CN108871221A - 一种桥梁监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种桥梁监测装置。该装置包括设置在桥梁上的多个相同的测量传感器，在被测桥梁等间距设置有多个光栅式应变传感器和位移传感器，还有设置在桥梁温度平均位置的光栅式温度补偿传感器，数据采集装置通过有线或无线方式与所述光栅式应变传感器、位移传感器和光栅式温度补偿传感器连接，数据采集装置采集不同桥面载荷时应变传感器中心波长的变化，并将采集的数据输送至数据处理装置，所述数据处理装置根据采集的数据计算桥梁的应变和/或位移，从而根据桥梁应变和/挠度确定桥梁是否损坏。本发明节省了监测传感器的布置，降低监测***成本，避免出现采集的数据冗余的问题。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁附件技术领域，具体涉及一种利用应变传感器对桥梁挠度的监测装置。
背景技术
随着我国经济发展，人民生活水平的日益提高，人们对交通运输需求的朝着更快更高效的方向发展，因此在国家工程建设中规划了许多大型桥梁建设，尤其是高速轨道交通建设，由于其需要满足较高的列车速度及运行平稳性，线路中需要规划大量的桥梁和隧道，使整个线路桥隧比进一步上升，而这些桥梁在使用过程中随着使用年限的增加，不断受到温度、风沙等外界环境的侵蚀，以及车辆荷载、车辆冲击的长期反复作用以及地震、洪水等自然灾害的影响；因此，随着使用年限的增加，这些桥梁的结构和材料不断老化、疲劳效应 显著增加，从而导致桥梁构件出现不同程度的自然累积损伤和突然损伤，这样不仅会缩短桥梁的使用寿命，而且还严重威胁到人民生命和财产安全；因此，对桥梁进行损伤识别就显得十分的重要性。目前，对桥梁的损伤识别主要有挠度监测、动力模态识别、声发射监测、机敏网监测、图像识别以及桥检车等多种技术；桥梁的挠度是指桥梁上某一横截面处的形心在垂直于轴的方向发生的纵向线位移的大小，而挠度是评价桥梁安全性的重要参数之一，它与桥梁的承载能力及抵御地震等破坏性荷载的能力密切相关，而且过大的挠度会直接影响桥面行车的速度和舒适性。因此对挠度的监测是桥梁健康监测中的重要部分。
在桥梁挠度监测现有技术中，公开号为CN206160926U的“一种空心板桥相邻空心板间相对垂向唯一的测量***”，通过在被测对象设置有多个测量装置，每个测量装置包括位移传感器及信息发射收集和处理装置，监测空心板单板受力情况，从而对桥梁进行监测；而在实际桥梁监测中，被测桥梁通常都是千米级数量单位，应用上述装置将使桥梁监测人力和物力增加，不便于大型桥梁的监测。同时，公开号为CN101050992A的“桥梁挠度监测***”，虽然通过设置多种监测吊杆取代监测位移传感器，而其实质仍需在沿桥梁长度设置较多的吊杆监测点，对于长度较长的桥梁，其布置工作量较大，另一方面该申请中通过摄像头或望远镜等获取竖向边杆的刻度数值，操作复杂，较为依赖人的主观性，不便于数据的准确记录。
同时，现有技术对桥梁应变或位移的监测适用性不强，且传感器构造较简单，没有考虑温度对传感器测试结果的影响，会因为温度的变化对数据测试结果造成较大误差，难以满足工程测试需求，并未具有显著的优势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种不受温度影响的桥梁监测***，并将应变监测和挠度监测结合，对桥梁的健康状况监测，并节省监测传感器的布置，降低监测***成本，避免出现采集的数据冗余的问题。
本发明解决的上述问题的技术方案如下：一种桥梁监测***，包括设置在桥梁上的多个相同的测量传感器，所述测量传感器包括光栅式应变传感器和位移传感器，在被测桥梁等间距或非等间距设置有多个光栅式应变传感器和位移传感器，同时还单独设置有光栅式温度补偿传感器，该光栅式温度补偿传感器设置在桥梁温度平均的位置，优先设置在距桥梁一端三分之一长度的位置，数据采集装置通过有线或无线方式与所述光栅式应变传感器、位移传感器和光栅式温度补偿传感器连接，所述数据采集装置采集不同桥面载荷时应变传感器中心波长的变化，并将采集的数据输送至数据处理装置，所述数据处理装置根据采集的数据计算桥梁的应变和/或位移，从而根据桥梁应变和/挠度确定桥梁是否损坏；而根据获得的应变和/或挠度等数据，通过静力性能指标、动力性能指标或神经网络方法等，建立损伤识别的求解模型，从而识别桥梁损伤情况，则是现有技术通常采用的方法。
本发明中，数据采集装置，采集不同桥面载荷时应变传感器中心波长的变化，数据处理装置根据采集的数据计算桥梁的应变ε=(Δλ1-ψΔλ2)/αε：
根据本发明的一个实施例，为了准确对桥梁的应变监测，所述应变传感器设置在桥梁轴线并位于桥面下缘的位置。
根据本发明的一个实施例，为了节省监测***成本，提高监测效率，并满足所属桥梁的监测精度，所述相邻的位移传感器之间的距离为。
发明效果
根据本发明，合理优化位移传感器的位置，并增加桥梁应变监测中的温度补偿，从而在节约桥梁监测成本，便于桥梁监测的大范围推广的同时，能对桥梁进行实时、动态监测，准确评估桥梁受力及受损情况，并剔除因为较大温差对桥梁监测带来的影响，为精准施工和桥梁维修保养提供可靠依据。
附图说明
图1是本发明桥梁监测***结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，桥梁2具有设置在两端的第一桥梁支承1和第二桥梁支承4，桥梁2上设置有载荷3，在桥梁2上设置有多个相同的应变传感器s1，所述应变传感器为光栅式应变传感器，在被测桥梁等间距或非等间距设置有多个光栅式应变传感器s1，同时还单独设置有光栅式温度补偿传感器s2，该光栅式温度补偿传感器s2设置在桥梁温度平均的位置，优先设置在距桥梁一端三分之一长度的位置，数据采集装置通过有线或无线方式与所述光栅式应变传感器和光栅式温度补偿传感器连接，所述数据采集装置采集不同桥面载荷时应变传感器中心波长的变化，并将采集的数据输送至数据处理装置，所述数据处理装置根据采集的数据计算桥梁的应变，从而根据应变确定桥梁是否损坏；而根据获得的应变等，通过静力性能指标、动力性能指标或神经网络方法等，建立损伤识别的求解模型，从而识别桥梁损伤情况，则是现有技术通常采用的方法。
现有技术中，传感器构造较简单，没有考虑温度对传感器测试结果的影响，本发明通过在距桥梁一端三分之一长度的位置设置有光栅式温度补偿传感器s3，通过相应的算法，消除温度对桥梁监测的影响。
本发明中，数据采集装置，采集不同桥面载荷时应变传感器中心波长的变化，数据处理装置根据采集的数据计算桥梁的应变ε：
ψ=(λ1(α1+ζ1)/(λ2(α2+ζ2) (1)
ε=(Δλ1-ψΔλ2)/αε (2)
式(1)和式(2)，ψ表示光栅式应变传感器和光栅式温度补偿传感器的特性比值，λ1、α1、ζ1分别是光栅式应变传感器的中心波长、基体热膨胀系数和热光常数，λ2、α2、ζ2分别是光栅式温度补偿传感器的中心波长、基体热膨胀系数和热光常数；ε为桥梁应变，Δλ1为光栅式应变传感器的波长变化，Δλ2为光栅式温度补偿传感器的波长变化，αε为光栅灵敏度系数。
优选的一个实施例，为了准确对桥梁的应变监测，所述应变传感器设置在桥梁轴线并位于桥面下缘的位置。
优选的一个实施例，本发明在被测桥梁上设置有n个测点，每个测点均设置有位移传感器s2，如附图1所示，位移传感器s2与光栅式应变传感器s1设置在相同的位置，同时应当被理解的是，位移传感器s2不应限制于与光栅式应变传感器s1在相同的位置，根据实际测量环境，当其等间距设置在不同于光栅式应变传感器s1位置时，亦可满足桥梁挠度测量要去。为了达到所要求的桥梁测量精度，同时尽可能的减少位移传感器数量的设置，通过简化桥梁模型，使桥面为恒定均布载荷q，单位为N/m，距第一支承1距离为x处，桥面挠度为：
(3)
式(3)中w表示距第一支承1距离为x处桥面挠度，单位为m，L为桥梁长度，单位为m，E为桥梁杨氏模量，I为桥梁惯性矩。
对该距离为x的桥面挠度二次求导，获得该点处的曲率，
(4)
由于在该简化桥梁模型中，桥梁为及均布载荷为对称分布，因此桥梁的最大曲率值出现在桥梁中间L/2位置，该点曲率值为qL2/8EI，因此为了保证相应测量数据的精度，桥梁曲率值的误差至少应小于qL2/80EI。
通过设置在桥梁上相邻测点距离为p 的n个均匀分布的测点的挠度wi表示，并通过2阶多项式插值计算第i个测点的曲率，其中i为1、2、3...n，
(5)
相应的第i点处误差为：
(6)。
式（6）中表示实际所需监测精度，而在考虑到传感器类型及测量要求，选择为10-4m可满足实际工程需要。
因此，为了满足相应的测量精度，并节省测量成本，相邻位移传感器的距离p为：
(7)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (4)
1.一种桥梁监测装置，用于对桥梁参数进行监测，包括设置在桥梁上的多个相同的测量传感器，所述测量传感器包括光栅式应变传感器和位移传感器，在被测桥梁等间距设置有多个光栅式应变传感器和位移传感器，其特征在于，还单独设置有光栅式温度补偿传感器，该光栅式温度补偿传感器设置在桥梁温度平均的位置，优先设置在距桥梁一端三分之一长度的位置，数据采集装置通过有线或无线方式与所述光栅式应变传感器、位移传感器和光栅式温度补偿传感器连接，所述数据采集装置采集不同桥面载荷时应变传感器中心波长的变化，并将采集的数据输送至数据处理装置，所述数据处理装置根据采集的数据计算桥梁的应变和/或位移，从而根据桥梁应变和/挠度确定桥梁是否损坏。
2.根据权利要求1所述的桥梁监测装置，其特征在于，所述数据采集装置采集不同桥面载荷时所述光栅式应变传感器中心波长的变化，数据处理装置根据采集的数据计算桥梁的应变
ψ=(λ1(α1+ζ1)/(λ2(α2+ζ2) (1)
ε=(Δλ1-ψΔλ2)/αε (2)
式(1)和式(2)，ψ表示光栅式应变传感器和光栅式温度补偿传感器的特性比值，λ1、α1、ζ1分别是光栅式应变传感器的中心波长、基体热膨胀系数和热光常数，λ2、α2、ζ2分别是光栅式温度补偿传感器的中心波长、基体热膨胀系数和热光常数；ε为桥梁应变，Δλ1为光栅式应变传感器的波长变化，Δλ2为光栅式温度补偿传感器的波长变化，αε为光栅灵敏度系数。
3.根据权利要求1所述的桥梁监测装置，其特征在于，所述光栅式应变传感器设置在桥梁轴线并位于桥面下缘的位置。
4.根据权利要求1所述的桥梁监测装置，其特征在于，所述光栅式应变传感器和位移传感器设置在相同或不同的位置，相邻位移传感器的距离
(3)
式（3）中，L为桥梁长度，q为均布载荷，E为桥梁杨氏模量，I为桥梁惯性矩，为监测精度。
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