基于可设计性桥梁模型的桥梁监测教学系统的制作方法

本发明涉及桥梁及通信领域，尤其涉及一种基于可设计性桥梁模型的桥梁监测教学系统。

背景技术：

随着我国公桥梁事业的发展，桥梁越来越多，同时既有的许多桥梁亦逐渐进入了养护维修阶段。而且随着时间的推移，其数量还在不断增长，桥梁管理者对桥梁的养护已日益重视。桥梁在竣工验收和营运使用一段时间后均通过静、动力荷载试验对其承载能力、技术状况等进行检测，大型桥梁在营运使用期间也需通过在线健康监测随时了解其使用状况和安全性。我国前几年大量投入建设的公路工程等基础设施，近年来已普遍进入维护保养期，对桥梁的检测评定和健康监测成为长期且急迫的社会需求。

目前，在高校的桥梁检测的教学过程中，理论教学无法替代实践教学的作用。上述相关内容的没有较好的试验教学方法，难以使学生对桥梁工程实体和试验检测工作有系统、全面地认知、理解和掌握，教学效果普遍较差。原因主要在于：真实桥梁的静、动力荷载试验和健康监测均需要实际工程项目作为支撑，需投入巨大的人力、物力资源，试验周期较长，一般不能重复试验，学生参加实践的机会很少，即使让学生到现场参观实习，除存在安全风险外，学生也只能看到局部的试验工作，而大量的结构计算、数据分析、安全评估等工作都无法参与和了解。由于传统土工工程实践教学所采用的模型一般为混凝土构件、钢构件等，难以自行拼装、搭建，一般以验证性试验为主，相对其他专业而言学生难以独立完成自主性、创新性试验，学生的学习兴趣和积极性不高，教学效果不好。因此，亟需一种新的技术手段，能够解决桥梁检测教学中存在的现场试验需要以实际桥梁为依托、现场组织管理困难、成本高、风险大的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种基于可设计性桥梁模型的桥梁监测教学系统，以解决上述问题。

本发明提供的基于可设计性桥梁模型的桥梁监测教学系统包括：

桥梁模型，用于仿真搭建模拟桥梁结构，

自动加载控制单元，用于控制模拟桥梁模型荷载变化，

桥梁状态检测分析单元，用于根据桥梁荷载变化对桥梁状态进行分析，获取桥梁检测结果，

所述自动加载控制单元包括控制器、模型车以及用于驱动模型车在桥梁模型上运动的驱动装置，所述驱动装置与控制器连接。

进一步，所述桥梁状态检测分析单元包括数据采集模块、数据分析模块和评估模块，数据采集模块将采集到的桥梁状态数据传递至数据分析模块，所述数据分析模块根据桥梁状态数据输出统计图表，评估模块根据统计图表生成评价报告。

进一步，所述桥梁模型包括多种桥梁结构，所述模型车的重量可调，根据不同结构类型的桥梁模型、模型车的加载位置及荷载等级，设置桥梁检测的加载方案，控制器根据加载方案控制模型车在桥梁模型上进行相应的运动。

进一步，还包括报警单元，预设桥梁状态的安全阈值，当桥梁状态检测分析单元检测的桥梁状态数据超过安全阈值上限时，控制器控制报警单元发出报警，并控制驱动装置停止工作。

进一步，所述数据采集模块包括应变传感器、位移传感器、压力传感器、加速度传感器和温度传感器，数据分析模块根据采集的桥梁模型的桥梁状态数据，获取桥梁各个部位的应力、挠度、裂缝、振动频率和类型。

进一步，还包括外部接口单元，所述数据采集模块与外部接口单元连接。

进一步，还包括检测终端，所述检测终端至少包括显示模块、输入模块和中央处理器，所述显示模块和输入模块分别与中央处理器连接，所述中央处理器与控制器连接。

本发明的有益效果：本发明中的基于可设计性桥梁模型的桥梁监测教学系统，使用可设计的桥梁模型，能够便捷地拼装各种桥梁，还能通过削弱构件间的连接等手段模拟桥梁构件的开裂、损伤，或根据想象将多个构件自由组合、拼装，设计新型结构、新桥型，并对其进行加载试验，通过测试得到虚拟的试验数据，评判加载方案是否合理，并根据试验数据分析评价桥梁的承载能力和安全性，本发明具有结构简单、成本低廉，适用于进行大面积教学推广，能够很好地用于桥梁静、动力荷载试验和健康监测方面的教学。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的结构示意图，图2是本发明的原理示意图。

如图1所示，本实施例中的基于可设计性桥梁模型的桥梁监测教学系统，包括

桥梁模型，用于仿真搭建模拟桥梁结构，

自动加载控制单元，用于控制模拟桥梁模型荷载变化，

桥梁状态检测分析单元，用于根据桥梁荷载变化对桥梁状态进行分析，获取桥梁检测结果，

所述自动加载控制单元包括控制器、模型车以及用于驱动模型车在桥梁模型上运动的驱动装置，所述驱动装置与控制器连接。

在本实施例中，桥梁模型1不只是采用图1中的结构，梁可以采用多个T型短梁，多个T型短梁以可拆卸方式首尾连接，梁也可以为箱梁，所述箱梁为多个，多个箱梁之间以可拆卸方式首尾连接，桥梁模型还包括索塔，所述梁设置有用于与索塔之间通过绳索连接的孔。通过不同的梁的结构，可以搭建出各种类型的桥梁模型，本实施例中的桥梁模型1可以采用搭积木的方式，通过多个T型短梁4以可拆卸方式首尾连接，形成桥梁，支撑体5设置有与T型梁尺寸相匹配的凹槽，将T型梁插入凹槽内，可以对T型梁进行制成固定，当使用箱梁时，可以采用宽度凹槽较大的凹槽即可，在本实施例中，通过拼接板构建能够便捷地拼装为简支梁桥、连续梁桥、连续钢构桥、斜拉桥、悬索桥等各种桥梁，不仅可以以模拟施工过程，进行施工控制教学，拼接板构建可以采用类似乐高积木的结构，也可以采用有机玻璃、铝材、细钢丝等便于加工的材料，将桥梁的各个构件缩小尺寸制作为批量的模块，模块上预留销接孔、键，附图中未画出，本领域技术人员可以通过现有技术了解多种实现方式，只要能够满足拼接成各种类型的桥梁结构即可，在此不再对拼接板构建的具体结构进行赘述；并对其进行加载试验，理解和掌握各种桥型受力体系的差异和优缺点，可以根据想象，结合力学、美学等知识将不同构件自由组合、拼装，设计成新型结构，并通过加载试验验证其结构、构造是否合理，也可以采用开发的教学软件辅助验证。通过多种结构类型的桥梁模型可人为设置结构病害、缺陷，可以通过削弱构件间的连接等手段(如固结改为铰接、改变支撑状况等)模拟桥梁构件的开裂、损伤，并通过试验和模拟(模型试验和开发的软件模拟)，由实测数据分析不同损伤所造成的结构受力体系、特征的改变，实现损伤评估和状态监测。

在本实施例中，自动加载控制系统由模型车2、驱动装置和控制器组成，与可设计性桥梁模型积木配合使用，其功能主要是控制模拟车2在桥梁模型上以多种车速前进、后退、在任意位置停车等，模拟车2载重量可以改变(如通过增减砝码改变)。模拟车2采用电力驱动，控制器发出指令到数字输出模块并控制驱动装置工作，实现模拟车2的前进、后退；红外线传感器、超声测距传感器探测到边界、距离信号后通过数字输入模块传送给控制器，控制器根据小车的当前状态自动指令其作出停车或进、退等动作。

在本实施例中，桥梁状态检测分析单元包括数据采集模块、数据分析模块和评估模块，数据采集模块将采集到的桥梁状态数据传递至数据分析模块，所述数据分析模块根据桥梁状态数据输出统计图表，评估模块根据统计图表生成评价报告，通过测试数据采集、记录、桥梁状态分析、桥梁安全性评估、预警等。桥梁状态检测及安全性评估分析具有有限元模型计算、试验数据采集、分析等功能，可以采用Labview图形化编程语言编写，包含有极为丰富的硬件驱动接口，可与通用的数采硬件匹配通讯，并能模拟车2自动加载控制系统保持指令同步，桥梁模型包括多种桥梁结构，所述模型车的重量可调，根据不同结构类型的桥梁模型、模型车的加载位置及荷载等级，设置桥梁检测的加载方案，控制器根据加载方案控制模型车在桥梁模型上进行相应的运动，根据测试数据，生成统计图表，绘制荷载作用下的荷载-应力图、荷载-挠度曲线、裂缝分布图等，学生进行综合分析后计算荷载试验的校验系数，对桥梁结构的强度、刚度、抗裂性能等进行评价，最终评定桥梁的承载力和安全性并编制试验报告。

在本实施例中，预设桥梁状态的安全阈值，当桥梁状态检测分析单元检测的桥梁状态数据超过安全阈值上限时，控制器控制报警单元发出报警，并控制驱动装置停止工作。教学实验的过程中，通过控制模拟车2加载在桥梁模型的不同部位、或以不同车速行驶通过桥梁，同时控制数采硬件进行采集、记录，得到桥梁各个部位的各种力学响应。当荷载作用下虚拟传感器的输出量值超过预设的安全阈值时，系统预警或终止加载。加载的桥梁模型可以是无缺陷的，也可以是预设缺陷的，对试验数据进行处理，并将实测数据与理论计算结果进行对比分析、评价，学生编制桥梁承载力、安全性评估等试验报告。

本实施例中的数据采集模块包括应变传感器、位移传感器、压力传感器、加速度传感器和温度传感器，数据分析模块根据采集的桥梁模型的桥梁状态数据，获取桥梁各个部位的应力、挠度、裂缝、振动频率和类型。通过本实施例，可完成对桥梁模型不同测试截面的静力加载试验，以及各种车速跑车、刹车、跳车、环境激励等动力加载试验，能够测试得到桥梁模型的应力(应变)、位移、挠度、裂缝、加速度、自振频率、振型、冲击系数等一系列物理指标，通过分析可得到桥梁承载能力、损伤影响程度、桥型受力是否合理等评估结论，试验过程中需要系统性地运用桥梁工程、结构力学、材料力学、测试技术、信号处理等多方面的知识，培养了学生的动手能力、分析解决问题、报告编写和团队意识等综合能力。

在本实施例中，还包括检测终端，所述检测终端至少包括显示模块、输入模块和中央处理器，所述显示模块和输入模块分别与中央处理器连接，所述中央处理器与控制器连接，学生可以根据所选桥型的受力特点，在检测终端中合理确定最不利的控制截面(在截面中点选)，通过检测终端的显示模块输出相应截面的内力影响线(预先由桥型、跨径等条件计算得到，根据学生选择调用)，学生在内力影响线上进行最不利布载以确定设计控制内力、荷载试验内力、试验荷载大小及荷载效率等，并编制荷载试验加载方案，例如确定加载车数量、加载工况、加载位置、荷载分级等，执行加载试验时，系统根据学生预定的试验方案，模拟试验加载车辆对桥梁进行加载试验，加载过程中结构模型上布设的传感器会输出量值并记录，学生可通过图片、图表、数值等形式观察桥梁结构的应力(应变)、挠度、裂缝等变化。软件预先针对不同桥型、荷载等级、加载位置等计算出桥梁各部位的应变、挠度、裂缝部位、裂缝长宽等理论结果，在实验过程中，可以采用随机变量加以控制，使传感器的输出量值在一定范围内随机波动，以模拟正常桥梁和不正常桥梁的响应，反映工程结构力学性能的离散性，当荷载作用下虚拟传感器的输出量值超过预设的安全阈值时，系统报警并暂停试验，学生应进行分析后决定继续加载或终止试验；如学生编制的试验方案不合理(荷载过大、加载位置不合理等)，通过检测终端会出现桥梁模型垮塌的情况，提示学生重新编制加载方案。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。