CN115096529B - 一种桥梁动挠度分布式测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桥梁动挠度分布式测量装置及测量方法，测量装置包括传感链路、环形夹持构件和带座轴承。所述环形夹持构件通过机械连接固定在传感链路外圆周上，所述传感链路通过环形夹持构件与两侧带座轴承紧密连接，所述带座轴承通过粘接或机械连接固定在桥梁底部或箱梁内部。所述传感链路包括弹簧钢棒和应变传感器，所述应变传感器每隔一定间距固定在弹簧钢棒上下外表面。桥梁形变后，测量装置协同变形，应变传感器捕获传感链路表面应变变化，并将测量值输入动挠度测量方法中。该装置通过重构传感链路形变间接实现桥梁动挠度分布式量测。本发明测量装置及测量方法具有安装方便、空间分辨率高、测量精度高、实时性好、环境适应性强等优点。
Description
技术领域
本发明属于桥梁工程健康监测技术领域，具体涉及一种桥梁动挠度分布式测量装置及测量方法。
背景技术
我国桥梁总数已突破100万座，建设规模位居世界第一。大量桥梁长期承受环境侵蚀和车辆冲击作用，其性能不断劣化，威胁桥梁运营安全。加强桥梁基础设施运行监测，提升桥梁结构本质安全水平已经成为未来桥梁建设的必然要求。外界环境和车辆荷载作用下桥梁结构响应信息的精准测量是保证整个监测系统性能的关键所在。桥梁主梁动挠度作为结构重要的响应参数之一，其精准监测是开展荷载识别、状态评估和异常预警的基础。因此，发展一种实时、稳定、精准的变形监测技术实现主梁动挠度的连续测量意义重大。
目前，桥梁主梁动挠度监测技术可以分为点式监测技术和分布式监测技术。点式监测技术包括：全自动全站仪、光电挠度仪、GPS和位移传感器等；该类技术具有操作简单、应用灵活、通用性好等优点，然而其测量往往需要固定参考点，且难以实现多测点同步测量。分布式监测技术包括：近景摄影测量技术、计算机视觉测量技术和三维激光扫描技术等；该类技术突破了传统点式测量的局限性，实现了桥梁多点动挠度的同步测量，然而现有基于光学检测原理的测量方法缺乏对不同应用场景的普适性，环境的改变对算法重构精度有较大影响，而且复杂光学器件的使用导致现场接线繁多，测量工艺复杂。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种桥梁动挠度分布式测量装置及测量方法，利用实测应变数据，通过重构传感链路的变形，间接实现桥梁动挠度分布式量测，安装方便、空间分辨率高、测量精度高、实时性好、环境适应性强。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种桥梁动挠度分布式测量装置，包括传感链路、若干环形夹持构件和若干带座轴承，若干个所述环形夹持构件依次间隔地设于传感链路上，每个环形夹持构件的两侧各设有一带座轴承；所述传感链路通过环形夹持构件与两侧带座轴承连接。
进一步的，所述传感链路包括弹簧钢棒和应变传感器，弹簧钢棒上间隔地设有若干组应变传感器，每组的两个应变传感器分别安装在弹簧钢棒上下外表面。
进一步的，所述环形夹持构件包括内表面与传感链路配合连接的第一夹持构件a和第二夹持构件b，第一夹持构件a和第二夹持构件b的一端铰接，另一端通过螺丝和螺母的机械配合进行对接固定，第一夹持构件a和第二夹持构件b的外壁上分别连接有一圆形柱，圆形柱与带座轴承过盈连接。
进一步的，所述带座轴承包括立式开孔轴承座和滚珠轴承，立式开孔轴承座与滚珠轴承通过热胀冷缩式装配工艺相互安装。
一种桥梁动挠度分布式测量方法，使用上述的测量装置，包括如下步骤：
步骤1：建立空间直角坐标系x-y-z：沿传感链路长度方向建立x轴，沿同一测点处上下表面应变传感器轴心连线方向建立y轴，根据右手螺旋法则确定z轴，坐标系原点位于传感链路左端截面中心处；
步骤2：将传感链路沿x轴方向划分为n个单元，单元结点位置为xi，i∈[1，n+1]，单元编号为k,k∈[1，n],单元长度为Lk＝xk+1-xk；
步骤3：在各单元内部设置一个应变测点，每个应变测点包括两个应变传感器，分别安装在传感链路上下外表面，应变传感器位置表示为：
其中，sk为单元k内部应变测点的位置，且L0＝0；
步骤4：根据应变测点处的实测应变值，求解得到曲率值为：
其中，ck为测点sk处的曲率值；和/>分别为上表面和下表面应变传感器的实测应变值；R为同一测点处两个应变传感器的中心间距；
步骤5：利用曲率实测值建立求解向量H：
H＝[c1 c2 … cn]T
步骤6：采用结点位移将单元k内部挠度场表示为矩阵与向量的乘积形式：
其中，wk(ξ)为单元内部挠度场；M(ξ)为形函数矩阵；ak为结点位移向量；uk为结点xk处的挠度值；uk′为挠度值uk对x的一阶导数；
步骤7：利用挠度与曲率的力学关系，得到应变测点sk处曲率理论值：
c(ξk)＝wk,xx(ξk)＝Mxx(ξk)ak
其中，c(ξk)为应变测点sk处的曲率理论值；wk,xx为单元内部挠度场对x求二阶导数；Mxx为M矩阵各个元素对x求二阶导数；
步骤8：利用应变测点sk处曲率理论值建立求解矩阵R；
步骤9：建立动挠度求解目标函数，得到桥梁多点动挠度：
其中，Φ(I)为目标函数；λ为惩罚系数；I为结点位移向量。
进一步的，步骤6中形函数矩阵M(ξ)各元素表示为：
M(ξ)＝[M1(ξ) M2(ξ) M3(ξ) M4(ξ)]
M(ξ)＝[1--3ξ2+2ξ3(ξ-2ξ2+ξ3)Lk 3ξ2-2ξ3(ξ3-ξ2)Lk]
其中，ξ＝x/Lk为无量纲变量，Lk为单元长度。
进一步的，步骤8的求解矩阵R表示为：
其中，R矩阵维度为n×(2n+2)。
进一步的，步骤9的结点位移向量I表示为：
I＝[u1 u′1 u2 u′2 … un u′n]T。
本发明的有益效果包括：1、能够实现桥梁动挠度的远程实时监测，测量频率取决于所用应变传感器解调仪的采样率(最高可达1kHz以上)；2、能够实现动挠度分布式量测(空间分辨率可以达0.25m)，而且能够实现亚毫米级的测量精度；3、采用上下外表面应变传感器布设方式，有效削弱外界环境温度对动挠度测量的影响；4、传感器安装方便，适用于恶劣的测量环境，对结构物所处环境要求低。
附图说明
图1为本发明桥梁动挠度分布式测量装置的结构示意图；
图2为本发明传感链路的横截面图；
图3为本发明环形夹持构件的横截面图；
图4为本发明带座轴承的横截面图。
图中：101-传感链路，102-环形夹持构件，103-带座轴承，201-弹簧钢棒，202-应变传感器，301-第一夹持构件a，302-第二夹持构件b，303-圆形柱，401-滚珠轴承，402-T型轴承支座。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于区分部件，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
一种桥梁动挠度分布式测量装置，如图1-图4所示，包括传感链路101、若干环形夹持构件102和若干带座轴承103，若干个所述环形夹持构件102依次间隔地设于传感链路101上，每个环形夹持构件102的两侧各设有一带座轴承103；
所述环形夹持构件102通过端部螺丝和螺母的机械配合固定在传感链路101外圆周上，所述环形夹持构件102与两侧带座轴承103通过过盈配合方式进行连接。
传感链路101由若干弹簧钢棒201连接组成，所用弹簧钢棒201标准长度为2m，在现场根据桥梁测试长度对弹簧钢棒201进行裁剪与焊接。在弹簧钢棒201组装完成后，从其端部0.5m处开始，采用焊接或胶粘方式每隔1m安装一组应变传感器202，每组的两个应变传感器202分别安装在弹簧钢棒201上下外表面。
具体的，所述环形夹持构件102包括半圆形的第一夹持构件a301和第二夹持构件b302，第一夹持构件a301和第二夹持构件b302的一端通过销钉可转动连接，另一端通过螺丝和螺母的机械配合进行紧固连接。第一夹持构件a301和第二夹持构件b302的弧形外壁上分别连接有一圆形柱303；
所述带座轴承103包括T型轴承支座402和滚珠轴承401，T型轴承支座402采用热胀冷缩式装配工艺安装在滚珠轴承401上，T型轴承支座402底部通过胶粘或机械连接固定在桥梁主梁底部或箱梁内部。机械连接方式根据桥梁建筑材料可选用焊接或膨胀螺丝连接。
安装时，首先采用过盈配合方式将第一夹持构件a301和第二夹持构件b302上的圆形柱303与滚珠轴承401进行连接；随后，从弹簧钢棒201端部开始，每隔1m间距安装一组带有滚珠轴承401的第一夹持构件a301和第二夹持构件b302，
如图1和图2所示，传感链路101直径为30mm，包括弹簧钢棒201和应变传感器202，优选的，应变传感器202可以选择光纤光栅或分布式光纤应变传感器。
如图1和图3所示，环形夹持构件102内径为30mm，包括第一夹持构件a301和第二夹持构件b302，在第一夹持构件a301和第二夹持构件b302外壁上连接有圆形柱303，圆形柱303直径为10.02mm。
如图1和图4所示，带座轴承103包括滚珠轴承401和T型轴承支座402，滚珠轴承401内径为10mm，外径为20mm。
桥梁形变后，测量装置协同变形，应变传感器捕获传感链路表面应变变化，并将测量值输入至动挠度测量方法中。
实施例2
一种桥梁动挠度分布式测量方法，包括如下步骤：
(1)根据桥梁测量长度L，设计并安装实施例1所述的动挠度分布式测量装置，其中，两端T型轴承支座402应安装在桥梁支座位置处，保证测量装置两端挠度为0；
(2)将传感链路101沿长度方向均分为n个单元，单元长度为L1＝L/n，单元结点位置xi为：
其中，n为单元数量，i∈[1，n+1]；
(3)在各单元内部设置一个应变测点，每个应变测点包括两个应变传感器202，分别安装在弹簧钢棒201上下外表面，应变传感器202位置可以表示为：
其中，sk为单元内部应变测点的位置；k为单元编号，k∈[1，n]；
(4)根据应变测点处的实测应变值，求解得到曲率值为：
其中，ck为测点sk处的曲率值；和/>分别为上表面和下表面应变传感器的实测应变值；R为同一测点处两个应变传感器202的中心间距；
(5)利用曲率实测值建立求解向量H：
H＝[c1 c2 … cn]T
(6)采用结点位移将单元k内部挠度场表示为矩阵与向量的乘积形式：
其中，M1(ξ)＝1-3ξ2+2ξ3；M2(ξ)＝(ξ-2ξ2+ξ3)L1；M3(ξ)＝(3ξ2-2ξ3)；M4(ξ)＝(ξ3-ξ2)L1；wk(ξ)为单元内部挠度场；ak为结点位移向量；ξ＝x/L1为无量纲变量，L1为单元长度；uk为单元结点位置xk处的挠度值；uk′为挠度值uk对x的一阶导数；
(7)利用挠度与曲率的力学关系，求解得到应变测点sk处曲率理论值：
c(ξk)＝wk,xx(ξk)＝Mxx(ξk)ak
其中，c(ξk)为应变测点sk处曲率理论值；wk,xx为单元内部挠度场对x求二阶导数；Mxx为M矩阵各个元素对x求二阶导数；
(8)利用应变测点sk处曲率理论值建立求解矩阵R：
其中，R矩阵维度为n×(2n+2)；
(9)建立动挠度求解目标函数，求解得到桥梁多点动挠度：
其中，I＝[u1 u′1 u2 u′2 … un u′n]T为结点位移向量；Φ(I)为目标函数；λ为惩罚系数。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种桥梁动挠度分布式测量装置，其特征在于，包括传感链路(101)、若干环形夹持构件(102)和若干带座轴承(103)，若干个所述环形夹持构件(102)依次间隔地设于传感链路(101)上，每个环形夹持构件(102)的两侧各设有一带座轴承(103)；所述传感链路(101)通过环形夹持构件(102)与两侧带座轴承(103)连接；
所述传感链路(101)包括弹簧钢棒(201)和应变传感器(202)，弹簧钢棒(201)上间隔地设有若干组应变传感器(202)，每组的两个应变传感器(202)分别安装在弹簧钢棒(201)上下外表面。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁动挠度分布式测量装置，其特征在于，所述环形夹持构件(102)包括内表面与传感链路(101)配合连接的第一夹持构件a(301)和第二夹持构件b(302)，第一夹持构件a(301)和第二夹持构件b(302)的一端铰接，另一端通过螺丝和螺母的机械配合进行对接固定，第一夹持构件a(301)和第二夹持构件b(302)的外壁上分别连接有一圆形柱(303)，圆形柱(303)与带座轴承(103)过盈连接。
3.根据权利要求1所述的一种桥梁动挠度分布式测量装置，其特征在于，所述带座轴承(103)包括立式开孔轴承座和滚珠轴承(401)，立式开孔轴承座与滚珠轴承(401)通过热胀冷缩式装配工艺相互安装。
4.一种桥梁动挠度分布式测量方法，使用权利要求1-3任一项所述的测量装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立空间直角坐标系x-y-z：沿传感链路(101)长度方向建立x轴，沿同一测点处上下表面应变传感器(202)轴心连线方向建立y轴，根据右手螺旋法则确定z轴，坐标系原点位于传感链路(101)左端截面中心处；
步骤2：将传感链路(101)沿x轴方向划分为n个单元，单元结点位置为xi，i∈[1，n+1]，单元编号为k,k∈[1，n],单元长度为Lk＝xk+1-xk；
步骤3：在各单元内部设置一个应变测点，每个应变测点包括两个应变传感器(202)，分别安装在传感链路(101)上下外表面，应变传感器(202)位置表示为：
其中，sk为单元k内部应变测点的位置，且L0＝0；
步骤4：根据应变测点处的实测应变值，求解得到曲率值为：
其中，ck为测点sk处的曲率值；和/>分别为上表面和下表面应变传感器(202)的实测应变值；R为同一测点处两个应变传感器(202)的中心间距；
步骤5：利用曲率实测值建立求解向量H：
H＝[c1 c2 … cn]T
步骤6：采用结点位移将单元k内部挠度场表示为矩阵与向量的乘积形式：
其中，wk(ξ)为单元内部挠度场；M(ξ)为形函数矩阵；ak为结点位移向量；uk为结点xk处的挠度值；uk′为挠度值uk对x的一阶导数；
步骤7：利用挠度与曲率的力学关系，得到应变测点sk处曲率理论值：
c(ξk)＝wk,xx(ξk)＝Mxx(ξk)ak
其中，c(ξk)为应变测点sk处的曲率理论值；wk,xx为单元内部挠度场对x求二阶导数；Mxx为M矩阵各个元素对x求二阶导数；
步骤8：利用应变测点sk处曲率理论值建立求解矩阵R；
步骤9：建立动挠度求解目标函数，得到桥梁多点动挠度：
其中，Φ(I)为目标函数；λ为惩罚系数；I为结点位移向量。
5.根据权利要求4所述的一种桥梁动挠度分布式测量方法，其特征在于，步骤6中形函数矩阵M(ξ)各元素表示为：
M(ξ)＝[M1(ξ) M2(ξ) M3(ξ) M4(ξ)]
M(ξ)[1-3ξ2+2ξ3 (ξ-2ξ2+ξ3)Lk 3ξ2-2ξ3 (ξ3-ξ2)Lk]
其中，ξ＝x/Lk为无量纲变量，Lk为单元长度。
6.根据权利要求5所述的一种桥梁动挠度分布式测量方法，其特征在于，步骤8的求解矩阵R表示为：
其中，R矩阵维度为n×(2n+2)。
7.根据权利要求6所述的一种桥梁动挠度分布式测量方法，其特征在于，步骤9的结点位移向量I表示为：
I＝[u1 u′1 u2 u′2 … un u′n]T。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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