CN117213390B - 一种桥梁多监测指标一体化测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种桥梁多监测指标一体化测量装置及方法，属于桥梁监测技术领域。本发明包括固定座和挠度测量组，固定座安装有多个挠度测量组，所述挠度测量组包括横向倾角监测装置、纵倾角监测装置、挠度测量装置和保护盒，保护盒内部安装有横向倾角监测装置、纵倾角监测装置和挠度测量装置。本发明研发目的是为了解决现有的桥梁挠度监测受水压和温度影响严重导致数据不精准，难以有效测量的问题，以及桥梁竖向位移和倾角多指标无法一体化测量，多传感器导致系统集成复杂的问题，将倾角和竖向位移进行一体化测量和数据转化，既可通过倾角反映桥梁单点三维位移，也可反映桥梁动静态挠度，实现了桥梁多指标的一体化监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种桥梁多监测指标一体化测量装置及方法，属于桥梁监测技术领域。
背景技术
随着我国经济的快速发展，越来越多的桥梁建设了桥梁健康监测系统，用来监测桥梁的安全运行状况。其中桥梁结构竖向位移是一个必不可少的监测指标，其主要包含主梁静挠度、动挠度、加速度、倾角等。现有监测该指标的测量方式多采用静力水准仪、倾角仪、加速度传感器等多种设备分布监测。
其中，静力水准仪的测量方式为将多个测点采用液体连通管串联起来，由液面高度保持一致的连通管原理来实现液位或压力的变化测量。但是由于液体流动时存在惯性和粘滞性，管道存在摩擦阻力，温度变化会影响液体密度和压力等原因，测量得到的液位值往往滞后于实际的结构物体的沉降变形值。同时，当测点存在运动、振动时，静力水准仪必须等到液面彻底平静后才能测量，因而该方式难以实现实时、准确的动态位移测量。
由于静力水准仪通常采用水来作介质，对气温极为敏感，如低温时容易结冰，高温时容易膨胀，因此在设备安装施工时需要采取严格的防冻保温措施，施工要求极高。此外，静力水准仪极易受大气温度影响，容易发生由于温度补偿不足而导致测量结果失真。加之静力水准仪的液体橡胶管路易受老化、温差膨胀等原因影响，而出现液体渗漏的问题，从而导致后期设备运维成本增加。
其他可监测桥梁竖向位移的方法有全站仪、位移传感器、加速度传感器和激光测试方法、北斗GNSS等。
(1)全站仪法：全站仪(包括经纬仪)是用于测量角度的精密测量仪器，可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。全站仪法同水准仪法一样，具有准备工作简单，操作方便的优点。其缺点是各测点不同步以及大变形时不可测。
(2)位移传感器法：目前采用的位移传感器多数是一种接触型传感器，主要采用应变式位移传感器，必须与测点相接触，其缺点是对于难以接近点无法测量以及对横向位移测量有困难。
(3)激光图像法：激光图像法是近年来应用比较广泛的测量挠度仪器，将专用靶标固定待测桥梁被测点，使靶标与桥梁有机的结合起来形成共振，将桥梁震动转换成特定波长的光源震动，通过光学解析系统将待测光信号解析至专用高精度工业CCD，检测靶标在CCD上成像的中心坐标的变化即可精确测量被测桥梁在载荷作用下产生的纵向和横向位移及其对时间的响应曲线。系统的K值(Kx，Ky)，即CCD上每个象素代表的实际位移值，能够在测量之前进行标定。该方法动静态均可测量，对于小挠度、较短的桥梁实施测量比较方便，不足之处在于该设备成本较高，需要在桥梁以外一定范围内选取测量参考点，图像法要求视野范围内无遮挡，且需要尽量避开车流量较大或车身较高的遮挡，需要有人值守，并且对于多点同时测量难以实现。
(4)北斗GNSS法：利用GNSS监测大桥位移的特点：各监测站之间是相互独立的观测值；位受外界大气影响小，能够在暴风雨中进行监测；GNSS测定位移自动化程度高；GNSS定位速度慢、精度低。
综上可知，目前针对桥梁竖向位移的监测手段尚未有完全满足准确性、实时性、同步性、自动化和防护性等多方面要求。桥梁竖向位移的监测多采用静力水准仪和图像或激光雷达的方法，也有采用倾角进行拟合桥梁挠度的方法，但多为一维，较少存在多维拟合。且拟合无法实现三维位移的同步测量，桥梁健康监测系统仍以多种监测设备分布布设，但该种方式将导致桥梁监测点颇多，系统集成较为复杂。
因此，亟需提出一种新型的桥梁多监测指标一体化测量装置及方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明研发目的是为了解决现有的桥梁挠度监测受水压和温度影响严重导致数据不精准，难以有效测量的问题，以及桥梁竖向位移和倾角多指标无法一体化测量，多传感器导致系统集成复杂的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
方案一、一种桥梁多监测指标一体化测量装置，包括固定座和挠度测量组，固定座安装有多个挠度测量组，所述挠度测量组包括横向倾角监测装置、纵向倾角监测装置、挠度测量装置和保护盒，保护盒内部安装有横向倾角监测装置、纵向倾角监测装置和挠度测量装置；
所述横向倾角监测装置和纵向倾角监测装置的结构相同，所述横向倾角监测装置与桥梁横向方向平行布置，所述纵向倾角监测装置与桥梁纵向方向平行布置；
所述横向倾角监测装置包括倾角摆动杆、磁力重力球、第一光纤光栅应变传感器、第二光纤光栅应变传感器、方向限定滑槽、第一磁力感应片、第二磁力感应片、横向倾角监测安装壳体、第三光纤光栅应变传感器和第四光纤光栅应变传感器，横向倾角监测安装壳体安装于保护盒的内部，横向倾角监测安装壳体的内部设置有方向限定滑槽，磁力重力球滑动设置于方向限定滑槽内，倾角摆动杆的一端安装于横向倾角监测安装壳体的上方，倾角摆动杆的另一端与磁力重力球固定连接，倾角摆动杆的前后两侧分别设置有第一光纤光栅应变传感器和第二光纤光栅应变传感器，方向限定滑槽的前后两端分别安装有第一磁力感应片和第二磁力感应片，第一磁力感应片和第二磁力感应片上分别安装有第三光纤光栅应变传感器和第四光纤光栅应变传感器。
优选的：所述挠度测量装置包括挠度感应盘、竖向挠度传递杆、水平挠度传递杆、第一挠度传递斜撑、第二挠度传递斜撑、弹簧、第五光纤光栅应变传感器、第六光纤光栅应变传感器、第七光纤光栅应变传感器、左气压感应桶、右气压感应桶、左活塞杆、右活塞杆、限位卡槽、第一限位滑杆和第二限位滑杆；
所述保护盒内部底侧左右对称安装有左气压感应桶和右气压感应桶，左气压感应桶和右气压感应桶内分别滑动安装有左活塞杆和右活塞杆，左活塞杆的右侧探出左气压感应桶后，与第一限位滑杆转动连接，右活塞杆的左侧探出右气压感应桶后，与第二限位滑杆转动连接，第一限位滑杆和第二限位滑杆的两端分别通过限位卡槽与保护盒的前后内侧壁建立滑动连接，弹簧的两端分别与第一限位滑杆和第二限位滑杆固定连接；
所述第一挠度传递斜撑的一端与第二限位滑杆转动连接，第一挠度传递斜撑的另一端与水平挠度传递杆的左侧转动连接，第二挠度传递斜撑的一端与第二限位滑杆转动连接，第二挠度传递斜撑的另一端与水平挠度传递杆的右侧转动连接，竖向挠度传递杆的底端与保护盒内部水平挠度传递杆固定连接，竖向挠度传递杆的顶端探出保护盒后与挠度感应盘固定连接，所述弹簧上安装有第五光纤光栅应变传感器，左气压感应桶的左侧壁上安装有第六光纤光栅应变传感器，右气压感应桶的右侧壁上安装有第七光纤光栅应变传感器。
优选的：所述挠度感应盘与桥梁紧密连接。
优选的：所述左气压感应桶的左侧壁和右气压感应桶的右侧壁均设置为感应片，第六光纤光栅应变传感器和第七光纤光栅应变传感器均粘贴与感应片的外侧。
优选的：所述固定座包括横向固定板和竖向固定板，横向固定板通过竖向固定板固定安装于桥梁的梁体上，且横向固定板与桥梁的梁体平行设置。
方案二、一种桥梁多监测指标一体化测量方法，是依托于方案一所述的一种桥梁多监测指标一体化测量装置实现的测量方法，包括：
步骤1，根据桥梁跨度，定制横向固定板，横向固定板通过竖向固定板固定于桥梁的底部；
步骤2，横向固定板的长度为L，在横向固定板的两端、L/4、L/2、3L/4的位置处分别布置有挠度测量组，挠度测量组总计5个；
步骤3，将每个挠度测量组顶部的挠度感应盘通过螺栓与桥梁的主梁底部固定连接；
步骤4，当桥上有车辆通过时，每个挠度测量组依次测得5个点位的横纵向倾角、横纵向加速度、竖向位移数据；
步骤5，所述横纵向加速度通过基于加速度的横纵向位移监测原理，以及所述横纵向倾角通过基于倾角数据的横纵向位移监测原理计算获得两组横纵向位移数据；
步骤6，若步骤5中计算获得的两组横纵向位移数据的误差在2％以内，则表明加速度和倾角测量装置均无异常，以基于倾角数据的横纵向位移监测原理获得的横纵向位移数据作为真实横纵向测量数据，进入步骤7；
若步骤5中计算获得的两组横纵向位移数据的误差大于2％，则判断两组测量装置存在异常，检查装置是否损坏；
步骤7，将每个挠度测量组依次测得5个点位的竖向位移数据根据桥梁的走向，依次将同一时间点的竖向位移数据进行连线，得到桥梁的竖向挠度曲线，由于每个挠度测量组测量得到的桥梁挠度是随着车辆荷载移动而实时测量，故竖向挠度为动挠度；
步骤8，同理，将步骤7中设定的横纵向位移数据，根据桥梁的走向测得5个点位，依次将同一时间点的数据进行连线，得到桥梁的横纵向位移曲线，进而得到桥梁沿着桥梁走向的三维位移曲线；
步骤9，通过实时的得到桥梁的横纵向倾角、横纵向加速度、三维位移，对桥梁实现多监测指标的一体化测量。
优选的：所述横纵向倾角通过倾角测量原理测量获得，具体为：
当桥上有车辆通过，桥梁监测点位发生横向倾斜时，在方向限定滑槽的作用下，磁力重力球会因重力朝限定方向摆动，由于磁力重力球与第一磁力感应片和第二磁力感应片的磁力始终是相斥的，故当磁力重力球发生摆动时，磁力发生变化，导致第一磁力感应片和第二磁力感应片发生不同程度的挤压变形，第三光纤光栅应变传感器和第四光纤光栅应变传感器可实时测量第一磁力感应片和第二磁力感应片的变形量，进而通过第三光纤光栅应变传感器和第四光纤光栅应变传感器测量出的变形量实时的反映倾角的变化量，即测得横纵向倾角，如下：
其中，σ为第三光纤光栅应变传感器或第四光纤光栅应变传感器测量出的应力大小，即应变量，E为弹性模量，ε为第一磁力感应片和第二磁力感应片的应变值，A为第一磁力感应片和第二磁力感应片的面积；F为磁性摆动块与感应片之间的斥力大小，随着两者之间的距离缩短，斥力越大，两者呈线性关系，斥力越大反映方向的倾角越大，进而导致光纤光栅应变传感器测的应变值越大。
计算第三光纤光栅应变传感器和第四光纤光栅应变传感器的波长变化量，得到应变量σ，对应变量σ与倾角的关系进行实验室拟合，得到应变量σ与倾角的线性关系曲线；
当读取第三光纤光栅应变传感器和第四光纤光栅应变传感器的波长的变化量时，得到应变量σ，再通过应变量σ与倾角的线性关系曲线，得到倾角值θ，即横纵向倾角；
其中，γ为应变量σ与倾角的线性关系曲线系数，bt2和bt1为光纤光栅应变传感器在t2和t1时刻的波长值。
优选的：所述横纵向加速度通过加速度测量原理获得，具体为：
当桥上有车辆通过时，外界发生振动，会导致横向倾角监测装置和纵向倾角监测装置发生偏转晃动，其中倾角摆动杆上两个方向分别粘贴的第一光纤光栅应变传感器和第二光纤光栅应变传感器，会跟随倾角摆动杆发生单一方向上的往返摆动，摆动进而会导致第一光纤光栅应变传感器和第二光纤光栅应变传感器的波长发生变化，通过读取波长变化的频率，即可得到横纵向方向上的振动加速度如下式：
其中，tn和tn-1分别为连续两次波长变化的时间。
优选的：所述基于加速度的横纵向位移监测原理具体为：
通过对横纵向方向上的振动加速度进行二次积分可得到桥梁在横纵向上的位移值，如下式：
其中，X和Y分别为横纵向上的位移值，和/>分别为t时候横纵向上的加速度值。
优选的：所述基于倾角数据的横纵向位移监测原理具体为：
当桥上有车辆通过时，外界发生振动，会导致横向倾角监测装置和纵向倾角监测装置发生偏转晃动，获得横纵向倾角，对横纵向倾角采用最小二乘法，得到横纵向位移，如下：
假定跨桥梁的横向位移曲线为h(x)，纵向位移曲线为h(y)，在跨布置m个挠度测量组，位移曲线满足跨所有支座的边界约束条件，如下式：
其中，A(x)为满足段桥梁支座边界条件的横向函数，A(y)为满足段桥梁支座边界条件的纵向函数，Xj是基函数gj(x)的一组常系数，gj(x)为一组横向函数组，是m-1维线性空间的一组基，Yj是基函数gj(y)的一组常系数，gj(y)为一组纵向函数组，是m-1维线性空间的一组基。
位移的一阶导数为转角，对公式(1.6)和公式(1.7)分别求一阶导数，再代入现场实测的倾角值θ，就可以得到公式(1.8)和公式(1.9)：
式中，A'(x)是横向函数A(x)对x的一阶导数，gj'(x)是横向函数组gj(x)对x的一阶导数，θxj为现场实测的横向倾角值；A'(y)是纵向函数A(y)对y的一阶导数，gj'(y)是纵向函数组gj(y)对y的一阶导数，θyj为现场实测的纵向倾角值；
因为公式(1.6)至公式(1.9)是m个方程的方程组，包含了m-1个未知数，所以通过最小二乘法，求得最优解Xj，Yj(j＝1,2,…,m-1)，故假定目标函数F(X1,X2,…,Xm-1)，F(Y1,Y2,…,Ym-1)，如下：
θ(Xj)为计算得到的第j个测点的横向倾角值，θ(Yj)为计算得到的第j个测点的纵向倾角值，采用最小二乘法，计算目标函数为最小值的一组解，即所求的最佳解Xj，Yj，如下：
得到一个m-1阶方程组，然后计算得到一组最优解Xj，Yj(j＝1,2,…,m-1)，将这组最优解代入公式(1.6)和公式(1.7)，得到跨桥梁的横纵向位移曲线；
最后计算出每个时刻整个桥梁所有测点位的横纵向位移后，便得到每个测点在0～f时间段的横纵向位移时程曲线。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明可实时监测桥梁的动静态挠度的变化，现有测量方式将多个测点采用液体连通管串联起来，由液面高度保持一致的连通管原理来实现液位或压力的变化测量。但是由于液体流动时存在惯性和粘滞性，管道存在摩擦阻力，温度变化会影响液体密度和压力等原因，测量得到的液位值往往滞后于实际的结构物体的沉降变形值。同时，当测点存在运动、振动时，必须等到液面彻底平静后才能测量，因而现有方式难以实现实时、准确的动态位移测量；
2.本发明将倾角和竖向位移进行一体化测量和数据转化，既可通过倾角反映桥梁单点三维位移，也可反映桥梁动静态挠度，实现了桥梁多指标的一体化监测；
3.本发明通过设置两种加速度、两种位移设计和计算原理，实现加速度数据和位移的自校核功能；
4.本发明仅通过一种光纤传感技术，便可实现桥梁单点三维位移、倾角、加速度和多点梁体动静挠度的测量。具备系统集成简单，数据自校核的明显优势。
附图说明
图1是一种桥梁多监测指标一体化测量装置的主视图；
图2是一种桥梁多监测指标一体化测量装置的侧视图；
图3是一种桥梁多监测指标一体化测量装置的俯视图；
图4是一种桥梁多监测指标一体化测量装置的立体图；
图5是一种桥梁多监测指标一体化测量装置的挠度测量装置的立体图；
图6是图1的A处放大图；
图7是图1的B处放大图；
图8是图1的C处放大图；
图9是图3的D处放大图；
图中1-固定座，2-挠度测量组，3-横向倾角监测装置，4-纵向倾角监测装置，5-挠度测量装置，6-保护盒，11-横向固定板，12-竖向固定板，31-倾角摆动杆，32-磁力重力球，33-第一光纤光栅应变传感器，34-第二光纤光栅应变传感器，35-方向限定滑槽，36-第一磁力感应片，37-第二磁力感应片，38-横向倾角监测安装壳体，39-第三光纤光栅应变传感器，310-第四光纤光栅应变传感器，51-挠度感应盘，52-竖向挠度传递杆，53-水平挠度传递杆，54-第一挠度传递斜撑，55-第二挠度传递斜撑，56-弹簧，57-第五光纤光栅应变传感器，58-第六光纤光栅应变传感器，59-第七光纤光栅应变传感器，510-左气压感应桶，511-右气压感应桶，512-左活塞杆，513-右活塞杆，514-限位卡槽，515-第一限位滑杆，516-第二限位滑杆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接(即为不可拆卸连接)包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。
具体实施方式一：结合图1-图9说明本实施方式，本实施方式的一种桥梁多监测指标一体化测量装置，包括固定座1和挠度测量组2，固定座1安装有多个挠度测量组2，每一个挠度测量组2相对独立，所述挠度测量组2包括横向倾角监测装置3、纵向倾角监测装置4、挠度测量装置5和保护盒6，保护盒6内部安装有横向倾角监测装置3、纵向倾角监测装置4和挠度测量装置5；
所述固定座1包括横向固定板11和竖向固定板12，横向固定板11通过竖向固定板12固定安装于桥梁的梁体上，且横向固定板11与桥梁的梁体平行设置。
所述横向倾角监测装置3和纵向倾角监测装置4的结构相同，所述横向倾角监测装置3与桥梁横向方向平行布置，所述纵向倾角监测装置4与桥梁纵向方向平行布置；
所述横向倾角监测装置3包括倾角摆动杆31、磁力重力球32、第一光纤光栅应变传感器33、第二光纤光栅应变传感器34、方向限定滑槽35、第一磁力感应片36、第二磁力感应片37、横向倾角监测安装壳体38、第三光纤光栅应变传感器39和第四光纤光栅应变传感器310，横向倾角监测安装壳体38安装于保护盒6的内部，横向倾角监测安装壳体38的内部设置有方向限定滑槽35，磁力重力球32滑动设置于方向限定滑槽35内，倾角摆动杆31的一端安装于横向倾角监测安装壳体38的上方，倾角摆动杆31的另一端与磁力重力球32固定连接，倾角摆动杆31可随着横向倾角监测安装壳体38的倾斜而摆动，进而倾角摆动杆31下端安装的磁力重力球32可在方向限定滑槽35内部前后滑动，方向限定滑槽35起到限定磁力重力球32滑动方向的作用，倾角摆动杆31的前后两侧分别设置有第一光纤光栅应变传感器33和第二光纤光栅应变传感器34，方向限定滑槽35的前后两端分别安装有第一磁力感应片36和第二磁力感应片37，第一磁力感应片36和第二磁力感应片37上分别安装有第三光纤光栅应变传感器39和第四光纤光栅应变传感器310。所述第一磁力感应片36和第二磁力感应片37为薄圆片，第三光纤光栅应变传感器39和第四光纤光栅应变传感器310粘贴在薄圆片的中心另一边，一边用来感受磁力变化，磁力变化导致薄圆片挤压变形，第三光纤光栅应变传感器39和第四光纤光栅应变传感器310在另一边可测量出应变。
所述挠度测量装置5包括挠度感应盘51、竖向挠度传递杆52、水平挠度传递杆53、第一挠度传递斜撑54、第二挠度传递斜撑55、弹簧56、第五光纤光栅应变传感器57、第六光纤光栅应变传感器58、第七光纤光栅应变传感器59、左气压感应桶510、右气压感应桶511、左活塞杆512、右活塞杆513、限位卡槽514、第一限位滑杆515和第二限位滑杆516；
所述挠度感应盘51与桥梁紧密连接，所述保护盒6内部底侧左右对称安装有左气压感应桶510和右气压感应桶511，左气压感应桶510和右气压感应桶511内分别滑动安装有左活塞杆512和右活塞杆513，左活塞杆512的右侧探出左气压感应桶510后，与第一限位滑杆515转动连接，右活塞杆513的左侧探出右气压感应桶511后，与第二限位滑杆516转动连接，第一限位滑杆515和第二限位滑杆516的两端分别通过限位卡槽514与保护盒6的前后内侧壁建立滑动连接，弹簧56的两端分别与第一限位滑杆515和第二限位滑杆516固定连接；
所述第一挠度传递斜撑54的一端与第二限位滑杆516转动连接，第一挠度传递斜撑54的另一端与水平挠度传递杆53的左侧转动连接，第二挠度传递斜撑55的一端与第二限位滑杆516转动连接，第二挠度传递斜撑55的另一端与水平挠度传递杆53的右侧转动连接，竖向挠度传递杆52的底端与保护盒6内部水平挠度传递杆53固定连接，竖向挠度传递杆52的顶端探出保护盒6后与挠度感应盘51固定连接，所述弹簧56上安装有第五光纤光栅应变传感器57，左气压感应桶510的左侧壁上安装有第六光纤光栅应变传感器58，右气压感应桶511的右侧壁上安装有第七光纤光栅应变传感器59，所述左气压感应桶510的左侧壁和右气压感应桶511的右侧壁均设置为感0应片，第六光纤光栅应变传感器58和第七光纤光栅应变传感器59均粘贴与感应片的外侧。
所述第一光纤光栅应变传感器33、第二光纤光栅应变传感器34、第三光纤光栅应变传感器39、第四光纤光栅应变传感器310、第五光纤光栅应变传感器57、第六光纤光栅应变传感器58和第七光纤光栅应变传感器59均为光纤光栅应变传感器，保护盒6内设置有1个光纤光栅温度补偿传感器。温度补偿传感器不受力作用，仅监测装置内温度变化，用以补偿温度对光纤光栅应变传感器带来的数据误差，实现监测对象的变形监测，以反应出监测指标的变化。
具体实施方式二：结合图1-图9说明本实施方式，基于具体实施方式一所述的一种桥梁多监测指标一体化测量装置，本实施方式的一种桥梁多监测指标一体化测量方法，包括：
步骤1，根据桥梁跨度，定制横向固定板11，横向固定板11通过竖向固定板12固定于桥梁的底部；
步骤2，横向固定板11的长度为L，在横向固定板11的两端、L/4、L/2、3L/4的位置处分别布置有挠度测量组2，挠度测量组2总计5个；
步骤3，将每个挠度测量组2顶部的挠度感应盘51通过螺栓与桥梁的主梁底部固定连接；
步骤4，当桥上有车辆通过时，每个挠度测量组2依次测得5个点位的横纵向倾角、横纵向加速度、竖向位移数据；
步骤5，所述横纵向加速度通过基于加速度的横纵向位移监测原理，以及所述横纵向倾角通过基于倾角数据的横纵向位移监测原理计算获得两组横纵向位移数据；
步骤6，若步骤5中计算获得的两组横纵向位移数据的误差在2％以内，则表明加速度和倾角测量装置均无异常，以基于倾角数据的横纵向位移监测原理获得的横纵向位移数据作为真实横纵向测量数据，进入步骤7；
若步骤5中计算获得的两组横纵向位移数据的误差大于2％，则判断两组测量装置存在异常，检查装置是否损坏；
步骤7，将每个挠度测量组2依次测得5个点位的竖向位移数据根据桥梁的走向，依次将同一时间点的竖向位移数据进行连线，得到桥梁的竖向挠度曲线，由于每个挠度测量组2测量得到的桥梁挠度是随着车辆荷载移动而实时测量，故竖向挠度为动挠度；
步骤8，同理，将步骤7中设定的横纵向位移数据，根据桥梁的走向测得5个点位，依次将同一时间点的数据进行连线，得到桥梁的横纵向位移曲线，进而得到桥梁沿着桥梁走向的三维位移曲线，可获取桥梁三维方向上的位移随时间的变化曲线；
步骤9，通过实时的得到桥梁的横纵向倾角、横纵向加速度、三维位移，将竖向位移数据沿着桥梁纵向位置相连，可得到时空分布下的桥梁动静挠度变化曲线，实现对桥梁多监测指标的一体化测量。
所述横纵向倾角通过倾角测量原理测量获得，具体为：
当桥上有车辆通过，桥梁监测点位发生横向倾斜时，在方向限定滑槽35的作用下，磁力重力球32会因重力朝限定方向摆动，由于磁力重力球32与第一磁力感应片36和第二磁力感应片37的磁力始终是相斥的，故当磁力重力球32发生摆动时，磁力发生变化，导致第一磁力感应片36和第二磁力感应片37发生不同程度的挤压变形，第三光纤光栅应变传感器39和第四光纤光栅应变传感器310可实时测量第一磁力感应片36和第二磁力感应片37的变形量，进而通过第三光纤光栅应变传感器39和第四光纤光栅应变传感器310测量出的变形量实时的反映倾角的变化量，即测得横纵向倾角。
具体地，横向倾角监测装置3测量横纵向倾角中的横向倾角，当桥梁监测点位发生横向倾斜时，在方向限定滑槽35的作用下，磁力重力球32会因重力朝限定方向摆动，由于磁力重力球32与第一磁力感应片36和第二磁力感应片37的磁力始终是相斥的，故当磁力重力球32发生摆动时，横向倾角监测装置3内的磁力发生变化，导致第一磁力感应片36和第二磁力感应片37发生不同程度的挤压变形，第三光纤光栅应变传感器39和第四光纤光栅应变传感器310可实时测量第一磁力感应片36和第二磁力感应片37的变形量，进而通过第三光纤光栅应变传感器39和第四光纤光栅应变传感器310测量出的变形量实时的反映倾角的变化量，即测得横向倾角；
同理，纵向倾角监测装置4测量横纵向倾角中的纵向倾角，当桥梁监测点位发生纵向倾斜时，在方向限定滑槽35的作用下，磁力重力球32会因重力朝限定方向摆动，由于磁力重力球32与第一磁力感应片36和第二磁力感应片37的磁力始终是相斥的，故当磁力重力球32发生摆动时，纵向倾角监测装置4内的磁力发生变化，导致第一磁力感应片36和第二磁力感应片37发生不同程度的挤压变形，第三光纤光栅应变传感器39和第四光纤光栅应变传感器310可实时测量第一磁力感应片36和第二磁力感应片37的变形量，进而通过第三光纤光栅应变传感器39和第四光纤光栅应变传感器310测量出的变形量实时的反映倾角的变化量，即测得纵向倾角。
通过光纤光栅应变传感器可测出桥梁结构在各自方向上的倾角大小，具体如下：
其中，σ为第三光纤光栅应变传感器39或第四光纤光栅应变传感器310测量出的应力大小，即应变量，E为弹性模量，ε为第一磁力感应片36和第二磁力感应片37的应变值，A为第一磁力感应片36和第二磁力感应片37的面积；F为磁性摆动块与感应片之间的斥力大小，随着两者之间的距离缩短，斥力越大，两者呈线性关系，斥力越大反映方向的倾角越大，进而导致光纤光栅应变传感器测的应变值越大。
计算第三光纤光栅应变传感器39和第四光纤光栅应变传感器310的波长变化量，得到应变量σ，对应变量σ与倾角的关系进行实验室拟合，得到应变量σ与倾角的线性关系曲线；
当读取第三光纤光栅应变传感器39和第四光纤光栅应变传感器310的波长的变化量时，得到应变量σ，再通过应变量σ与倾角的线性关系曲线，得到倾角值θ，即横纵向倾角；
其中，γ为应变量σ与倾角的线性关系曲线系数，bt2和bt1为光纤光栅应变传感器在t2和t1时刻的波长值。
所述横纵向加速度通过加速度测量原理获得，具体为：
当桥上有车辆通过时，外界发生振动，会导致横向倾角监测装置3和纵向倾角监测装置4发生偏转晃动，其中倾角摆动杆31上两个方向分别粘贴的第一光纤光栅应变传感器33和第二光纤光栅应变传感器34，会跟随倾角摆动杆31发生单一方向上的往返摆动，摆动进而会导致第一光纤光栅应变传感器33和第二光纤光栅应变传感器34的波长发生变化，通过读取波长变化的频率，即可得到横纵向方向上的振动加速度如下式：
其中，tn和tn-1分别为连续两次波长变化的时间。
所述基于加速度的横纵向位移监测原理具体为：
通过实时测量倾角摆动杆上粘贴的光纤光栅应变传感器的波长变化频率，可以得到桥梁在横纵向方向上的振动加速度对横纵向方向上的振动加速度/>进行二次积分可得到桥梁在横纵向上的位移值，如下式：
其中，X和Y分别为横纵向上的位移值，和/>分别为t时候横纵向上的加速度值。
所述基于倾角数据的横纵向位移监测原理具体为：
首先将挠度测量组2固定于桥梁结构上，使其完全与桥梁结构固结。当桥上有车辆通过时，外界发生振动，会导致横向倾角监测装置3和纵向倾角监测装置4发生偏转晃动，获得横纵向倾角，对横纵向倾角采用最小二乘法，可得到横纵向位移，如下：
假定跨桥梁的横向位移曲线为h(x)，纵向位移曲线为h(y)，在跨布置m个挠度测量组2，位移曲线满足跨所有支座的边界约束条件，如下式：
其中，A(x)为满足段桥梁支座边界条件的横向函数，A(y)为满足段桥梁支座边界条件的纵向函数，Xj是基函数gj(x)的一组常系数，gj(x)为一组横向函数组，是m-1维线性空间的一组基，Yj是基函数gj(y)的一组常系数，gj(y)为一组纵向函数组，是m-1维线性空间的一组基。
位移的一阶导数为转角，对公式(1.6)和公式(1.7)分别求一阶导数，再代入现场实测的倾角值θ，就可以得到公式(1.8)和公式(1.9)：
式中，A'(x)是横向函数A(x)对x的一阶导数，gj'(x)是横向函数组gj(x)对x的一阶导数，θxj为现场实测的横向倾角值；A'(y)是纵向函数A(y)对y的一阶导数，gj'(y)是纵向函数组gj(y)对y的一阶导数，θyj为现场实测的纵向倾角值；
因为公式(1.6)至公式(1.9)是m个方程的方程组，包含了m-1个未知数，所以通过最小二乘法，求得最优解Xj，Yj(j＝1,2,…,m-1)，它比其他任何一组解更好地满足方程，故假定目标函数F(X1,X2,…,Xm-1)，F(Y1,Y2,…,Ym-1)，如下：
θ(Xj)为计算得到的第j个测点的横向倾角值，θ(Yj)为计算得到的第j个测点的纵向倾角值，采用最小二乘法，计算目标函数为最小值的一组解，即所求的最佳解Xj，Yj，须满足下式：
得到一个m-1阶方程组，然后计算得到一组最优解Xj，Yj(j＝1,2,…,m-1)，将这组最优解代入公式(1.6)和公式(1.7)，得到跨桥梁的横纵向位移曲线；
最后计算出每个时刻整个桥梁所有测点位的横纵向位移后，便得到每个测点在0～f时间段的横纵向位移时程曲线。
所述竖向位移数据通过挠度测量装置5根据竖向动静位移的测量原理测量获得，具体如下：
将挠度感应盘51通过6个膨胀螺栓与桥梁紧密连接，桥梁发生竖向挠度时，将挤压竖向挠度传递杆52，杆就竖向挠度转换为竖向压力，传递给水平挠度传递杆53，水平挠度传递杆53因受压，带动第一挠度传递斜撑54和第二挠度传递斜撑55发生滑动。在第一限位滑杆515和第二限位滑杆516的作用下，第一挠度传递斜撑54和第二挠度传递斜撑55仅往两边移动，避免多向移动导致数据不精准。
第一挠度传递斜撑54和第二挠度传递斜撑55的两边移动带动弹簧56发生拉伸，在弹簧56上粘贴第五光纤光栅应变传感器57，可实时的测量弹簧56的拉伸量。
同时，第一挠度传递斜撑54和第二挠度传递斜撑55在两边移动的过程中，左气压感应桶510和右气压感应桶511因桶内气压的不同，导致桶底侧的感应片发生拉压变形。第六光纤光栅应变传感器58和第七光纤光栅应变传感器59粘贴于感应片的外侧，实时的监测因桶内气压导致的感应片的形变量。根据感应片的形变量，实时的反映挠度的变化量。
由于挠度感应盘51与桥梁主体紧密连接，且第六光纤光栅应变传感器58和第七光纤光栅应变传感器59可实时监测感应片的动态应变变化量。弹簧上粘贴的第五光纤光栅应变传感器57数据可用于校核本实施方式的挠度测量数据。
同时设置一个光纤光栅温度补偿传感器，可实时的抵消温度对其他应变传感器的影响。故本实施方式的挠度测量装置5可监测桥梁因车辆荷载作用产生的实时单点竖向动位移。
由于光纤光栅应变传感器的应变数据由光栅波长转换而来，因此在设备初设安装时，有一个初设波长，即初始应变值。随着地基沉降或桥梁自身重力影响，桥梁产生了单点竖向静位移。挠度测量装置5可通过一段时间的波长差值变化，反映出桥梁单点竖向位移的相对变化量，实现桥梁静位移的周期测量。
本实施方式将单个挠度测量装置通过搭接的方式，固定于横向固定板11上，板横向与梁体平行。纵向固定板12通过膨胀螺栓与梁体平行挡板紧密连接。
将本实施方式获取的多个点位的竖向位移进行数据拟合，可获取桥梁主梁的动挠度或静挠度曲线。
本实施方式的一种桥梁多监测指标一体化测量方法是基于一种桥梁多指标监测系统平台实现，即将本实施方式的步骤以及计算公式编码成数据转化算法，嵌入桥梁多指标监测系统平台中，可实时的得到桥梁的横纵向倾角、加速度、三维位移，桥梁多指标监测系统平台的系统模块中包含相互电性连接的数据降噪预处理模块、数据转化模块、数据展示模块和数据存储检索模块，依次实现本实施方式中数据的预处理、转化、展示、保存的功能。
桥梁的动挠度即桥梁因外力作用而产生的实时竖向位移。桥梁倾角即桥梁因外力作用而产生的偏移方向的差值。桥梁加速度即桥梁因移动外力作用而产生的不同方向的振动值。桥梁静挠度即因桥梁自身桥墩沉降或外力作用产生的梁体竖向位移，具有长周期，缓慢变化性。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
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 (9)
1.一种桥梁多监测指标一体化测量装置，其特征在于：包括固定座(1)和挠度测量组(2)，固定座(1)安装有多个挠度测量组(2)，所述挠度测量组(2)包括横向倾角监测装置(3)、纵向倾角监测装置(4)、挠度测量装置(5)和保护盒(6)，保护盒(6)内部安装有横向倾角监测装置(3)、纵向倾角监测装置(4)和挠度测量装置(5)；
所述横向倾角监测装置(3)和纵向倾角监测装置(4)的结构相同，所述横向倾角监测装置(3)与桥梁横向方向平行布置，所述纵向倾角监测装置(4)与桥梁纵向方向平行布置；
所述横向倾角监测装置(3)包括倾角摆动杆(31)、磁力重力球(32)、第一光纤光栅应变传感器(33)、第二光纤光栅应变传感器(34)、方向限定滑槽(35)、第一磁力感应片(36)、第二磁力感应片(37)、横向倾角监测安装壳体(38)、第三光纤光栅应变传感器(39)和第四光纤光栅应变传感器(310)，横向倾角监测安装壳体(38)安装于保护盒(6)的内部，横向倾角监测安装壳体(38)的内部设置有方向限定滑槽(35)，磁力重力球(32)滑动设置于方向限定滑槽(35)内，倾角摆动杆(31)的一端安装于横向倾角监测安装壳体(38)的上方，倾角摆动杆(31)的另一端与磁力重力球(32)固定连接，倾角摆动杆(31)的前后两侧分别设置有第一光纤光栅应变传感器(33)和第二光纤光栅应变传感器(34)，方向限定滑槽(35)的前后两端分别安装有第一磁力感应片(36)和第二磁力感应片(37)，第一磁力感应片(36)和第二磁力感应片(37)上分别安装有第三光纤光栅应变传感器(39)和第四光纤光栅应变传感器(310)；
所述挠度测量装置(5)包括挠度感应盘(51)、竖向挠度传递杆(52)、水平挠度传递杆(53)、第一挠度传递斜撑(54)、第二挠度传递斜撑(55)、弹簧(56)、第五光纤光栅应变传感器(57)、第六光纤光栅应变传感器(58)、第七光纤光栅应变传感器(59)、左气压感应桶(510)、右气压感应桶(511)、左活塞杆(512)、右活塞杆(513)、限位卡槽(514)、第一限位滑杆(515)和第二限位滑杆(516)；
所述保护盒(6)内部底侧左右对称安装有左气压感应桶(510)和右气压感应桶(511)，左气压感应桶(510)和右气压感应桶(511)内分别滑动安装有左活塞杆(512)和右活塞杆(513)，左活塞杆(512)的右侧探出左气压感应桶(510)后，与第一限位滑杆(515)转动连接，右活塞杆(513)的左侧探出右气压感应桶(511)后，与第二限位滑杆(516)转动连接，第一限位滑杆(515)和第二限位滑杆(516)的两端分别通过限位卡槽(514)与保护盒(6)的前后内侧壁建立滑动连接，弹簧(56)的两端分别与第一限位滑杆(515)和第二限位滑杆(516)固定连接；
所述第一挠度传递斜撑(54)的一端与第二限位滑杆(516)转动连接，第一挠度传递斜撑(54)的另一端与水平挠度传递杆(53)的左侧转动连接，第二挠度传递斜撑(55)的一端与第二限位滑杆(516)转动连接，第二挠度传递斜撑(55)的另一端与水平挠度传递杆(53)的右侧转动连接，竖向挠度传递杆(52)的底端与保护盒(6)内部水平挠度传递杆(53)固定连接，竖向挠度传递杆(52)的顶端探出保护盒(6)后与挠度感应盘(51)固定连接，所述弹簧(56)上安装有第五光纤光栅应变传感器(57)，左气压感应桶(510)的左侧壁上安装有第六光纤光栅应变传感器(58)，右气压感应桶(511)的右侧壁上安装有第七光纤光栅应变传感器(59)。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁多监测指标一体化测量装置，其特征在于：所述挠度感应盘(51)与桥梁紧密连接。
3.根据权利要求2所述的一种桥梁多监测指标一体化测量装置，其特征在于：所述左气压感应桶(510)的左侧壁和右气压感应桶(511)的右侧壁均设置为感应片，第六光纤光栅应变传感器(58)和第七光纤光栅应变传感器(59)均粘贴与感应片的外侧。
4.根据权利要求3所述的一种桥梁多监测指标一体化测量装置，其特征在于：所述固定座(1)包括横向固定板(11)和竖向固定板(12)，横向固定板(11)通过竖向固定板(12)固定安装于桥梁的梁体上，且横向固定板(11)与桥梁的梁体平行设置。
5.一种桥梁多监测指标一体化测量方法，是依托于权利要求4所述的一种桥梁多监测指标一体化测量装置实现的测量方法，其特征在于，包括：
步骤1，根据桥梁跨度，定制横向固定板(11)，横向固定板(11)通过竖向固定板(12)固定于桥梁的底部；
步骤2，横向固定板(11)的长度为L，在横向固定板(11)的两端、L/4、L/2、3L/4的位置处分别布置有挠度测量组(2)，挠度测量组(2)总计5个；
步骤3，将每个挠度测量组(2)顶部的挠度感应盘(51)通过螺栓与桥梁的主梁底部固定连接；
步骤4，当桥上有车辆通过时，每个挠度测量组(2)依次测得5个点位的横纵向倾角、横纵向加速度、竖向位移数据；
步骤5，所述横纵向加速度通过基于加速度的横纵向位移监测原理，以及所述横纵向倾角通过基于倾角数据的横纵向位移监测原理计算获得两组横纵向位移数据；
步骤6，若步骤5中计算获得的两组横纵向位移数据的误差在2％以内，则表明加速度和倾角测量装置均无异常，以基于倾角数据的横纵向位移监测原理获得的横纵向位移数据作为真实横纵向测量数据，进入步骤7；
若步骤5中计算获得的两组横纵向位移数据的误差大于2％，则判断两组测量装置存在异常，检查装置是否损坏；
步骤7，将每个挠度测量组(2)依次测得5个点位的竖向位移数据根据桥梁的走向，依次将同一时间点的竖向位移数据进行连线，得到桥梁的竖向挠度曲线，由于每个挠度测量组(2)测量得到的桥梁挠度是随着车辆荷载移动而实时测量，故竖向挠度为动挠度；
步骤8，同理，将步骤7中设定的横纵向位移数据，根据桥梁的走向测得5个点位，依次将同一时间点的数据进行连线，得到桥梁的横纵向位移曲线，进而得到桥梁沿着桥梁走向的三维位移曲线；
步骤9，通过实时的得到桥梁的横纵向倾角、横纵向加速度、三维位移，对桥梁实现多监测指标的一体化测量。
6.根据权利要求5所述的一种桥梁多监测指标一体化测量方法，其特征在于：所述横纵向倾角通过倾角测量原理测量获得，具体为：
当桥上有车辆通过，桥梁监测点位发生横向倾斜时，在方向限定滑槽(35)的作用下，磁力重力球(32)会因重力朝限定方向摆动，由于磁力重力球(32)与第一磁力感应片(36)和第二磁力感应片(37)的磁力始终是相斥的，故当磁力重力球(32)发生摆动时，磁力发生变化，导致第一磁力感应片(36)和第二磁力感应片(37)发生不同程度的挤压变形，第三光纤光栅应变传感器(39)和第四光纤光栅应变传感器(310)可实时测量第一磁力感应片(36)和第二磁力感应片(37)的变形量，进而通过第三光纤光栅应变传感器(39)和第四光纤光栅应变传感器(310)测量出的变形量实时的反映倾角的变化量，即测得横纵向倾角，如下：
其中，σ为第三光纤光栅应变传感器(39)或第四光纤光栅应变传感器(310)测量出的应力大小，即应变量，E为弹性模量，ε为第一磁力感应片(36)和第二磁力感应片(37)的应变值，A为第一磁力感应片(36)和第二磁力感应片(37)的面积；F为磁性摆动块与感应片之间的斥力大小；
计算第三光纤光栅应变传感器(39)和第四光纤光栅应变传感器(310)的波长变化量，得到应变量σ，对应变量σ与倾角的关系进行实验室拟合，得到应变量σ与倾角的线性关系曲线；
当读取第三光纤光栅应变传感器(39)和第四光纤光栅应变传感器(310)的波长的变化量时，得到应变量σ，再通过应变量σ与倾角的线性关系曲线，得到倾角值θ，即横纵向倾角；
其中，γ为应变量σ与倾角的线性关系曲线系数，bt2和bt1为光纤光栅应变传感器在t2和t1时刻的波长值。
7.根据权利要求5所述的一种桥梁多监测指标一体化测量方法，其特征在于：所述横纵向加速度通过加速度测量原理获得，具体为：
当桥上有车辆通过时，外界发生振动，会导致横向倾角监测装置(3)和纵向倾角监测装置(4)发生偏转晃动，其中倾角摆动杆(31)上两个方向分别粘贴的第一光纤光栅应变传感器(33)和第二光纤光栅应变传感器(34)，会跟随倾角摆动杆(31)发生单一方向上的往返摆动，摆动进而会导致第一光纤光栅应变传感器(33)和第二光纤光栅应变传感器(34)的波长发生变化，通过读取波长变化的频率，即可得到横纵向方向上的振动加速度如下式：
其中，tn和tn-1分别为连续两次波长变化的时间。
8.根据权利要求5所述的一种桥梁多监测指标一体化测量方法，其特征在于：所述基于加速度的横纵向位移监测原理具体为：
通过对横纵向方向上的振动加速度进行二次积分可得到桥梁在横纵向上的位移值，如下式：
其中，X和Y分别为横纵向上的位移值，和/>分别为t时候横纵向上的加速度值。
9.根据权利要求5所述的一种桥梁多监测指标一体化测量方法，其特征在于：所述基于倾角数据的横纵向位移监测原理具体为：
当桥上有车辆通过时，外界发生振动，会导致横向倾角监测装置(3)和纵向倾角监测装置(4)发生偏转晃动，获得横纵向倾角，对横纵向倾角采用最小二乘法，得到横纵向位移，如下：
假定跨桥梁的横向位移曲线为h(x)，纵向位移曲线为h(y)，在跨布置m个挠度测量组(2)，位移曲线满足跨所有支座的边界约束条件，如下式：
其中，A(x)为满足桥梁支座边界条件的横向函数，A(y)为满足桥梁支座边界条件的纵向函数，Xj是基函数gj(x)的一组常系数，gj(x)为一组横向函数组，是m-1维线性空间的一组基，Yj是基函数gj(y)的一组常系数，gj(y)为一组纵向函数组，是m-1维线性空间的一组基；
位移的一阶导数为转角，对公式(1.6)和公式(1.7)分别求一阶导数，再代入现场实测的倾角值θ，就可以得到公式(1.8)和公式(1.9)：
式中，A'(x)是横向函数A(x)对x的一阶导数，gj'(x)是横向函数组gj(x)对x的一阶导数，θxj为现场实测的横向倾角值；A'(y)是纵向函数A(y)对y的一阶导数，gj'(y)是纵向函数组gj(y)对y的一阶导数，θyj为现场实测的纵向倾角值；
因为公式(1.6)至公式(1.9)是m个方程的方程组，包含了m-1个未知数，所以通过最小二乘法，求得最优解Xj，Yj(j＝1,2,…,m-1)，故假定目标函数F(X1,X2,…,Xm-1)，F(Y1,Y2,…,Ym-1)，如下：
θ(Xj)为计算得到的第j个测点的横向倾角值，θ(Yj)为计算得到的第j个测点的纵向倾角值，采用最小二乘法，计算目标函数为最小值的一组解，即所求的最佳解Xj，Yj，如下：
得到一个m-1阶方程组，然后计算得到一组最优解Xj，Yj(j＝1,2,…,m-1)，将这组最优解代入公式(1.6)和公式(1.7)，得到跨桥梁的横纵向位移曲线；
最后计算出每个时刻整个桥梁所有测点位的横纵向位移后，便得到每个测点在0～f时间段的横纵向位移时程曲线。
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| 基于挠度及有效预应力分析的高墩大跨度桥梁施工测量技术研究;龚颖男;城市勘测(第3期);第170-172页 * |
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