CN115060523A - 一种桥梁支座损伤检测方法、系统、存储介质及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁测试技术领域，提供了一种桥梁支座损伤检测方法、系统、存储介质及设备，包括：获取桥梁支座的各测点的压应力值；基于各测点的压应力值，进行支座脱空状态和橡胶板压应力状态的损伤判断；基于各测点压应力值计算标准化压应力比，并基于标准化压应力比，对固定支座的转角损伤状态和滑动支座的位移损伤状态进行多级评估。解决了人工检测桥梁支座的准确性差、实时性差和检测不全面等弊端。

Description

一种桥梁支座损伤检测方法、系统、存储介质及设备

技术领域

本发明属于桥梁测试技术领域，尤其涉及一种桥梁支座损伤检测方法、系统、存储介质及设备。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

桥梁作为交通运输的咽喉工程，其健康运营是非常重要的。长期超载和环境等因素都对桥梁构成了潜在的威胁，因此，需要对桥梁进行一个全面的测试。对于桥梁健康检测来说，很大程度上受到支座工作状态的影响，支座的健康状况直接影响桥梁的安全。

对于较为普遍的人工检测方式，虽然经济可行，但是只能进行定期检查，不能保障在所有运营期间内的安全；另外，人工检测一般只能进行局部检查，设备不能到达的结构损伤很难发现；除此之外，若进行载荷等试验，必须进行交通管制，严重影响正常的交通运行。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种桥梁支座损伤检测方法、系统、存储介质及设备，解决了人工检测桥梁支座的准确性差、实时性差和检测不全面等弊端。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种桥梁支座损伤检测方法，其包括：

获取桥梁支座的各测点的压应力值；

基于各测点的压应力值，进行支座脱空状态和橡胶板压应力状态的损伤判断；

基于各测点压应力值计算标准化压应力比，并基于标准化压应力比，对固定支座的转角损伤状态和滑动支座的位移损伤状态进行多级评估。

进一步地，所述桥梁支座沿两轴线方向进行测点布置，一轴线方向测点沿顺桥向布置，另一轴线测点沿横桥向布置。

进一步地，所述压应力值的获取方法为：

获取布设在桥梁支座的测点上的从机的输入寄存器中的数字数据；

将每个从机对应的数字数据转换成实际电流值；

将实际电流值转化成压应力。

进一步地，所述实际电流值与压应力之间的转换关系根据实际电流值的范围与压应力的量程范围确定。

进一步地，所述实际电流值为：

其中，list[i]为输入寄存器中i比特的数字数据；Q _max 为从机的采集卡模拟量输入的最大量程；Q _min 为从机的采集卡模拟量输入的最小量程。

进一步地，所述标准化压应力比的计算方法为：

其中，β _i ¹²为第i时刻顺桥向的测点标准化压应力比，β _i ³⁴为第i时刻横桥向的测点标准化压应力比，

为测点l在第i时刻的标准化压应力值，l = 1, 2, 3, 4。

进一步地，所述支座脱空状态和橡胶板压应力状态的判断方法均为：判断各测点的压应力值与设定阈值之间的大小关系。

本发明的第二个方面提供一种桥梁支座损伤检测系统，其包括：

数据获取模块，其被配置为：获取桥梁支座的各测点的压应力值；

损伤判断模块，其被配置为：基于各测点的压应力值，进行支座脱空状态和橡胶板压应力状态的损伤判断；

多级评估模块，其被配置为：基于各测点压应力值计算标准化压应力比，并基于标准化压应力比，对固定支座的转角损伤状态和滑动支座的位移损伤状态进行多级评估。

本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种桥梁支座损伤检测方法中的步骤。

本发明的第四个方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种桥梁支座损伤检测方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种桥梁支座损伤检测方法，其将采集到的信号进行数据解析，再将解析后的数据进行各种损伤判断，完成对桥梁支座的损伤检测，解决了人工检测准确性差、实时性差、检测不全面等弊端，实现了实时性、连续性、自动化的桥梁支座损伤检测。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一的桥梁支座的测点分布示意图；

图2是本发明实施例一的数据解析流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例一

本实施例提供了一种桥梁支座损伤检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1、获取布设在桥梁支座的测点上的传感器（采集设备或从机）采集的信号。

桥梁支座上设置有若干个测点，每个桥梁支座沿两轴线方向进行测点布置，一轴线方向测点沿顺桥向布置，另一轴线测点沿横桥向布置。

具体的，每个桥梁支座沿两主轴方向共设置4个测点。如图1所示，沿桥梁支座x轴和y轴方向布设4个测点，测点1和测点2沿x轴（顺桥向）布置，测点3和测点4沿垂直于测点1和测点2所在主轴方向的y轴（横桥向）布置。由基本力学知识可知，当桥梁支座沿x轴方向发生转动或滑移时，沿桥梁支座转动或滑移方向的测点1和测点2的竖向压应力值变化明显，而与这两测点垂直布设的测点3和测点4的竖向压应力值无明显变化，且随着支座转角或滑移量的逐渐增大，测点1和测点2压应力值之间的差距逐渐增大，而测点3和测点4的压应力值之间的差距无明显变化。同理，当桥梁支座沿y轴方向发生转动或滑移时，沿桥梁支座转动或滑移方向的测点3和测点4的竖向压应力值变化明显，而与这两测点垂直布设的测点1和测点2的竖向压应力值无明显变化，且随着支座转角或滑移量的逐渐增大，测点3和测点4压应力值之间的差距逐渐增大，而测点1和测点2的压应力值之间的差距无明显变化。故综合考虑4个测点的压应力变化特点，选取测点压应力比构建支座损伤状态评估指标。

步骤2、对采集到的信号进行数据解析，得到桥梁支座的各测点的压应力值。

作为一种实施方式，将各测点的压应力值实时发送至终端（Web端）进行显示。

具体的，数据解析协议采用MODBUS。

如图2所示，数据解析具体包括：

步骤201、设置通讯串行口、数据位和波特率等；

步骤202、进行主站（Master）初始化；

步骤203、获取布设在桥梁支座的测点上的从机（Slave）的输入寄存器中的数字数据，进行压力数据解析后，将解析出的压应力数据存入第二数组中，以使第二数组上传到数据库，并发送至终端（Web端）进行显示。

其中，压力数据解析的具体方法为：

（1）将每个从机对应的数字数据转换成实际电流值：

(1)

其中，I为实际电流值，单位为mA；list[i]为输入寄存器中i比特的数字数据；Q _max 为从机的采集卡模拟量输入的最大量程；Q _min 为从机的采集卡模拟量输入的最小量程；

（2）将实际电流值I转化成压应力F，完成对数据的解析；实际电流值与压应力之间的转换关系根据传感器实际电流值的范围与传感器压应力的量程范围确定，传感器的输出电流值为4mA~20mA，压应力量程范围为0MPa~20Mpa，由此可得，实际电流值I转化成压应力F之间的关系为：

I=0.8F+4 （2）

其中，I为实际电流值，单位为mA；F为压应力，单位为MPa。

以两个从机为例，对步骤203的流程进行详细描述：

步骤2031、在某时刻，进入每个从机的输入寄存器，并读取第256位之后的16bit数字数据。具体的，进入从机地址为01的输入寄存器，读取第256位之后的16bit数字数据为list1；进入从机地址为02的输入寄存器，读取第256位之后的16bit数字数据为list2；

步骤2032、定义16bit的double类型数组，第一数组pressure；

步骤2033、对于从机1的输入寄存器中i比特的数字数据，判断i<list1.length是否成立，其中，list1.length为list1的数据长度；若成立，则对从机1中第i个数字数据进行压力数据解析，并将解析出的数据存入第一数组pressure的前8bit位置；否则，进入步骤2034；

步骤2034、对于从机2的输入寄存器中j比特的数字数据，判断j<list2.length是否成立，其中，list2.length为list2的数据长度；若成立，则对从机2中第i个数据进行压力数据解析，并将解析出的数据存入第一数组pressure的后8bit位置；否则，进入步骤2035；

步骤2035、两组数据解析完毕后，将当前时间、各通道（从机）压应力数据存入第二数组sensorlist；

步骤2036、连接数据库，获取sensorlist中的数据，并写入数据库相应参数位置，以使Web端获取数据库中参数呈现于用户界面。

步骤3、依据各测点的压应力值，进行支座脱空状态和橡胶板压应力状态的损伤判断。

其中，支座脱空状态和橡胶板压应力状态的判断方法均为：判断各测点的压应力监测值与设定阈值之间的大小关系。

支座脱空状态的具体判断方法为：基于同一桥梁支座的4个压应力值，判断4个压应力值中是否存在于接近脱空阈值[σ]_脱空的测点，来进行支座脱空状态的评估；若存在1~3个测点的压应力值与脱空阈值之前的差值超出设定范围，则桥梁支座的脱空状态为局部脱空；若存在4个测点的压应力值与脱空阈值之前的差值超出设定范围，则桥梁支座的脱空状态为完全脱空；若不存在测点的压应力值与脱空阈值之前的差值超出设定范围，则桥梁支座的脱空状态为无脱空。即，依次判断下列各式是否成立：

(3)

其中，σ _i1、σ _i2、σ _i3和σ _i4为同一桥梁支座的4个测点在第i时刻的压应力值，单位Mpa；[σ]_脱空为桥梁支座脱空阈值，单位MPa。

橡胶板压应力状态的具体判断方法为：通过同一桥梁支座的4个测点的压应力值，对比4个压应力值与规范规定的橡胶板容许压应力[σ]_容许之间的大小关系，来判断橡胶板压应力状态，即，依次判断下列各式是否成立：

(4)

其中，σ _i1、σ _i2、σ _i3和σ _i4为同一桥梁支座的4个测点在第i时刻的压应力值，单位Mpa；[σ]_容许为桥梁支座的橡胶板容许压应力，单位MPa。

作为一种实施方式，将桥梁支座的脱空状态和压应力值超出橡胶板容许压应力的测点发送至终端（Web端）进行显示。

步骤4、基于各测点压应力值，计算标准化压应力比；并基于标准化压应力比，对固定支座的转角损伤状态和滑动支座的位移损伤状态进行多级评估。具体包括如下步骤：

步骤401、针对同一桥梁支座的每一个测点的压应力值，利用式(5)，实现压应力值的标准化：

(5)

其中，σ _il 为测点l在第i时刻的压应力值，单位Mpa；

为测点l在第i时刻的标准化压应力值，无量纲；N为从开始采集压应力起至第i时刻，测点l处的压应力值的总数；l为支座橡胶板上布设的第l个压应力监测点，总数为4，l = 1, 2, 3, 4。

步骤402、基于标准化压应力值，实现对同一桥梁支座的测点1和2（顺桥向），测点3和4（横桥向）的标准化压应力比计算，并将其作为桥梁支座状态的评估指标。

标准化压应力比计算公式为：

(6)

其中，max(·)为橡胶测点1和2，3和4在第i时刻的最大标准化压应力绝对值；min(·)为橡胶测点1和2，3和4在第i时刻的最小标准化压应力绝对值；

为测点l在第i时刻的标准化压应力值，

为橡胶测点l在第i时刻的标准化压应力值的绝对值，l = 1, 2, 3,4；β _i ¹²、β _i ³⁴为橡胶测点1和2、3和4在第i时刻的标准化压应力比，或者说，β _i ¹²为第i时刻沿支座转动方向（顺桥向）的测点标准化压应力比，β _i ³⁴为第i时刻垂直于支座转动方向（横桥向）的测点标准化压应力比。

步骤403、若桥梁支座为固定支座，根据其转角状态进行损伤评估。基于式(6)计算得到的测点1和2、测点3和4的标准化压应力比，根据行业标准规定，固定支座正常工作时的竖向转动角度不大于0.02 rad。基于此限值，同时考虑固定支座在承受最不利荷载作用组合时所能达到的最大转角，对固定支座转角损伤状态的评估进行多级阈值设定。即，对固定支座的转角损伤状态进行多级评估的具体方法为：

步骤4031、判断垂直于支座转动方向（横桥向）的测点标准化压应力比β _i ³⁴的变化是否超过设定值3%，即判断是否满足|β _i ³⁴-β _i-1 ³⁴|/|β _i ³⁴|>3%；若是，返回“null”值；否则，执行步骤4032；

步骤4032、判断沿支座转动方向（顺桥向）的测点标准化压应力比β _i ¹²是否位于范围[β _λ1,β _λ2)内；若是，输出第一级预警；否则，执行步骤4033；其中，β _λ1为用于评估支座转角损伤状态的一级阈值，对应桥梁承载能力极限状态，即β _λ1为桥梁承载能力极限状态下转角限值λ₁对应的标准化压应力比；

步骤4033、判断沿支座转动方向（顺桥向）的测点标准化压应力比β _i ¹²是否位于范围[β _λ2,β _λ3)内；若是，输出第二级预警；否则，执行步骤4034；其中，β _λ2为用于评估支座转角损伤状态的二级阈值，对应0.85倍转角限值，即β _λ2为0.85倍转角限值λ₂对应的标准化压应力比，λ₂= 0.017 rad；

步骤4034、判断沿支座转动方向（顺桥向）的测点标准化压应力比β _i ¹²是否位于范围[β _λ3,β _λ4)内；若是，输出第三级预警；否则，执行步骤4035；其中，β _λ3为用于评估支座转角损伤状态的三级阈值，对应1.0倍转角限值，即β _λ3为1.0倍转角限值λ₃对应的标准化压应力比，λ₃= 0.020 rad；

步骤4035、判断沿支座转动方向（顺桥向）的测点标准化压应力比β _i ¹²是否位于范围[β _λ4,β _λ5)内；若是，输出第四级预警；否则，执行步骤4036；其中，β _λ4为用于评估支座转角损伤状态的四级阈值，对应1.1倍转角限值，即β _λ4为1.1倍转角限值λ₄对应的标准化压应力比，λ₄=1.1×0.02 rad = 0.022 rad；

步骤4036、判断沿支座转动方向（顺桥向）的测点标准化压应力比β _i ¹²是否大于等于β _λ5；若是，输出第五级预警；否则，输出未到预警级别；其中，β _λ5为用于评估支座转角损伤状态的五级阈值，对应1.2倍转角限值，即β _λ5为1.2倍转角限值λ₅对应的标准化压应力比，λ₅= 1.2×0.02 rad = 0.024 rad。

步骤404、若桥梁支座为滑动支座，根据行业标准对盆式支座容许滑移量的规定，同时考虑支座在承受最不利荷载作用组合时所能达到的最大位移量，可对滑动型支座位移损伤状态的评估进行多级阈值设定。即，对滑动支座的位移损伤状态进行多级评估的具体方法为：

步骤4041、判断滑动支座为双向滑动支座还是单向滑动支座；若为双向滑动支座，执行步骤4042；若为单向滑动支座（顺桥向滑动支座或横桥向滑动支座），判断垂直于支座滑动方向（横桥向）布设测点的压应力比β _i ³⁴的变化是否超过设定值3%，即判断是否满足|β _i ³⁴-β _i-1 ³⁴|/|β _i ³⁴|>3%；若是，返回“null”值；否则，执行步骤4042；

步骤4042、进行顺桥向位移损伤状态评估和横桥向位移损伤状态评估。顺桥向位移损伤状态评估或横桥向位移损伤状态评估的具体方法为：

①一级预警，对应桥梁达到承载能力极限状态时的支座位移量，即当沿支座滑动方向（顺桥向）布设测点的标准化压应力比β _i ¹²，超过桥梁承载能力极限状态下位移限值a1对应的压应力比β _a1，且未超过0.9倍设计位移量对应的压应力比β _a2时，进行第一级预警；其中，桥梁承载能力极限状态下位移限值在进行顺桥向位移损伤状态评估和横桥向位移损伤状态评估时不同；

②二级预警，对应支座位移为a2= 0.9×支座设计位移量，即当沿支座滑动方向布设测点的标准化压应力比β _i ¹²超过0.9倍设计位移量对应的压应力比β _a2，且未超过1.0倍设计位移量对应的压应力比β _a3时，进行第二级预警；其中，支座设计位移量在进行顺桥向位移损伤状态评估和横桥向位移损伤状态评估时不同；

③三级预警，对应支座位移为a3= 1.0×支座设计位移量，即当沿支座滑动方向布设测点的标准化压应力比β _i ¹²超过1.0倍设计位移量对应的压应力比β _a3，且未超过1.1倍设计位移量对应的压应力比β _a4时，进行第三级报警；

④四级预警，对应支座位移为a4=1.1×支座设计位移量，即当沿支座滑动方向布设测点的标准化压应力比β _i ¹²超过1.1倍设计位移量对应的压应力比β _a4时进行第四级报警。

本实施例将采集到的信号进行数据解析，再将解析后的数据进行各种损伤判断，完成对桥梁支座的损伤检测，解决了人工检测准确性差、实时性差、检测不全面等弊端，实现了实时性、连续性、自动化的桥梁支座损伤检测。

实施例二

本实施例提供了一种桥梁支座损伤检测系统，其具体包括如下模块：

数据获取模块，其被配置为：获取桥梁支座的各测点的压应力值；

损伤判断模块，其被配置为：基于各测点的压应力值，进行支座脱空状态和橡胶板压应力状态的损伤判断；

多级评估模块，其被配置为：基于各测点压应力值计算标准化压应力比，并基于标准化压应力比，对固定支座的转角损伤状态和滑动支座的位移损伤状态进行多级评估。

此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的一种桥梁支座损伤检测方法中的步骤。

实施例四

本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的一种桥梁支座损伤检测方法中的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桥梁支座损伤检测方法，其特征在于，包括：

获取桥梁支座的各测点的压应力值；

基于各测点的压应力值，进行支座脱空状态和橡胶板压应力状态的损伤判断；

基于各测点压应力值计算标准化压应力比，并基于标准化压应力比，对固定支座的转角损伤状态和滑动支座的位移损伤状态进行多级评估。

2.如权利要求1所述的一种桥梁支座损伤检测方法，其特征在于，所述桥梁支座沿两轴线方向进行测点布置，一轴线方向测点沿顺桥向布置，另一轴线测点沿横桥向布置。

3.如权利要求1所述的一种桥梁支座损伤检测方法，其特征在于，所述压应力值的获取方法为：

获取布设在桥梁支座的测点上的从机的输入寄存器中的数字数据；

将每个从机对应的数字数据转换成实际电流值；

将实际电流值转化成压应力。

4.如权利要求3所述的一种桥梁支座损伤检测方法，其特征在于，所述实际电流值与压应力之间的转换关系根据实际电流值的范围与压应力的量程范围确定。

5.如权利要求3所述的一种桥梁支座损伤检测方法，其特征在于，所述实际电流值为：

其中，list[i]为输入寄存器中i比特的数字数据；Q _max 为从机的采集卡模拟量输入的最大量程；Q _min 为从机的采集卡模拟量输入的最小量程。

6.如权利要求1所述的一种桥梁支座损伤检测方法，其特征在于，所述标准化压应力比的计算方法为：

其中，β _i ¹²为第i时刻顺桥向的测点标准化压应力比，β _i ³⁴为第i时刻横桥向的测点标准化压应力比，

为测点l在第i时刻的标准化压应力值，l = 1, 2, 3, 4。

7.如权利要求1所述的一种桥梁支座损伤检测方法，其特征在于，所述支座脱空状态和橡胶板压应力状态的判断方法均为：判断各测点的压应力值与设定阈值之间的大小关系。

8.一种桥梁支座损伤检测系统，其特征在于，包括：

数据获取模块，其被配置为：获取桥梁支座的各测点的压应力值；

损伤判断模块，其被配置为：基于各测点的压应力值，进行支座脱空状态和橡胶板压应力状态的损伤判断；

多级评估模块，其被配置为：基于各测点压应力值计算标准化压应力比，并基于标准化压应力比，对固定支座的转角损伤状态和滑动支座的位移损伤状态进行多级评估。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种桥梁支座损伤检测方法中的步骤。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种桥梁支座损伤检测方法中的步骤。

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