CN107687924B - 一种桥梁的安全预警方法及*** - Google Patents

一种桥梁的安全预警方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥梁的安全预警方法，包括：在桥梁主梁的上每个关键截面采集动挠度原始数据，每组所述动挠度原始数据包括汽车荷载效应值、温度荷载效应值和噪声影响值；利用非线性主元分析‑支持向量机算法将每组所述动挠度原始数据的温度荷载效应值和噪声影响值剔除后得到动挠度修正值；每组所述动挠度修正值仅包括汽车荷载效应值；将所述动挠度修正值与预设的二级制预警体系作对比，判定所述桥梁的健康状态。本发明还公开了一种桥梁的安全预警***。采用本发明的实施例，通过监测实时的动挠度能更准确、更直接的反应桥梁的动态响应和动态刚度，可以更好的评估运营桥梁的健康状况，及时、准确地发现桥梁问题。

Description

一种桥梁的安全预警方法及***
技术领域
本发明涉及桥梁结构健康监测领域，尤其涉及一种桥梁的安全预警方法及***。
背景技术
在桥梁健康监测***及荷载试验中，挠度是一个极其重要的指标，其作为变形的一种描述形式，可以评价桥梁质量及运营状态，反映桥梁的刚度，是桥梁整体变形最明显的反映。尤其是桥梁的动挠度，更是对桥梁刚度最为实时的反映，是桥梁在汽车荷载作用下最为真实的反映。通过对动挠度进行数值分析，可以得到汽车荷载的冲击系数和桥梁结构的内力分布情况，从而对桥梁的整体性和劣化部位做出判断。在汽车荷载作用下，桥梁结构将产生比相同静荷载作用下更大的变形和应力，所以桥梁的动力响应一直以来都是桥梁工程中一个重要的研究课题。动挠度与汽车荷载、路面情况、桥梁健康等诸多因素有关，但起关键作用的还是汽车荷载和桥梁的健康状况。
桥梁主要截面的挠度是评价桥梁质量及运行状态的重要指标之一，现有技术中的的桥梁健康监测***只是对桥梁的“静态挠度”进行监测，而且只是从长期的监测数据中分析桥梁的劣化及其损伤。相比之下，实时的动挠度能更准确、更直接的反应桥梁的动态响应和动态刚度，可以更好的评估运营桥梁的健康状况，及时、准确地发现桥梁病害。
发明内容
本发明提供一种桥梁的安全预警方法及***，能够更准确、更直接的反应桥梁的动态响应和动态刚度，可以更好的评估运营桥梁的健康状况，及时、准确地发现桥梁病害。
本发明的一个方面提供了一种桥梁的安全预警方法，包括：
S11、在桥梁主梁上的每个关键截面采集动挠度原始数据，每组所述动挠度原始数据包括汽车荷载效应值、温度荷载效应值和噪声影响值；
S12、利用非线性主元分析-支持向量机算法将每组所述动挠度原始数据中的温度荷载效应值和噪声影响值剔除后得到动挠度修正值；每组所述动挠度修正值仅包括汽车荷载效应值；
S13、将所述动挠度修正值与预设的二级制预警体系作对比，判定所述桥梁的健康状态；所述二级制预警体系包括一级预警值和二级预警值，且所述二级预警值大于所述一级预警值。
本发明实施例提供的一种桥梁的安全预警方法通过剔除每个关键截面采集的动挠度原始数据中的温度荷载效应值和噪声影响值，得到仅包括汽车荷载效应值的动挠度修正值；通过实时监测桥梁关键截面的所述动挠度修正值，解决现有技术中从长期监测数据中分析桥梁的劣化及其损伤造成数据不及时的问题，获得了更及时的评估运营桥梁的健康状况的效果；另外，所述动挠度修正值与二级制预警体系作对比，能够更准确、更直接的反应桥梁的动态响应和动态刚度。
作为本方案的改进，所述关键截面有N个；N为整数，且N大于或等于1；所述动挠度修正值与所述关键截面一一对应。
作为本方案的改进，所述二级预警体系包括一级预警值和二级预警值；所述二级预警值大于所述一级预警值。
作为本方案的改进，所述S13包括：
当所有关键截面的动挠度修正值小于所述一级预警值时，判定为正常状态；
当任一关键截面的动挠度修正值大于所述一级预警值，但小于所述二级预警值时，判定为一级预警状态；
当任一关键截面的动挠度修正值大于所述二级预警值时，判定为二级预警状态。
作为本方案的改进，所述一级预警值通过以下步骤预先计算得到：
S21、建立所述桥梁的有限元模型，并根据桥型选定关键截面；
S22、用单位荷载作用在所述关键截面上，得到所述关键截面的挠度影响线；
S23、根据所述挠度影响线得到所述关键截面的最不利加载区域；
S24、在最不利加载区域布置车道荷载，得到关键截面的挠度限值包络图；
S25、根据所述挠度限值包络图选定各关键截面的最大、最小挠度限值作为桥梁的一级预警值，所述一级预警值数目与所述关键截面对应。
作为本方案的改进，所述二级预警值采用现行行业规范规定的最大竖向挠度值，根据桥型选择相对应的最大竖向挠度值作为所述二级预警值。
本发明实施例提供的一种桥梁的安全预警方法，通过单位荷载在关键截面上的影响线建立二级制预警体系，与实时监测的动挠度修正值作对比得出桥梁的健康状况，解决了现有技术中只监测静态挠度而造成监测数据不实时和不准确的问题，二级预警的方法能够有效、准确的判断桥梁的健康状况。
本发明提供的一种桥梁的安全预警***，所述***包括：
***数据采集模块，用于在桥梁主梁上的每个关键截面采集动挠度原始数据，每组所述动挠度原始数据包括汽车荷载效应值、温度荷载效应值和噪声影响值；
数据处理模块，利用非线性主元分析-支持向量机算法将每组所述动挠度原始数据的温度荷载效应值和噪声影响值剔除后得到动挠度修正值；每组所述动挠度修正值仅包括汽车荷载效应值；
判定模块，用于将所述动挠度修正值与预设的二级制预警体系作对比，判定所述桥梁的安全状态；所述二级预警体系包括一级预警值和二级预警值，且所述二级预警值大于所述一级预警值。
本发明实施例提供的一种桥梁的安全预警***，通过所述数据采集模块和所述数据处理模块得到动挠度修正值，将所述动挠度修正值与所述判定模块的二级制预警体系作对比得出桥梁的健康状况，采用分级预警的方式能够更准确、更直接的反应桥梁的动态响应和动态刚度。
作为本方案的改进，所述关键截面有N个；N为整数，且N大于或等于1；所述动挠度修正值与所述关键截面一一对应。
作为本方案的改进，所述判定模块进一步用于；
当所有关键截面的动挠度修正值小于所述一级预警值时，判定为正常状态；
当任一关键截面的动挠度修正值大于所述一级预警值，但小于所述二级预警值时，判定为一级预警状态；
当任一关键截面的动挠度修正值大于所述二级预警值时，判定为二级预警状态。
作为本方案的改进，所述一级预警值通过以下步骤预先计算得到：建立所述桥梁的有限元模型，并根据桥型选定关键截面；用单位荷载作用在所述关键截面上，得到所述关键截面的挠度影响线；根据所述挠度影响线得到所述关键截面的最不利加载区域；在最不利加载区域布置车道荷载，得到关键截面的挠度限值包络图；根据所述挠度限值包络图选定各关键截面的最大、最小挠度限值作为桥梁的一级预警值，所述一级预警值数目与所述关键截面对应。
作为本方案的改进，所述二级预警值采用现行行业规范规定的最大竖向挠度值，根据桥型选择相对应的最大竖向挠度值作为所述二级预警值。
本发明实施例提供的一种桥梁的安全预警***通过数据采集模块在个关键截面采集动挠度原始数据，并通过数据处理模块剔除影响较大的温度荷载效应值和噪声影响值，得到仅包括汽车荷载效应值的动挠度修正值，解决了现有技术中只监测静态挠度而造成监测数据不实时和不准确的问题，所述判定模块将所述动挠度修正值与二级预警体系做对比，得到桥梁的健康状态，能够更准确、更直接的反应桥梁的动态响应和动态刚度。
附图说明
图1是本发明实施例中一种桥梁的安全预警方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中一级预警值的计算方法流程示意图；
图3是本发明实施例中一级预警值的计算方法建立的有限元模型图；
图4是本发明实施例中一级预警值的计算方法得出的挠度影响线；
图5是本发明实施例中一级预警值的计算方法得出的最不利加载区域图；
图6是本发明实施例中一级预警值的计算方法的公路-I级车道荷载图；
图7是本发明实施例中一级预警值的计算方法得出的挠度限值包络图；
图8是本发明实施例中一种桥梁的安全预警方法建立的二级预警体系图；
图9是本发明实施例中一种桥梁的安全预警***的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。
参见图1，本发明实施例提供的一种桥梁的安全预警方法的流程示意图，包括以下步骤：
S11、在桥梁主梁上的每个关键截面采集动挠度原始数据，每组所述动挠度原始数据包括汽车荷载效应值、温度荷载效应值和噪声影响值；
S12、利用非线性主元分析-支持向量机算法将每组所述动挠度原始数据中的温度荷载效应值和噪声影响值剔除后得到动挠度修正值；每组所述动挠度修正值仅包括汽车荷载效应值；
S13、将所述动挠度修正值与预设的二级制预警体系作对比，判定所述桥梁的健康状态；所述二级制预警体系包括一级预警值和二级预警值，且所述二级预警值大于所述一级预警值。
其中，所述关键截面有N个；N为整数，且N大于或等于1；所述动挠度修正值与所述关键截面一一对应。
其中，所述S13包括：当所有关键截面的动挠度修正值小于所述一级预警值时，判定为正常状态；当任一关键截面的动挠度修正值大于所述一级预警值，但小于所述二级预警值时，判定为一级预警状态；当任一关键截面的动挠度修正值大于所述二级预警值时，判定为二级预警状态。
具体的，当有车辆经过时，在桥梁上每个关键截面上采集动挠度原始数据，每组所述动挠度原始数据包括汽车荷载效应值、温度荷载效应值和噪声影响值；具体的，所述关键截面有N个，N为整数，且N大于或等于1；所述关键截面与动挠度修正值一一对应。
具体的，与所述动挠度修正值作对比的所述二级预警体系中不包括所述温度荷载效应值和噪声影响值，且所述温度荷载效应值和噪声影响值对动挠度修正值的影响比较大，因此需要剔除；用样本数据训练所述非线性元-支持向量机模型，建立分离模型，所述样本数据为预先采集的动挠度原始数据，所述分离模型用于分离所述动挠度原始数据的温度荷载效应值和噪声影响值，得到所述动挠度修正值；每一次采集的动挠度原始数据都要用所述分离模型进行分离；每组所述动挠度修正值仅包括汽车荷载效应值。
具体的，将所述动挠度修正值与二级制预警体系作对比，得出桥梁的健康状况；所述二级预警体系由一级预警值和二级预警值组成；所述二级预警值大于所述一级预警值。
具体的，当全部动挠度修正值小于所述一级预警值时，判定为正常状态，桥梁正常通车；当任一关键截面的动挠度修正值大于所述一级预警值，但小于所述二级预警值时，判定为一级预警状态，此时桥梁需要封闭部分车道，控制车流量，并对所有超过一级预警值的关键截面进行检查；当任一关键截面的动挠度修正值大于所述二级预警值时，判定为二级预警状态，此时需要全面封闭交通，对所有超过二级预警值的关键截面进行检查。
本发明实施例提供的一种桥梁的安全预警方法通过剔除每个关键截面采集的动挠度原始数据中的温度荷载效应值仅包括汽车荷载效应值，得到仅包括汽车荷载效应值的动挠度修正值；通过实时监测桥梁关键截面的所述动挠度修正值，解决了现有技术中从长期监测数据中分析桥梁的劣化及其损伤造成数据不及时的问题，获得了更及时的评估运营桥梁的健康状况的效果；另外，所述动挠度修正值与二级制预警体系作对比，能够更准确、更直接的反应桥梁的动态响应和动态刚度。
参见图2，本发明实施例提供的一级预警值的计算方法流程示意图，包括以下步骤：
S21、建立所述桥梁的有限元模型，并根据桥型选定关键截面；
S22、用单位荷载作用在所述关键截面上，得到所述关键截面的挠度影响线；
S23、根据所述挠度影响线得到所述关键截面的最不利加载区域；
S24、在最不利加载区域布置车道荷载，得到关键截面的挠度限值包络图；
S25、根据所述挠度限值包络图选定各关键截面的最大、最小动挠度限值作为桥梁的一级预警值，所述一级预警值数目与所述关键截面对应。
本实施例将结合具体桥梁进行说明，本实施例采用组合跨径为(L+M)m混凝土斜拉桥，本发明并不仅限用在本实施例的桥梁，根据桥型的不同可选择不同的关键截面进行测量，所述二级制预警体系在测量所述动挠度原始数据之前建立。
具体的，建立所述桥梁的有限元模型(图3)，并根据桥型选择N个关键截面，N是整数，且N大于或等于1，所述关键截面的数量和位置根据桥型的不同来选择。
具体的，用单位荷载10kN作用在所述关键截面上，得到所述关键截面的挠度影响线(图4)；图中的变形值即为所述关键截面的挠度值。
具体的，根据所述挠度影响线得到所述关键界面的最不利加载区域(图5)，所述最不利加载区域由所述关键截面的最大变形值和最小变形值为限值组成。
具体的，本案例为双向八车道，根据国家规定设计荷载为公路-I级，按照图6形式用车道荷载为360kN进行加载，与所述单位荷载10kN进行等比例计算，并根据所述最不利加载区域得到各关键截面的最大、最小挠度限值包络图(图7)，所述限值包络图包括了所述关键截面的最大、最小挠度限值；公路级数不同所述的最大、最小挠度限值也不同，根据选择的桥型来进行计算；根据所述限值包络图(图7)可得出一级预警值有5组，包括的各关键截面的最大、最小挠度限值，各关键截面的动挠度修正值与各对应的一级预警值做对比。
本实施例通过选择不同的关键截面作为采集点，并在单位荷载的作用下产生的变形值作为理论值，结合具体桥型得出所述关键截面的最大、最小挠度限值作为一级预警值，能够有效并准确地计算一级预警值。
参见图8，图8是本发明实施例中一种桥梁的安全预警方法建立的二级预警体系图；
具体的，所述二级预警值采用现行行业规范规定的最大竖向挠度值，根据桥型选择相对应的最大竖向挠度值作为所述二级预警值；所述最大竖向挠度值根据《公路斜拉桥设计细则》的规定，本实施例中用到的混凝土斜拉桥的主梁在汽车荷载作用下最大竖向挠度为278mm，即所述二级预警值为278mm；所述最大竖向挠度为所述混凝土斜拉桥的最大承受变形值，所述一级预警值小于所述二级预警值。
本实施例通过计算一级预警值和二级预警值确定二级预警体系，能够有效、准确的判断桥梁的健康状况，实现实时监测桥梁的效果。
参见图9，图9是本发明实施例中一种桥梁的安全预警***，所述***包括：
***数据采集模块10，用于在桥梁上每个关键截面采集动挠度原始数据，每组所述动挠度原始数据包括汽车荷载效应值、温度荷载效应值和噪声影响值；
数据处理模块20，利用非线性主元分析-支持向量机算法将每组所述动挠度原始数据的温度荷载效应值和噪声影响值剔除后得到动挠度修正值；每组所述动挠度修正值仅包括汽车荷载效应值；
判定模块30，用于将所述动挠度修正值与预设的二级制预警体系作对比，判定所述桥梁的安全状态；所述二级制预警体系包括一级预警值和二级预警值，且所述二级预警值大于所述一级预警值。
具体的，当有车辆经过时，所述数据采集模块10采集每个关键截面的动挠度原始数据，每组所述动挠度原始数据包括汽车荷载效应值、温度荷载效应值和噪声影响值；具体的，所述关键截面有N个，N为整数，且N大于或等于1。
具体的，所述数据处理模块20对所述动挠度原始数据进行处理，与所述动挠度修正值作对比的所述二级预警体系中不包括所述温度荷载效应值，且所述温度荷载效应值和噪声影响值对动挠度修正值的影响比较大，因此需要剔除所述动挠度原始数据中的温度荷载效应值和噪声影响值；用样本数据训练所述非线性元-支持向量机模型，建立分离模型，所述样本数据为预先选采集的动挠度原始数据，所述分离模型用于分离所述动挠度原始数据的温度荷载效应值和噪声影响值，得到所述动挠度修正值；每一次采集的动挠度原始数据都要用所述分离模型进行分离；每组所述动挠度修正值仅包括汽车荷载效应值。
具体的，所述判定模块30将所述动挠度修正值与二级制预警体系作对比，得出桥梁的健康状况；所述二级预警体系由一级预警值和二级预警值组成；所述二级预警值大于所述一级预警值。
其中，所述关键截面有N个；N为整数，且N大于或等于1；所述动挠度修正值与所述关键截面一一对应。
其中，所述判定模块进一步用于；当所有关键截面的动挠度修正值小于所述一级预警值时，判定为正常状态；当任一关键截面的动挠度修正值大于所述一级预警值，但小于所述二级预警值时，判定为一级预警状态；当任一关键截面的动挠度修正值大于所述二级预警值时，判定为二级预警状态。
具体的，当全部动挠度修正值小于所述一级预警值时，判定为正常状态，桥梁正常通车；当任一关键截面的动挠度修正值大于所述一级预警值，但小于所述二级预警值时，判定为一级预警状态，此时桥梁需要封闭部分车道，控制车流量，并对所有超过一级预警值的关键截面进行检查；当任一关键截面的动挠度修正值大于所述二级预警值时，判定为二级预警状态，此时需要全面封闭交通，对所有超过二级预警值的关键截面进行检查。
其中，所述一级预警值通过以下步骤预先计算得到：建立所述桥梁的有限元模型，并根据桥型选定关键截面；用单位荷载作用在所述关键截面上，得到所述关键截面的挠度影响线；根据所述挠度影响线得到所述关键截面的最不利加载区域；在最不利加载区域布置车道荷载，得到关键截面的挠度限值包络图；根据所述挠度限值包络图选定最大、最小动挠度限值作为桥梁的一级预警值，所述一级预警值数目与所述关键截面对应。
其中，所述二级预警值采用现行行业规范规定的最大竖向挠度值，根据桥型选择相对应的最大竖向挠度值作为所述二级预警值。
本发明实施例提供的一种桥梁的安全预警***通过数据采集模块在个关键截面采集动挠度原始数据，并通过数据处理模块剔除影响较大的温度荷载效应值和噪声影响值，得到仅包括汽车荷载效应值的动挠度修正值，解决了现有技术中只监测静态挠度而造成监测数据不实时和不准确的问题，所述判定模块将所述动挠度修正值与二级制预警体系作对比，得到桥梁的健康状态，能够更准确、更直接的反应桥梁的动态响应和动态刚度。
综上所述，本发明实施提供的一种桥梁的安全预警方法及***通过剔除每个关键截面采集的动挠度原始数据中的温度荷载效应值和噪声影响值，得到仅包括汽车荷载效应值的动挠度修正值；通过实时监测桥梁关键截面的所述动挠度修正值，解决了现有技术中从长期监测数据中分析桥梁的劣化及其损伤造成数据不及时的问题，获得了更及时的评估运营桥梁的健康状况的效果；另外，所述动挠度修正值与二级制预警体系作对比，能够更准确、更直接的反应桥梁的动态响应和动态刚度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种桥梁的安全预警方法，其特征在于，所述方法包括：
S11、在桥梁主梁上的每个关键截面采集动挠度原始数据，每组所述动挠度原始数据包括汽车荷载效应值、温度荷载效应值和噪声影响值；
S12、利用非线性主元分析-支持向量机算法将每组所述动挠度原始数据的温度荷载效应值和噪声影响值剔除后得到动挠度修正值；每组所述动挠度修正值仅包括汽车荷载效应值；
S13、将所述动挠度修正值与预设的二级制预警体系作对比，判定所述桥梁的健康状态；所述二级制预警体系包括一级预警值和二级预警值，且所述二级预警值大于所述一级预警值；
其中，所述S13包括：
当所有关键截面的动挠度修正值小于所述一级预警值时，判定为正常状态；
当任一关键截面的动挠度修正值大于所述一级预警值，但小于所述二级预警值时，判定为一级预警状态；
当任一关键截面的动挠度修正值大于所述二级预警值时，判定为二级预警状态；
所述一级预警值通过以下步骤预先计算得到：
S21、建立所述桥梁的有限元模型，并根据桥型选定关键截面；
S22、用单位荷载作用在所述关键截面上，得到所述关键截面的挠度影响线；
S23、根据所述挠度影响线得到所述关键截面的最不利加载区域；
S24、在最不利加载区域布置车道荷载，得到关键截面的挠度限值包络图；
S25、根据所述挠度限值包络图选定各关键截面的最大、最小动挠度限值作为桥梁的一级预警值，所述一级预警值数目与所述关键截面对应。
2.如权利要求1所述的桥梁的安全预警方法，其特征在于，所述关键截面有N个；N为整数，且N大于或等于1；所述动挠度修正值与所述关键截面一一对应。
3.如权利要求1所述的桥梁的安全预警方法，其特征在于，所述二级预警值采用现行行业规范规定的最大竖向挠度值，根据桥型选择相对应的最大竖向挠度值作为所述二级预警值。
4.一种桥梁的安全预警***，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于在桥梁主梁上每个关键截面采集动挠度原始数据，每组所述动挠度原始数据包括汽车荷载效应值、温度荷载效应值和噪声影响值；
数据处理模块，利用非线性主元分析-支持向量机算法将每组所述动挠度原始数据的温度荷载效应值和噪声影响值剔除后得到动挠度修正值；每组所述动挠度修正值仅包括汽车荷载效应值；
判定模块，用于将所述动挠度修正值与预设的二级制预警体系作对比，判定所述桥梁的安全状态；所述二级制预警体系包括一级预警值和二级预警值，且所述二级预警值大于所述一级预警值；
其中，所述判定模块进一步用于；
当所有关键截面的动挠度修正值小于所述一级预警值时，判定为正常状态；
当任一关键截面的动挠度修正值大于所述一级预警值，但小于所述二级预警值时，判定为一级预警状态；
当任一关键截面的动挠度修正值大于所述二级预警值时，判定为二级预警状态；
所述一级预警值通过以下步骤预先计算得到：
建立所述桥梁的有限元模型，并根据桥型选定关键截面；
用单位荷载作用在所述关键截面上，得到所述关键截面的挠度影响线；
根据所述挠度影响线得到所述关键截面的最不利加载区域；
在最不利加载区域布置车道荷载，得到关键截面的挠度限值包络图；
根据所述挠度限值包络图选定各关键截面的最大、最小挠度限值作为桥梁的一级预警值，所述一级预警值数目与所述关键截面对应。
5.如权利要求4所述桥梁的安全预警***，其特征在于，所述关键截面有N个；N为整数，且N大于或等于1；所述动挠度修正值与所述关键截面一一对应。
6.如权利要求4所述桥梁的安全预警***，其特征在于，所述二级预警值采用现行行业规范规定的最大竖向挠度值，根据桥型选择相对应的最大竖向挠度值作为所述二级预警值。
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