CN218035590U - 一种波形钢腹板桥梁健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种波形钢腹板桥梁健康监测系统，包括传感器子系统、数据采集与传输子系统、健康监控平台；其中，所述传感器子系统包括各个传感器单元，每一个传感器单元通过所述数据采集和传输子系统连接健康监控平台；所述传感器单元为温湿度传感器、用于监测车辆载荷的动态称重系统、用于监测船舶撞击情况的船舶撞击监测系统、用于监测桥岸地表振动情况的地震监测系统、用于监测主梁位移的主梁位移监测系统、用于监测主梁应变的主梁应变监测系统、用于监测体外预应力的体外预应力监测系统、用于监测混凝土与钢腹板连接处是否有相对滑移的抗剪连接件监测系统、结构温度监测系统。本系统根据波形钢腹板桥的受力特点设置传感器来对桥梁进行监控。

Description

一种波形钢腹板桥梁健康监测系统

技术领域

本实用新型涉及桥梁监测技术领域，特别涉及一种波形钢腹板桥梁健康监测系统。

背景技术

对于工程结构常见的大跨径梁式桥来说，除了具有优越的跨越能力外，腹板开裂问题严重影响结构的安全，一直困扰着工程界。因此，钢混组合结构波形钢腹板桥应运而生，结构的顶、底板主要由混凝土承受压应力，结构的腹板由钢板承受剪应力，其充分发挥了混凝土的抗压强度高与钢材的抗剪强度强的优势，并能够减轻25％～30％的箱梁结构自重，结构受力十分合理。虽然，波形钢腹板桥具有结构受力合理、可工厂化预制、施工便捷等优势，但仍存在由于组合结构的复杂而导致局部受力难以准确掌握的问题，不利于波形钢腹板桥梁运营期的维修养护。

桥梁健康监测属于多学科领域交叉的信息化技术，包括土木工程、计算机科学、电子信息技术、通讯工程等专业。已有公告号为CN214149734U的中国实用新型专利提出了一种桥梁监测系统，能够同时测量桥梁梁板的动静态挠度及梁板曲面变化，但是不能综合考虑影响桥梁结构安全的其他因素，从而导致桥梁监测不准确，且监测方式并没有充分考虑该种类型桥梁的结构特点，对于波形钢腹板桥梁这种复杂组合梁结构并不完全适用。因此，针对波形钢腹板桥梁的结构特点，提出一种波形钢腹板桥梁健康监测系统是十分必要的，以根据波形钢腹板桥的受力特点设置传感器来对桥梁进行监控监测，从而为桥梁运营期的维修养护提供合理化建议。

实用新型内容

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种波形钢腹板桥梁健康监测系统，包括传感器子系统、数据采集与传输子系统、健康监控平台；其中，所述传感器子系统包括各个传感器单元，每一个传感器单元通过所述数据采集和传输子系统连接健康监控平台；所述传感器单元为：

用于监测环境温湿度变化的温湿度传感器，所述温湿度传感器设置在桥梁中跨的跨中；

用于监测车辆载荷的动态称重系统，所述动态称重系统设置在桥梁长度方向上的两侧桥台位置处，每一处的动态称重系统均包括用于监测车辆重量的称重传感器、用于检测车辆分离的线圈传感器和用于监测车流量的车牌识别系统摄像机；

用于监测船舶撞击情况的船舶撞击监测系统，所述船舶撞击监测系统包括航道视频监控和桥墩加速度监控，所述航道视频监控布置在桥梁通航孔L/2截面的上游和下游位置处，其为高清视频摄像机，所述桥墩加速度监控布置在桥梁通航孔两侧的桥墩墩顶处，其为加速度传感器；

用于监测桥岸地表振动情况的地震监测系统，所述地震监测系统布置在桥梁岸边，其为加速度传感器；

用于监测主梁位移的主梁位移监测系统，所述主梁位移监测系统包括梁端纵向位移监测单元和主梁竖向位移监测单元，所述梁端纵向位移监测单元采用拉绳式位移计，其布置在梁端的桥梁伸缩缝位置处，所述主梁竖向位移监测单元采用静力水准仪，其在桥梁桥跨内的L/4、 L/2、3L/4截面处均设置有，且均布置在梁体腹板外侧；

用于监测主梁应变的主梁应变监测系统，所述主梁应变监测系统采用静态应变传感器，其在桥梁主跨的最大正弯矩截面和最大负弯矩截面、桥梁边跨的最大正弯矩截面和最大负弯矩截面均设置有，且均布置在截面的顶板、底板及腹板处；

用于监测体外预应力钢绞线的体外预应力监测系统，所述体外预应力监测系统采用光纤光栅传感器，其安装在桥梁钢绞线上；

用于监测混凝土与钢腹板连接处是否有相对滑移的抗剪连接件监测系统，所述抗剪连接件监测系统采用错位计，其布置在桥梁桥跨最大正弯矩截面及墩顶最大负弯矩截面处，每个截面的测点布置在腹板与顶板、底板的连接位置处；

用于监测桥梁结构温度的结构温度监测系统，所述结构温度系统采用温度传感器，其布置在桥梁桥跨的L/2、L/4、3L/4截面处，且均布置在截面的混凝土结构与钢腹板结构上；

用于检测主梁振动情况的主梁振动系统，所述主梁振动系统采用加速度传感器，其布置在桥梁桥跨的L/2、L/4、3L/4截面处，且均布置在每个截面对应的桥梁箱的底板上；

上述的L指的是桥梁单跨的跨径长度。

优选地，所述温湿度传感器包括温度计和湿度计。

优选地，所述称重传感器为压电称重传感器。

优选地，所述加速度传感器均为三轴加速度传感器。

优选地，所述数据采集与传输子系统包括温湿度采集仪、静力水准采集仪、位移采集仪、静态应变采集仪、光纤光栅解调仪、振动信号采集仪、光纤收发器、称重数据采集仪，其中，所述温湿度采集仪与温湿度传感器通过数据线缆相连接，所述静力水准采集仪与静力水准仪通过数据线缆相连接，所述位移采集仪通过数据线缆与拉绳式位移计、错位计相连接，所述静态应变采集仪通过数据线缆与静态应变传感器相连接，所述光纤光栅解调仪通过数据线缆与光纤光栅传感器相连接，所述振动信号采集仪通过同轴线缆与加速度传感器相连接，所述光纤收发器通过网络线缆与各个摄像机相连接，所述称重数据采集仪通过数据线缆与称重传感器、线圈传感器相连接；所述温湿度采集仪、静力水准采集仪和位移采集仪通过网络线缆与串口服务器相连接，所述光纤光栅解调仪、振动信号采集仪、光纤收发器和称重数据采集仪通过网络线缆与光交换机相连接，所述光交换机、串口服务器和静态应变采集仪通过网络线缆与健康监控平台相连接。

优选地，所述健康监测平台包括现场工控主机。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型提供的一种波形钢腹板桥健康监测系统，通过传感器子系统设置多个传感器单元，从而使得本监测系统可以更为全面的感知桥梁的结构状态，进而对桥梁的健康状态进行实时的监控，方便工作人员及时发现桥梁的异常并对异常进行处理，实现桥梁营运期维修养护的目的，提高桥梁运营期的使用安全性。

2、本实用新型的系统框架思路清晰、系统功能全面、普适性强，可实现波形钢腹板桥结构状态实时监测、状态预警及管养维护的闭环式智能系统管理，具有很高的推广价值。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构框图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

请参阅图1，在本实用新型的一种较佳实施方式中，一种波形钢腹板桥梁健康监测系统，包括传感器子系统、数据采集与传输子系统、健康监控平台。其中，所述传感器子系统包括各个传感器单元，每一个传感器单元通过所述数据采集和传输子系统连接健康监控平台。

所述传感器单元为：

用于监测环境温湿度变化的温湿度传感器，所述温湿度传感器设置在桥梁中跨的跨中；所述温湿度传感器包括温度计和湿度计，具体的，所述温度计采用的是-40℃至+60℃、误差≤±0.5℃的温度计，所述湿度计采用的是0至100％RH、误差≤±2％RH的湿度计。

用于监测车辆载荷的动态称重系统，所述动态称重系统设置在桥梁长度方向上的两侧桥台位置处，每一处的动态称重系统均包括用于监测车辆重量的称重传感器、用于检测车辆分离的线圈传感器和用于监测车流量的车牌识别系统摄像机，即，通过动态称重系统对行驶至桥梁上的车辆的重量和车流量进行监测；优选的，所述称重传感器为压电称重传感器，具体是采用测速精度≤±1.5％、测速范围20-180km/h、称重范围≥300kN/轴、轴距误差≤±1.0％的压电称重传感器；所述线圈传感器采用的是分离车辆准确可靠度≥95％的线圈传感器，所述车牌识别系统摄像机采用的是白天识别率≥98％、夜间识别率≥90％的摄像机。

用于监测船舶撞击情况的船舶撞击监测系统，所述船舶撞击监测系统包括航道视频监控和桥墩加速度监控，所述航道视频监控布置在桥梁通航孔L/2截面的上游和下游位置处，其为高清视频摄像机，其可对船舶通航进行实时监测与事故取证，所述桥墩加速度监控布置在桥梁通航孔两侧的桥墩墩顶处，其为加速度传感器，可用于通过监测桥墩是否发生晃动或者振动来检测是否有船舶撞击；具体的，所述高清视频摄像机采用的是像素≥400万、夜视距离≥150m的高清视频摄像机，所述加速度传感器采用的是量程-2g至+2g、误差≤1％、灵敏度≥2.5V/g的三轴加速度传感器。

用于监测桥岸地表振动情况的地震监测系统，所述地震监测系统布置在桥梁岸边，其为加速度传感器，具体为量程-2g至+2g、误差≤1％、灵敏度≥2.5V/g的三轴加速度传感器。在本实施方式中，地震监测系统的监测测点是位于桥位岸边稳固的地表区域，并固定在混凝土基础表面上，混凝土基础的浇筑深度为1.5m、横截面尺寸为0.5m×0.5m。

用于监测主梁位移的主梁位移监测系统，所述主梁位移监测系统包括梁端纵向位移监测单元和主梁竖向位移监测单元，所述梁端纵向位移监测单元采用拉绳式位移计，其布置在梁端的桥梁伸缩缝位置处，所述主梁竖向位移监测单元采用静力水准仪，其在桥梁桥跨内的L/4、 L/2、3L/4截面处均设置有，且均布置在梁体腹板外侧；具体的，所述梁端纵向位移监测单元采用的是量程500mm、精度±0.1％FS的拉绳式位移计，所述主梁竖向位移监测单元采用的是程1000mm、精度±0.1％FS的静力水准仪。

用于监测主梁应变的主梁应变监测系统，所述主梁应变监测系统采用静态应变传感器，其在桥梁主跨的最大正弯矩截面和最大负弯矩截面、桥梁边跨的最大正弯矩截面和最大负弯矩截面均设置有，且均布置在截面的顶板、底板及腹板处，以通过监测桥梁最大正弯矩截面和最大负弯矩截面等关键截面的地方的应变情况来检测桥梁的应变情况；具体的，所述静态应变传感器采用的是量程±1500με、精度0.5％FS的静态应变传感器。

用于监测体外预应力钢绞线的体外预应力监测系统，所述体外预应力监测系统采用光纤光栅传感器，其安装在桥梁钢绞线上；具体安装方式是通过在钢绞线上刻槽，将光纤光栅传感器嵌入到钢绞线中；所述光纤光栅传感器采用的是最大抗拉强度为2000Mpa、应变量程为8000με、应变的分辨率为0.05％FS、工作温度为-30℃-100℃的光纤光栅传感器。

用于监测混凝土与钢腹板连接处是否有相对滑移的抗剪连接件监测系统，所述抗剪连接件监测系统采用错位计，其布置在桥梁桥跨最大正弯矩截面及墩顶最大负弯矩截面处，每个截面的测点布置在腹板与顶板、底板的连接位置处，以通过监测桥梁最不利截面的剪切力来检测桥梁的抗剪切能力；具体的，所述错位计采用的是量程0-100mm、精度±0.1％FS的精度高精度错位计。

用于监测桥梁结构温度的结构温度监测系统，所述结构温度系统采用温度传感器，其布置在桥梁桥跨的L/2、L/4、3L/4截面处，且均布置在截面的混凝土结构与钢腹板结构上，所述温度传感器采用的是温度范围-40℃至+120℃、误差≤±0.5℃的温度传感器。

用于检测主梁振动情况的主梁振动系统，所述主梁振动系统采用加速度传感器，其布置在桥梁桥跨的L/2、L/4、3L/4截面处，且均布置在每个截面对应的桥梁箱的底板上，所述加速度传感器采用的是量程-2g至+2g、误差≤1％、灵敏度≥2.5V/g、横向灵敏度比≤1％、频率响应0至120Hz的竖向加速度传感器。

上述的L指的是桥梁单跨的跨径长度。

在本实用新型中，所述数据采集与传输子系统能够将传感器子系统的各个传感器所监测到的数据(具体是主梁位移、主梁应变、主梁振动、体外预应力、抗剪连接、环境温湿度、车辆荷载、结构温度、船舶撞击及桥岸地表震动等监测项目感知数据)传递给健康监控平台，从而使得工作人员通过查看健康监控平台的信息就可以获知桥梁的各个指标参数(如)是否有异常，进而对桥梁进行健康监控。在本实施方式中，所述数据采集与传输子系统包括温湿度采集仪、静力水准采集仪、位移采集仪、静态应变采集仪、光纤光栅解调仪、振动信号采集仪、光纤收发器、称重数据采集仪，其中，所述温湿度采集仪与温湿度传感器通过数据线缆相连接，所述静力水准采集仪与静力水准仪通过数据线缆相连接，所述位移采集仪通过数据线缆与拉绳式位移计、错位计相连接，所述静态应变采集仪通过数据线缆与静态应变传感器相连接，所述光纤光栅解调仪通过数据线缆与光纤光栅传感器相连接，所述振动信号采集仪通过同轴线缆与加速度传感器相连接，所述光纤收发器通过网络线缆与各个摄像机相连接，所述称重数据采集仪通过数据线缆与称重传感器、线圈传感器(称重传感器和线圈传感器集成一体，具体为动态检测仪表)相连接；所述温湿度采集仪、静力水准采集仪和位移采集仪通过网络线缆与串口服务器相连接，所述光纤光栅解调仪、振动信号采集仪、光纤收发器和称重数据采集仪通过网络线缆与光交换机相连接，所述光交换机、串口服务器和静态应变采集仪通过网络线缆与健康监控平台相连接。具体的，所述温湿度采集仪采用RS485接口，其供电电源型号为9-36VDC；所述静力水准采集仪采用RS485接口，其供电电源型号为9-36VDC；所述位移采集仪采用RS485接口，其供电电源型号为9-36VDC；所述静态应变采集仪的通道数量为8通道，采样频率≥1Hz，通信接口为Ethernet、USB、RS485；所述光纤光栅解调仪的通道数量为8通道，扫描频率为100Hz，动态范围25dB，光学接口为APC；所述振动信号采集仪的通道数量为16通道、连续采样率≥128kHz/通道、动态范围120dB、接口为RJ45；所述光纤收发器为单模单纤、1光1电、SC接口，传输速率为10/100M；所述称重数据采集仪的测量通道数量≥2，测量精度为±5％；所述串口服务器的供电电源型号为DC10-36V，工作环境为-40℃-70℃，网络缓存为16KB，串口缓存为2KB，平均延迟＜10ms，通道数量为 16通道；所述光交换机的供电电源型号为DC10-36V，工作环境为-40℃-85℃，包转发率为 1.19Mpps，MAC地址深度为1K，转发延迟＜4us，通道数量为8通道。

优选地，所述健康监测平台包括现场工控主机，具体的，所述现场工控主机CPU≥8核，内存≥16GB，硬盘空间为500GB+2TB，网络接口采用双千兆网口。

在本实用新型中，所述健康监测平台获取传感器子系统内的包括环境、作用、结构响应、结构变化等监测数据，并可对数据进行显示，另外，还可以对数据进行分析、统计、判别和评估，从而方便工作人员对桥梁进行定期检查和维护。

最后，需要说明的是，针对本实用新型所获取的数据可以进行如下数据分析：

环境监测数据分析，包括温湿度监测数据的统计分析，具体为日极值、日平均值，以及温湿度数据的变化规律，为温湿度影响下的结构的内力响应分析依据。

车辆荷载监测数据分析，包括车流量、车重、标准车当量数的日、月、年最大值及其统计分布，以及超载车数量、车重和超载时间；分析车辆荷载统计数据疲劳荷载谱，用于评估桥梁疲劳损伤。

地震监测数据分析包括桥岸地表三向振动加速度测试，包括峰值以及峰值持续时间。

位移数据分析，统计分析结构日、月、年变形监测数据极值及平均值，分析位移监测数据日极值的概率统计分析规律，为结构状态提供依据。

加速度数据分析应包括绝对最大值、最大均方根值、频谱、大幅度振动的持续时间，桥梁频率和振型，结构振动与风速风向的相关性分析。

应变数据分析包括日、月、年应变监测数据极值、平均值，日应变极值的概率分布规律及分布类型，应力幅最大值和循环次数，为桥梁结构可靠度分析提供依据。

体外预应力数据分析，包括体外预应力钢束应力监测数据的日、月、年的极值及平均值，分析预应力损失值的变化规律。

抗剪连接监测数据分析，分析监测数据的日、月、年的极值及平均值，分析抗剪连接监测数据的变化规律。

另外，本实用新型所测得的数据还可以采用机器学习和深度学习等人工智能方法分析挖掘监测数据，提取数据中可以反映桥梁状态的特征变量，对桥梁状态进行评估与预测。

此外，还可以通过在健康监控平台设置预警与报警子系统来对分析后具有异常状态的情况进行报警。报警等级应分为1级、2级及3级。1级报警为当监测数据接近报警阈值时，但不会对桥梁正常使用产生影响。2级报警为当监测数据超过报警阈值时，对桥梁正常使用和行车安全产生显著影响。3级报警为当监测数据超过报警阈值时，严重影响桥梁安全、正常使用和行车安全。

报警阈值根据监测数据历史统计值、设计值和规范容许值设定。

当健康监测数据出现异常、超过报警阈值的情况时，监测系统能够实时的发布报警信息，单独一个监测指标的报警信息内容包括传感器的编号、截面及构件编号、报警级别、报警监测值与报警阈值及报警处理方案。

主要的报警方式主要有两种，桥梁健康监测系统平台软件展示方式与短信提示方式。软件系统显示报警传感器的报警级别、报警内容，并通过警示灯与警示音对管理人员进行警示。短信提示的方式，当监测指标超过报警阈值时，监控系统会第一时间将报警信息向管理员推送。

1级、2级、3级报警分别对应不同的处理方案，当出现1级报警时，提示管理部门注意，进行人工巡检；当出现2级报警时，提示管理部门进行的全桥详细检查；当出现3级报警时，如果主要受力构件的监测参数报警，立即封闭交通，委托第三方检测机构进行专项检查。

最后，表1给出了本实施方式中各个传感器及相应采集仪的型号，但本实用新型不限于下列型号的元器件，功能能够达到本实用新型需要的其他型号的元器件也在本实用新型的保护范围内：

表1元器件的型号

上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。

Claims (6)

1.一种波形钢腹板桥梁健康监测系统，其特征在于：包括传感器子系统、数据采集与传输子系统、健康监控平台；其中，所述传感器子系统包括各个传感器单元，每一个传感器单元通过所述数据采集和传输子系统连接健康监控平台；所述传感器单元为：

用于监测环境温湿度变化的温湿度传感器，所述温湿度传感器设置在桥梁中跨的跨中；

用于监测车辆载荷的动态称重系统，所述动态称重系统设置在桥梁长度方向上的两侧桥台位置处，每一处的动态称重系统均包括用于监测车辆重量的称重传感器、用于检测车辆分离的线圈传感器和用于监测车流量的车牌识别系统摄像机；

用于监测船舶撞击情况的船舶撞击监测系统，所述船舶撞击监测系统包括航道视频监控和桥墩加速度监控，所述航道视频监控布置在桥梁通航孔L/2截面的上游和下游位置处，其为高清视频摄像机，所述桥墩加速度监控布置在桥梁通航孔两侧的桥墩墩顶处，其为加速度传感器；

用于监测桥岸地表振动情况的地震监测系统，所述地震监测系统布置在桥梁岸边，其为加速度传感器；

用于监测主梁位移的主梁位移监测系统，所述主梁位移监测系统包括梁端纵向位移监测单元和主梁竖向位移监测单元，所述梁端纵向位移监测单元采用拉绳式位移计，其布置在梁端的桥梁伸缩缝位置处，所述主梁竖向位移监测单元采用静力水准仪，其在桥梁桥跨内的L/4、L/2、3L/4截面处均设置有，且均布置在梁体腹板外侧；

用于监测主梁应变的主梁应变监测系统，所述主梁应变监测系统采用静态应变传感器，其在桥梁主跨的最大正弯矩截面和最大负弯矩截面、桥梁边跨的最大正弯矩截面和最大负弯矩截面均设置有，且均布置在截面的顶板、底板及腹板处；

用于监测体外预应力钢绞线的体外预应力监测系统，所述体外预应力监测系统采用光纤光栅传感器，其安装在桥梁钢绞线上；

用于监测混凝土与钢腹板连接处是否有相对滑移的抗剪连接件监测系统，所述抗剪连接件监测系统采用错位计，其布置在桥梁桥跨最大正弯矩截面及墩顶最大负弯矩截面处，每个截面的测点布置在腹板与顶板、底板的连接位置处；

用于监测桥梁结构温度的结构温度监测系统，所述结构温度系统采用温度传感器，其布置在桥梁桥跨的L/2、L/4、3L/4截面处，且均布置在截面的混凝土结构与钢腹板结构上；

用于检测主梁振动情况的主梁振动系统，所述主梁振动系统采用加速度传感器，其布置在桥梁桥跨的L/2、L/4、3L/4截面处，且均布置在每个截面对应的桥梁箱的底板上；

上述的L指的是桥梁单跨的跨径长度。

2.如权利要求1所述的一种波形钢腹板桥梁健康监测系统，其特征在于：所述温湿度传感器包括温度计和湿度计。

3.如权利要求1所述的一种波形钢腹板桥梁健康监测系统，其特征在于：所述称重传感器为压电称重传感器。

4.如权利要求1所述的一种波形钢腹板桥梁健康监测系统，其特征在于：所述加速度传感器均为三轴加速度传感器。

5.如权利要求1所述的一种波形钢腹板桥梁健康监测系统，其特征在于：所述数据采集与传输子系统包括温湿度采集仪、静力水准采集仪、位移采集仪、静态应变采集仪、光纤光栅解调仪、振动信号采集仪、光纤收发器、称重数据采集仪，其中，所述温湿度采集仪与温湿度传感器通过数据线缆相连接，所述静力水准采集仪与静力水准仪通过数据线缆相连接，所述位移采集仪通过数据线缆与拉绳式位移计、错位计相连接，所述静态应变采集仪通过数据线缆与静态应变传感器相连接，所述光纤光栅解调仪通过数据线缆与光纤光栅传感器相连接，所述振动信号采集仪通过同轴线缆与加速度传感器相连接，所述光纤收发器通过网络线缆与各个摄像机相连接，所述称重数据采集仪通过数据线缆与称重传感器、线圈传感器相连接；所述温湿度采集仪、静力水准采集仪和位移采集仪通过网络线缆与串口服务器相连接，所述光纤光栅解调仪、振动信号采集仪、光纤收发器和称重数据采集仪通过网络线缆与光交换机相连接，所述光交换机、串口服务器和静态应变采集仪通过网络线缆与健康监控平台相连接。

6.如权利要求1所述的一种波形钢腹板桥梁健康监测系统，其特征在于：所述健康监测平台包括现场工控主机。

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