨中应变时程响应的高频振动信号，得到准静态响应；

将准静态响应转换成桥梁跨度方向的换算应变分布；

将换算应变分布输入考虑误差修正的应变-挠度计算公式计算等效静力挠度。

进一步的，将准静态响应转换成桥梁跨度方向的换算应变分布，包括：获取指定时刻车辆在换算应变分布时所对应的空间位置，将该指定时刻的应变时程响应标记为包含该时刻空间位置的应变时程响应，得到桥梁跨度方向的换算应变分布，表达式为：

其中，t为时间，P₁和P₂分别为车辆的前后轴轴重，m为轴距，x(t)为t时刻车辆在换算应变分布时所对应的空间位置，v为行驶速度。

进一步的，考虑误差修正的应变-挠度计算公式表示为：

其中，Δ为等效静力挠度，ε(x)为换算应变分布，

为考虑误差修正后的修正虚弯矩，y为应变传感器到中和轴的距离。

进一步的，考虑误差修正后的修正虚弯矩为：

x＝x(t)

为考虑误差修正后的修正虚弯矩，

为单位荷载作用在简支梁跨中时梁位置x处的虚弯矩，L为简支梁桥的跨度；α、β分别为前、后轴轴重分配系数。

进一步的，前、后轴轴重分配系数为：

其中，α、β分别为前、后轴轴重分配系数。

进一步的，所述应变传感器为长标距应变传感器，其标距大小为50cm-200cm且采样频率不低于50Hz。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

1、本发明可在交通荷载下利用应变测量实现简支梁桥静力挠度快速测量或监测，大幅降低了对交通的影响，提高了检测或监测的便利性和安全性；

2、本发明需要非常少的传感器，并且测量精度高，节约成本，使用方便，是桥梁挠度快速检测的新方法，为所有中小跨桥梁实施科学检测、科学评估和科学管养，提供了科学依据，具有重要的社会和经济效益。

附图说明

图1是本发明实施例提供的车辆荷载通过简支板梁桥过程示意图；

图2是本发明实施例提供的车辆荷载反向静置于跨中位置的示意图；

图3是本发明实施例提供的简支板梁桥的有限元模型示意图；

图4是本发明实施例提供的去噪前后应变分布曲线对比图；

图5是本发明实施例提供的换算应变分布和静载应变分布曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例：

简支梁桥是典型的简支梁结构，图1显示了当有车辆(一般车辆为双轴荷载，这里采用双轴车载进行验证)通过桥梁时的五个阶段：(a)车辆前轴作用在梁上，后轴没有作用在梁上；(b)车辆前后轴都作用在梁上，且前轴没有超过跨中位置；(c)车辆前后轴都作用在梁上，前轴超过跨中位置且后轴没有超过跨中位置；(d)车辆前后轴都作用在梁上，前后轴均超过跨中位置；(e)车辆后轴作用在梁上，前轴没有作用在梁上。

假设其行驶速度为v，前轴轴重为P₁，后轴轴重为P₂，轴距为m，简支梁桥的跨度为L，应变传感器到中和轴的距离为y，弹性模量为E，惯性矩为I。在梁底跨中位置安装一个长标距应变传感器，测量车辆通过(假定为匀速)桥梁时的梁底跨中位置应变时程曲线(以前轴刚作用在桥上的时刻作为初始时刻)：

其中，ε_跨中(t)为t时刻的梁底跨中应变时程响应，M_跨中(t)为t时刻的跨中弯矩，表达式为：

通常，测得的应变时程响应包含桥梁振动和噪声信号，利用小波变换的方法过滤掉应变时程响应中高频振动噪声，将振动和噪声信号剔除。

将处理后的跨中应变时程响应转换成桥梁跨度方向的空间应变分布，即换算应变分布。车辆轴重合力在桥梁上的作用位置x(t)可用时间t表示出来，即

为了表达简洁，记

则换算应变分布可由公式(1)表示为：

其中，M(x(t))为车辆经过桥梁第t时刻位置x(t)的换算弯矩，可由公式(2)表示为：

将前后轴轴重反向(前后轴位置颠倒)静置于跨中附近(如图2所示)，且前后轴的合力作用点位于跨中位置。此时整个桥梁的静载应变分布ε(x)表示为：

其中，静载弯矩分布M(x)可表示为：

比较公式(4)和(6)，可以发现当x＝x(t)且x∈[αm,L-βm]时，跨中位置的换算弯矩分布M(x(t))与静载弯矩分布M(x)完全一致。当传感器的标距较大时，可忽略裂缝等引起的刚度和中和轴位置变化，因此，公式(3)和(5)计算的应变也相等，即ε(x(t))＝ε(x)。因此，在位置x的应变可用应变时程上的ε(x(t))来等效，即获得换算应变。

在经典结构力学理论中，挠度可由应变积分获得，即

由于ε(x(t))＝ε(x)仅在x∈[αm,L-βm]范围内满足，为了使换算应变分布和静载应变分布计算出的挠度一致，则需在剩余积分范围内的计算结果也相同。

静载应变分布ε(x)在剩余积分范围内的挠度计算式为：

其中，单位荷载作用在跨中的虚弯矩

可表示为：

换算应变分布ε(x(t))在误差段的等效静力挠度计算式为：

当x∈[0,αm]且x＝x(t)时：

当x∈[L-βm,L]且x＝x(t)时：

将公式(9)中的换算应变分布的虚拟弯矩

采用公式(10)中的

分段表示，即可消除误差，提高精度：

基于以上分析，本发明的一种简支梁桥挠度快速检测方法，包括以下过程：

第一步，在简支梁底跨中位置安装一支应变传感器，应变传感器采用长标距应变传感器，标距大小为50cm-200cm，以适应混凝土结构的不均匀性，且优选光纤光栅传感器，采样频率不低于50Hz；

第二步，用应变传感器采集车辆经过桥梁的应变时程响应；

第三步，采用小波变换的方法过滤应变时程响应的高频振动信号；

第四步，将处理后的跨中应变时程响应转换成桥梁跨度方向的空间应变分布，即换算应变分布，通过公式

其中t为时间，P₁和P₂分别为车辆的前后轴轴重，m为轴距，x(t)为t时刻车辆在换算应变分布时所对应的空间位置，v为行驶速度；将应变时程响应ε(t)转换成关于空间位置的应变分布ε(x(t))，相当于车辆轴重合力作用在跨中的应变分布，记为换算应变分布；

第五步，建立考虑误差修正的应变-挠度计算公式，公式为：

x＝x(t)

其中，Δ为等效静力挠度，即车辆轴重合力作用在跨中时的跨中挠度，ε(x)为换算应变分布，

为考虑误差修正后的修正虚弯矩，y为应变传感器到中和轴的距离，

为单位荷载作用在简支梁跨中时梁位置x处的虚弯矩，L为简支梁桥的跨度；α、β分别为前、后轴轴重分配系数；

第六步，将换算应变分布输入应变-挠度计算公式计算等效静力挠度。

下面利用有限元模拟算例验证该方法的精度：建立一座简支板梁桥(图3)，跨度20m，该桥由12块预制空心板构成，中间通过铰缝连接，空心板和铰缝均采用实体单元，梁板采用C40，铰缝采用C30，双轴车辆的前轴位置重25kN，后轴位置重100kN，轴距m为4m，行驶速度v为30km/h，车道位于6#板。

如图4所示，去噪前应变时程响应有很明显的振动噪声，经过小波去噪后，高频噪声基本被剔除，只剩准静态响应，小波变换去噪为现有技术中的去噪方法，本实施例在此不在赘述。从图5可以看出：6#板的换算应变分布与静载应变分布的曲线基本重合，且换算应变分布和静载应变分布计算出的挠度基本相等，两者与实际挠度的误差分别仅有-0.05％和0.00％，进一步验证了该方法具有较高的精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种简支梁桥挠度快速检测方法，其特征是，包括：

利用安装在桥梁底部跨中位置的应变传感器采集车辆经过桥梁时的跨中应变时程响应；

采用小波变换的方法过滤跨中应变时程响应的高频振动信号，得到准静态响应；

将准静态响应转换成桥梁跨度方向的换算应变分布；

将换算应变分布输入考虑误差修正的应变-挠度计算公式计算等效静力挠度；

将准静态响应转换成桥梁跨度方向的换算应变分布，包括：获取指定时刻车辆在换算应变分布时所对应的空间位置，将该指定时刻的应变时程响应标记为包含该时刻空间位置的应变时程响应，得到桥梁跨度方向的换算应变分布，表达式为：

其中，t为时间，P₁和P₂分别为车辆的前后轴轴重，m为轴距，x(t)为t时刻车辆在换算应变分布时所对应的空间位置，v为行驶速度；

考虑误差修正的应变-挠度计算公式表示为：

其中，Δ为等效静力挠度，ε(x)为换算应变分布，

为考虑误差修正后的修正虚弯矩，y为应变传感器到中和轴的距离；

考虑误差修正后的修正虚弯矩为：

x＝x(t)

为考虑误差修正后的修正虚弯矩，

为单位荷载作用在简支梁跨中时梁位置x处的虚弯矩，L为简支梁桥的跨度；α、β分别为前、后轴轴重分配系数。

2.根据权利要求1所述的简支梁桥挠度快速检测方法，其特征是，前、后轴轴重分配系数为：

其中，α、β分别为前、后轴轴重分配系数。

3.根据权利要求1所述的简支梁桥挠度快速检测方法，其特征是，所述应变传感器为长标距应变传感器，其标距大小为50cm-200cm，采样频率不低于50Hz。

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