CN213688204U - 桥梁支座健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了桥梁支座健康监测系统，包括：摩擦发电机，其第一电极和第二电极分别设置在支座上钢板和支座上；功率放大器，其输入端接摩擦发电机的输出端；激振器，其输入端接功率放大器的输出端；能量收集装置，其设置在激振器上；能量收集电路，其输入端接能量收集装置的输出端；无线采集与传输单元，其与能量收集电路连接；接收终端，其接收通过无线采集与传输单元传输的电流信号信息；监测云平台，其与接收终端连接，接收终端将接收的信息发送到监测云平台。本实用新型安装方便、灵活，稳定可靠，鲁棒性能好，可作为野外桥梁结构健康监测系统。

Description

桥梁支座健康监测系统

技术领域

本实用新型涉及桥梁监测系统领域。更具体地说，本实用新型涉及桥梁支座健康监测系统。

背景技术

桥梁支座是桥梁上部和下部结构之间来实现传递荷载、协调结构变形、保证结构安全的重要构件，其损伤或者破坏会直接引起桥梁上下部结构的受力偏差或失衡，进而引发其他构件的损伤及破坏，加速桥梁寿命的衰减，直接对桥梁结构的整体安全性造成威胁。随着经济的发展、交通量的増大，桥梁支座的损伤或者破坏己经成为我国现役桥梁的主要病害之一。

如果桥梁结构的主要受力构件的强度和刚度因遭受断裂、冲击或其他影响而有明显退化时，桥梁荷载的空间分布发生改变。桥梁支座作为桥梁结构上部结构和下部结构直接的主要传力构件，桥梁支座的力和应变等参数将会发生较大变化。支座的力和应变等参数的变化规律可以很大程度上反应桥梁的整体损伤情况，因而加强桥梁支座的健康监测对于评估桥梁的整体安全性具有重要作用。

目前定期人工检测是获得桥梁支座健康状况的常用手段，但鉴于桥梁支座一般处于恶劣、隐蔽的工程环境中，人工检测方法的局限性导致很多病害不能被及时发现和处理。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供桥梁支座健康监测系统，本系统安装方便、灵活，稳定可靠，鲁棒性能好，可作为野外桥梁结构健康监测系统。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了桥梁支座健康监测系统，包括：

摩擦发电机，其第一电极和第二电极分别设置在支座上钢板和支座上；

功率放大器，其输入端接摩擦发电机的输出端；

激振器，其输入端接功率放大器的输出端；

能量收集装置，其设置在激振器上，当激振器振动时，能带动能量收集装置振动；

能量收集电路，其输入端接能量收集装置的输出端；

无线采集与传输单元，其与能量收集电路连接，并采集能量收集电路传输的电流信号；

接收终端，其接收通过无线采集与传输单元传输的电流信号信息；

监测云平台，其与接收终端连接，接收终端将接收的信息发送到监测云平台。

优选的是，所述的桥梁支座健康监测系统中，还包括：

驱动装置，其与支座连接，用于带动支座沿桥梁的延伸方向移动；

工控机，其与驱动装置连接，并通过无线采集与传输单元和监测云平台连接。

优选的是，所述的桥梁支座健康监测系统中，所述驱动装置包括：

电动液压机，其固设在墩体上，并与支座相对；

两根液压调节杆，其分别固设在支座的两侧，并分别与电动液压机连接，电动液压机带动两根液压调节杆沿桥梁的延伸方向伸缩，以使支座沿桥梁的延伸方向移动。

优选的是，所述的桥梁支座健康监测系统中，所述支座为板式橡胶支座、盆式橡胶支座或抗震支座。

优选的是，所述的桥梁支座健康监测系统中，所述无线采集与传输单元和能量收集电路连接，能量收集电路为无线采集与传输单元供电。

优选的是，所述的桥梁支座健康监测系统中，所述驱动装置与太阳能发电装置或风力发电装置连接。

采用桥梁支座健康监测系统调节支座的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、当支座移动时，摩擦发电机将机械能转变为电能，并通过功率放大器把电信号放大，放大的电信号激励激振器振动，从而带动能量收集装置振动，能量收集装置在振动下输出电流，输出的电流通过能量收集电路进行收集，无线采集与传输单元采集能量收集电路传输的电流信号，并将采集到的电流信号信息发送到接收终端，接收终端将接收的信息发送到监测云平台；

步骤二、监测云平台根据接收的信息计算摩擦发电电流增量δI，并通过摩擦发电电流增量δI计算支座移动距离δD，支座移动距离δD计算公式为：

δD＝k*δI；

其中，k为比例系数，支座偏向跨中移动时，发电电流增量δI和支座移动距离δD为正值，反之为负值；

比例系数k由以下方法得到：测量支座移动距离δD＇，并通过步骤一和步骤二的方法计算摩擦发电电流增量δI，通过计算公式k＇＝δD＇/δI计算得到比例系数k＇，当测量次数为一次时，比例系数k＇即为比例系数k，当测量次数为多次时，对多次计算得到的比例系数k＇取平均值，即得比例系数k；

步骤三、监测云平台根据计算出的支座移动距离δD，通过无线采集与传输单元将驱动装置的运行信息传输给工控机，工控机控制驱动装置运行，其中，当δD为正值时，工控机控制驱动装置带动支座沿着背离跨中的方向移动δD，当δD为负值时，工控机控制驱动装置带动支座朝向跨中的方向移动︱δD︱。

本实用新型至少包括以下有益效果：

本实用新型提供的系统安装方便、灵活，稳定可靠，鲁棒性能好，可作为野外桥梁结构健康监测系统。

本实用新型充分利用板式橡胶支座或盆式橡胶支座处摩擦力较大的特点，通过摩擦发电机将摩擦能转换为电能；与此同时，通过监控智能支座处摩擦发电的电流稳定性，可以监控智能支座结构的健康状态；对于偏差较小的支座偏位等病害，可以通过获取的电流大小进行反馈调节，使智能支座产生反向位移，实现智能支座的反向调节。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是根据本实用新型一个实施例的桥梁支座的结构示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的电动液压机在墩体上的结构示意图；

图3是根据本实用新型一个实施例的液压调节杆的结构示意图；

1-梁体、2-支座上钢板、3-摩擦发电机、4-支座、5-墩体、6-电动液压机、7-液压调节杆。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元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实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型提供桥梁支座健康监测系统，包括：

摩擦发电机3，其第一电极301和第二电极302分别通过粘胶固定在梁体1底部的支座上钢板2和支座4上，用于将智能支座处摩擦产生的机械能转化为电能；当上下极板(第一电极和第二电极)接触时会在不同材料表面感应出等量反向电荷。当上极板或下极板发生滑动时，正电荷和负电荷的电荷中心发生偏移，为了平衡这种电荷极化，电极中的电子会在外电路中往复流动。同样在该周期里，机械能转变为电能，在外部电路形成电信号。

功率放大器，其输入端接摩擦发电机的输出端，通过功率放大器把电信号放大，放大的电信号激励激振器振动，从而带动低功率能量收集装置振动，低功率能量收集装置在振动下输出电流，输出的电流通过低功率能量收集电路进行收集；

激振器，其输入端接功率放大器的输出端；

能量收集装置，其设置在激振器上，当激振器振动时，能带动能量收集装置振动；

能量收集电路，其输入端接能量收集装置的输出端；

无线采集与传输单元，其与能量收集电路连接，并采集能量收集电路传输的电流信号；能量收集电路连接无线采集与传输单元，同时无线采集与传输单元将采集到的电流信号信息发送到接收终端。

接收终端，其接收通过无线采集与传输单元传输的电流信号信息；

监测云平台，其与接收终端连接，接收终端将接收的信息发送到监测云平台。

本方案提供的桥梁支座健康监测系统，在使用时，当支座移动时，摩擦发电机将机械能转变为电能，并通过功率放大器把电信号放大，放大的电信号激励激振器振动，从而带动能量收集装置振动，能量收集装置在振动下输出电流，输出的电流通过能量收集电路进行收集，无线采集与传输单元采集能量收集电路传输的电流信号，并将采集到的电流信号信息发送到接收终端，接收终端将接收的信息发送到监测云平台。监测云平台直观展示智能支座处摩擦发电的电流特性，可以通过监测电流的稳定性监控智能支座结构的健康状态。进而实现监控整桥结构健康状态，尤其是发生地震、落梁、坍塌及其他事故时，摩擦力会发生突变，会导致电流数值异常，从而实现结构性能预测或者事故及时预警。

低功率能量收集装置转换效率为负载电阻消耗平均功率和摩擦力产生平均功率的比值。低功率能量收集装置在正常工作时，装置获得的外界平均功率：

式中T是惯性环节的时间常数，M为低功率能量收集装置的总质量，A₀为振幅，ω为外界振动频率。

负载R_f消耗功率：

式中R_f为负载电阻，R_n为压电陶瓷内阻，R_c＝Cω，C为压电陶瓷内部电容大小，v(t)为低功率能量收集装置的运动速度。

根据能量转换效率的定义给出公式：

根据公式可知要获得最大的能量转换效率，则负载的获得功率要最大：

负载获得的最大功率：

则：

通过化简得到：

可以得到转换效率与压电陶瓷的内阻和外界负载的和成反比，与电压的平方成正比关系，当M、A₀、ω值确定时要选择合适的外接负载并增大输出电压来提高转换效率。

在另一种技术方案中，所述的桥梁支座健康监测系统中，如图2和3所示，还包括：

驱动装置，其与支座连接，用于带动支座沿桥梁的延伸方向移动；

工控机，其与驱动装置连接，并通过无线采集与传输单元和监测云平台连接。对于偏差较小的支座偏位等病害，可以通过对其进行反馈控制，使智能支座产生反向位移，实现智能支座的反向调节。

采用桥梁支座健康监测系统调节支座的方法，包括以下步骤：

步骤一、当支座移动时，摩擦发电机将机械能转变为电能，并通过功率放大器把电信号放大，放大的电信号激励激振器振动，从而带动能量收集装置振动，能量收集装置在振动下输出电流，输出的电流通过能量收集电路进行收集，无线采集与传输单元采集能量收集电路传输的电流信号，并将采集到的电流信号信息发送到接收终端，接收终端将接收的信息发送到监测云平台；

步骤二、监测云平台根据接收的信息计算摩擦发电电流增量δI，并通过摩擦发电电流增量δI计算支座移动距离δD，支座移动距离δD计算公式为：

δD＝k*δI；

其中，k为比例系数，支座偏向跨中移动时，发电电流增量δI和支座移动距离δD为正值，反之为负值；

比例系数k由以下方法得到：人工测量支座移动距离δD＇，并通过步骤一和步骤二的方法计算摩擦发电电流增量δI，通过计算公式k＇＝δD＇/δI计算得到比例系数k＇，当测量次数为一次时，比例系数k＇即为比例系数k，当测量次数为多次时，对多次计算得到的比例系数k＇取平均值，即得比例系数k；

步骤三、监测云平台根据计算出的支座移动距离δD，通过无线采集与传输单元将驱动装置的运行信息传输给工控机，工控机控制驱动装置运行，其中，当δD为正值时，工控机控制驱动装置带动支座沿着背离跨中的方向移动δD，当δD为负值时，工控机控制驱动装置带动支座朝向跨中的方向移动︱δD︱。

在另一种技术方案中，所述的桥梁支座健康监测系统中，所述驱动装置包括：

电动液压机6，其固设在墩体5上，并与支座相对；

两根液压调节杆7，其分别固设在支座的两侧，并分别与电动液压机连接，电动液压机带动两根液压调节杆沿桥梁的延伸方向伸缩，以使支座沿桥梁的延伸方向移动。因两根液压调节杆分别固设在支座的两侧，在电动液压机带动两根液压调节杆沿桥梁的延伸方向伸缩时，能使支座移动地更稳定。

在另一种技术方案中，所述的桥梁支座健康监测系统中，所述支座为板式橡胶支座、盆式橡胶支座或抗震支座。

在另一种技术方案中，所述的桥梁支座健康监测系统中，所述无线采集与传输单元和能量收集电路连接，能量收集电路为无线采集与传输单元供电。能量收集电路连接无线采集与传输单元并为之提供能量，同时无线采集与传输单元将采集到的电流信号信息发送到接收终端。

在另一种技术方案中，所述的桥梁支座健康监测系统中，所述驱动装置与太阳能发电装置或风力发电装置连接。驱动装置通过太阳能发电装置或风力发电装置产生的电能供电，这样能使系统能在野外稳定运行。

采用桥梁支座健康监测系统调节支座的方法，包括以下步骤：

步骤一、当支座移动时，摩擦发电机将机械能转变为电能，并通过功率放大器把电信号放大，放大的电信号激励激振器振动，从而带动能量收集装置振动，能量收集装置在振动下输出电流，输出的电流通过能量收集电路进行收集，无线采集与传输单元采集能量收集电路传输的电流信号，并将采集到的电流信号信息发送到接收终端，接收终端将接收的信息发送到监测云平台；

步骤二、监测云平台根据接收的信息计算摩擦发电电流增量δI，并通过摩擦发电电流增量δI计算支座移动距离δD，支座移动距离δD计算公式为：

δD＝k*δI；

其中，k为比例系数，支座偏向跨中移动时，发电电流增量δI和支座移动距离δD为正值，反之为负值；

比例系数k由以下方法得到：人工测量支座移动距离δD＇，并通过步骤一和步骤二的方法计算摩擦发电电流增量δI，通过计算公式k＇＝δD＇/δI计算得到比例系数k＇，当测量次数为一次时，比例系数k＇即为比例系数k，当测量次数为多次时，对多次计算得到的比例系数k＇取平均值，即得比例系数k；

步骤三、监测云平台根据计算出的支座移动距离δD，通过无线采集与传输单元将驱动装置的运行信息传输给工控机，工控机控制驱动装置运行，其中，当δD为正值时，工控机控制驱动装置带动支座沿着背离跨中的方向移动δD，当δD为负值时，工控机控制驱动装置带动支座朝向跨中的方向移动︱δD︱。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.桥梁支座健康监测系统，其特征在于，包括：

摩擦发电机，其第一电极和第二电极分别设置在支座上钢板和支座上；

功率放大器，其输入端接摩擦发电机的输出端；

激振器，其输入端接功率放大器的输出端；

能量收集装置，其设置在激振器上，当激振器振动时，能带动能量收集装置振动；

能量收集电路，其输入端接能量收集装置的输出端；

无线采集与传输单元，其与能量收集电路连接，并采集能量收集电路传输的电流信号；

接收终端，其接收通过无线采集与传输单元传输的电流信号信息；

监测云平台，其与接收终端连接，接收终端将接收的信息发送到监测云平台；

驱动装置，其与支座连接，用于带动支座沿桥梁的延伸方向移动；

工控机，其与驱动装置连接，并通过无线采集与传输单元和监测云平台连接。

2.如权利要求1所述的桥梁支座健康监测系统，其特征在于，所述驱动装置包括：

电动液压机，其固设在墩体上，并与支座相对；

两根液压调节杆，其分别固设在支座的两侧，并分别与电动液压机连接，电动液压机带动两根液压调节杆沿桥梁的延伸方向伸缩，以使支座沿桥梁的延伸方向移动。

3.如权利要求1所述的桥梁支座健康监测系统，其特征在于，所述支座为板式橡胶支座、盆式橡胶支座或抗震支座。

4.如权利要求1所述的桥梁支座健康监测系统，其特征在于，所述无线采集与传输单元和能量收集电路连接，能量收集电路为无线采集与传输单元供电。

5.如权利要求1所述的桥梁支座健康监测系统，其特征在于，所述驱动装置与太阳能发电装置连接。

6.如权利要求1所述的桥梁支座健康监测系统，其特征在于，所述驱动装置与太阳能发电装置连接。

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