非通航孔桥墩防撞的监测系统及实时诊断方法与流程

本发明属于桥墩监测
技术领域：
，具体涉及桥墩防撞的监测系统及实时诊断方法。
背景技术：
：国际上对于船撞桥问题的系统研究起始于20世纪80年代初，随后国内外学者在船撞风险分析和船桥撞击力领域开展了大量研究，提出了用于设计的桥梁防撞风险评估方法和撞击力取值方法，并开始制定了相关设计规范。1991年，美国道路工程师协会(AASHTO)发表了第一部桥梁受船撞的设计指南，近年来，我国也分别在铁路和公路设计规范中提出了船撞力的设计取值计算方法。20世纪90年代以来，随着大型跨海桥梁的兴建，国内外学者结合船桥撞击力分析，开展了大量桥梁防撞技术研究，提出了设置筑岛围堰、独立防撞墩、防撞套箱、浮式柔性防撞等诸多结构性措施。从已有研究的文献报道来看，船撞桥问题研究目标可分为三类：(1)事故预防研究，即船撞桥的风险研究，主要是为设计提供桥梁线位和布跨选择的防撞理论依据，防范事故发生，属于风险事件的概率研究领域；(2)事故应对研究，即般撞桥的设计方法研究，主要是确定合理的船撞力设计取值和防撞措施，属于荷载预付和技术设计的研究领域；(3)事故后评估研究，即主要是进行船撞桥后的结构状态评估研究，属于结构损伤识别和安全评定的研究领域。整体来看，已有研究基本都集中在前两类，而事故后评估的研究很少，原因是过去一般认为桥梁通航孔水域的桥墩防撞是研究的重点，通过对事故概率分析和最大船撞力的研究，按照最低撞击力荷载要求进行合理的桥梁防撞设计可以避免事故的发生。然而从工程现状来看，虽然世界各国都采用了不同防撞设计理念和方法，但还不能完全避免船撞桥事故产生的严重影响，特别是在宽阔水域的非通航孔桥梁，在船舶失控和恶劣气候条件下，由大吨位船舶撞击导致桥梁损伤或破坏的危险性依然存在，按现有设计理念，非通航孔桥梁设计还无法达到与主通航孔同等的防撞能力，如考虑对非通航孔桥梁进行全线高等级的防撞设计，建设投资将大大增加，在经济与效益上将很不划算。而对于非通航孔的小跨梁桥来说，结合工程保险和事故索赔，开展迅速的事故后评估及修复在经济上显得更合理，也更具有现实意义，所以在船撞桥事故后快速精确地进行结构损伤诊断和安全评估，以确定既有构件是否还具有足够的抗力，是否需要加固维修就显得极为重要，也直接影响着桥梁全寿命周期的安全性和耐久性。技术实现要素：针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供非通航孔桥墩防撞的监测系统及实时诊断方法。所述的非通航孔桥墩防撞的监测系统，安装在桥梁A、桥梁B及桥墩上，桥梁A、桥梁B与桥墩之间均设有橡胶支座，其特征在于包括分别设置在桥梁A、桥梁B及桥墩上的传感器A、传感器B及传感器，传感器A、传感器B及传感器由T型钢管连接固定形成T形结构，T型钢管中部设有无线信号发射装置，T型钢管内设有依次连接的数据采集仪、数据积分仪、数据去噪仪、触发式存储控制器和参数分析及撞击力识别系统，参数分析及撞击力识别系统通过数据传输模块连接监测中心计算机，每个传感器包括位移传感器、加速度传感器及速度传感器；数据采集仪用于采集与其相连的每个传感器测得的位移变化数据、加速度变化数据及速度变化数据；数据去噪仪用于对数据采集仪的数据进行数据去噪；触发式存储控制器用于船舶撞击后触发存储控制器存储数据；数据积分仪连接传感器内的速度传感器，参数分析及撞击力识别系统用于对数据进行解析，解析出船舶的撞击力和桥墩之间的相对位移差，桥梁的自振频率、能量的变化。所述的非通航孔桥墩防撞的监测系统，其特征在于整个监测系统结构通过粘合剂粘贴在混凝土表面。基于所述的非通航孔桥墩防撞的监测系统的实时诊断方法，其特征在于包括如下步骤：1)按设定位置安装好监测系统的各个部件；2)由数据采集仪采集与其相连的位移传感器、加速度传感器和速度传感器的数据；3)数据采集仪的数据经信号传播给数据去噪仪，由数据去噪仪对进行数据去噪；4)触发式存储控制器用于船舶撞击的触发，当船撞击桥墩的时刻，触发式存储控制器内的监测系统会监测到出现超出非撞击状态阈值的加速度反应，并保留最大加速度峰值前后5分钟的所有监测数据，并由数据传输模块将无线信号传输到监测中心的主机，启动主机工作；5)参数分析及撞击力识别系统用于对步骤3)去噪后的数据进行解析，解析出船舶的撞击力和桥墩之间的相对位移差，桥梁的自振频率、能量的变化，由加速度传感器得出加速度的时程曲线，把加速度时程曲线经过Fourier变换，得出桥墩的自振频率动力特性，得到桥墩的自振频率；由位移传感器分别可以得出梁A相对桥墩C的位移和梁B相对于桥墩C的位移；6)参数分析及撞击力识别系统将分析结果通过数据传输模块连接监测中心计算机，监测中心计算机将对步骤4)和步骤5)中接收的数据进行进一步计算分析处理，结合有限元分析和无损检测技术，对桥梁进行深入的状态评估和损伤鉴定。所述的实时诊断方法，其特征在于步骤3)中的数据去噪采用以小波变换为工具进行的，应用小波多分辨率分析和小波包分析为信号去噪方法：通过传感器所采集的信号f(t)，应用小波分析向尺度空间Vj和小波空间Wj投影到j尺度下的细节信号和概貌信号即：fsj(t)=Σkcj,kΦk(2-jt)=Σkcj,kΦj,k(t)fsj(t)=Σkdj,kΨk(2-jt)=Σkdj,kΨj,k(t)]]>其中cj,k=<f(t),Φj,k>dj,k=<f(t),Ψj,k>]]>分别为尺度展开函数和小波展开函数，在尺度a上，小波变换模极大值的平均密度为：ds=1aπ(||Ψ(2)||2||Ψ(1)||+||Ψ(1)||||Ψ||)]]>式中：Ψ(1)—Ψ(t)的第一阶导数；Ψ(2)—Ψ(t)的第二阶导数。含噪信号小波分解系数的第一级大部分由噪声系数主导，当尺度增大时，噪声的平均数目很快减少，幅度减小很快，而一般信号的突变点Lips指数大于或等于零，其幅度会增加或只是轻微的减小，当分解进行到较大尺度时，就只剩小波系数，以此为基础，采用由粗到精的策略跟踪各尺度下的小波变换模极大值，找出属于信号的部分，并将属于噪声的部分去除，在模极大值图上达到去噪的目的，然后从去噪以后的模极大值图重建原信号，通过信号去噪模块的监测系统中去噪模块的算法流程实现信噪分离。所述的实时诊断方法，其特征在于步骤5)中桥梁A、桥梁B相对桥墩的位移分别ΔZA、ΔZB，ΔZA≤支座宽度或直径的1/20或ΔZB≤支座宽度或直径的1/20。所述的实时诊断方法，其特征在于步骤5)中由速度传感器测得的速度计算得出桥墩的最大偏移位移值，最大偏移位移值不大于设定受船撞时桥墩的最大允许偏移ΔZC。所述的实时诊断方法，其特征在于步骤5)中撞击力的计算方法如下：由速度传感器得出桥梁A、桥梁B和桥墩在船撞的速度时程曲线，在船撞瞬间的时间t内，设mA、mB、mC分别为桥梁A、桥梁B和桥墩的质量，vA、vB、vC为速度传感器测出的桥梁A、桥梁B和桥墩在船撞瞬间的速度大小，发生撞击时桥墩受到一个撞击力F的冲击，船撞时，那么梁墩系统的动能表达为12mA(12VA)2+12IAωA2+12mB(12VB)2+12IBωB2+12mC(12VC)2+12ICωC2]]>式中：I为转动惯量，ω为角速度大小；桥墩端的应变能为：当桥墩发生组合变形时，在线弹性、小变形条件下，每一基本变形应变能等于个基本变形应变能的总和，设组合变形杆截面上的内力包括轴力F、扭矩力T和弯矩力M，且三者均表达为截面位置X的函数，忽略剪力的影响，则组合变形的应变能表达为式中：E为弹性模量，A为截面面积，EA为拉伸(压缩)刚度，G为材料的切变模量，GIt为扭转刚度,撞击力F对整个桥梁的总能量为动能和应变能之和，即撞击力在撞击瞬间时间t内对桥梁所做的总功为W=12mA(12VA)2+12IAωA2+12mB(12VB)2+12IBωB2+12mC(12VC)2+12ICωC2+∫lFN2(x)dx2EA∫lT2(x)dx2GIt∫lM2(x)dx2EI]]>而由功能关系表达式，通过微积分公式反演得到在时间t内撞击力F变化时程曲线，为进一步深入结构损伤及状态评估提供至关重要的激励参数。所述的监测系统的实时诊断方法，其特征在于步骤6)中对数据进一步处理包括对接收的数据进行解析、存储、显示。通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1)本发明提供非通航孔桥墩防撞的监测系统，用于在桥梁非通航孔下发生船撞事故之后，便于精确记录船撞桥瞬间，桥梁空间参数及能量传递的变化，第一时间准确确定桥梁的破坏程度，判断桥梁是否已发生影响继续服役的重大破坏，并同时把第一手的撞击监测数据、初步的参数分析及撞击力识别结果远程传输到桥梁监控中心，供桥梁管理部门及时决策是否需要关闭交通，防止后续灾害发生，立即开展桥梁维修工作，也可为下一步深入开展被撞区域桥梁构件的精细化损伤识别和状态评估提供实时激励和结构反应的数据支撑；2)本发明通过在数据去噪仪与分析系统之间设计触发式存储控制器，用于船舶撞击的触发，监测系统会监测到出现超出非撞击状态阈值的加速度反应，这时就触发控制器保留最大加速度峰值前后5分钟的所有监测数据，解决了在线长期监测系统的海量数据存储需求，将通过触发式存储，仅在存储器中保留与船舶撞击桥墩相关时刻的监测数据，将大大减少数据存储量，有效减小存储压力，释放存储空间，将无关数据直接淘汰；3)本发明监测方法简单，通过采用该监测系统，能够实现对船舶撞击桥墩的在线实时监测，能够在船舶撞击桥梁的第一时间，直接地迅速对桥梁的破坏程度进行初步判断，并直接解析出撞击力和重要的梁墩结构反应参数，为撞击事件后的桥梁关闭运营、立即维修决策、梁墩构件的状态评估及损伤鉴定提供第一手的数据支持，且该监测系统的设计原理科学、结构轻巧、撞击力识别精度，且整个监测系统的成本低，在跨海越江长桥中可大量安装，不会增加过多的工程建设费用，解决了对桥墩进行全方位防撞监测费用高昂的问题，工程应用性强。附图说明图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的工作原理图；图3为桥墩发生撞击时桥墩变化的简图；图4为桥墩发生撞击时撞击力与时时程变化曲线图。图中：1-桥梁A，2-传感器A，3-T型钢管，4-无线信号发射装置，5-传感器，6-传感器B，7-橡胶支座，8-桥梁B，9-数据采集仪，10-触发式存储控制器，11-桥墩，12-数据积分仪，14-数据去噪仪，13-参数分析及撞击力识别系统。具体实施方式为了使本
技术领域：
的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。参见图1，本发明的一种非通航孔桥墩防撞的监测系统，安装在桥梁A1、桥梁B8及桥墩11上，桥梁A1、桥梁B8与桥墩11之间均设有橡胶支座7，包括分别设置在桥梁A1、桥梁B8及桥墩11上的传感器A2、传感器B6及传感器5，传感器A2、传感器B6及传感器5由T型钢管3连接固定形成T形结构，传感器A2、传感器B6安装的具体位置在桥梁A1、桥梁B8桥面边上，橡胶支座7上部，紧贴桥梁A1、桥梁B8，传感器5安装在桥墩11顶部，分别用钢管焊接起来，起到一个维稳的作用，T型钢管3即由两个垂直连接的钢管构成，T型钢管3中部设有无线信号发射装置4，用于发射无线信号，T型钢管3内设有依次连接的数据采集仪9、数据积分仪12、数据去噪仪14、触发式存储控制器10和参数分析及撞击力识别系统13，参数分析及撞击力识别系统13通过数据传输模块连接监测中心计算机，每个传感器包括位移传感器、加速度传感器及速度传感器；整个结构所有的外侧使用粘合剂，粘贴在混凝土表面，使之不易移动。所述的数据采集仪9用于采集与其相连的桥梁A1、桥梁B8及桥墩11上的位移传感器、加速度传感器和速度传感器的数据；位移传感器可以测出桥梁A1、桥梁B8之间的位移变化，加速度传感器可以测出桥墩11加速度的变化，速度传感器可以直接测出桥梁A1、桥梁B8在被撞击时的速度变化，数据积分仪12与桥墩11上的传感器5中的速度传感器连接，通过速度计算其位移变化；所述数据去噪仪14用于对数据采集仪9的数据进行数据去噪；该去噪是以小波变换为工具进行的，应用小波多分辨率分析和小波包分析为信号去噪方法。所述参数分析及撞击力识别系统13用于对经过数据去噪之后的数据进行初步的解析，解析出船舶的撞击力和桥墩之间的相对位移差，桥梁的自振频率、能量的变化和加速度大小，由加速度传感器可以得出加速度的时程曲线，把加速度时程曲线经过Fourier变换，可以得出桥墩的自振频率动力特性，得到桥墩的自振频率。所述的触发式存储控制器10用于船舶撞击的触发，船舶撞击后触发存储控制器，解决了在线长期监测系统的海量数据存储需求，将通过触发式存储，仅在存储器中保留与船舶撞击桥墩相关时刻的监测数据，将大大减少数据存储量。基本原理是当船撞击桥墩的时刻，监测系统会监测到出现超出非撞击状态阈值的加速度反应，这时就触发控制器保留最大加速度峰值前后5分钟的所有监测数据。如1小时内没有触发存储控制器，则以1小时为周期进行循环覆盖式存储。将船撞数据前后5分钟存储下来并用数据传输模块通过无线传输到监测中心的主机上，这样可以有效减小存储压力，释放存储空间，将无关数据直接淘汰。监测中心系统将对接受的数据进行进一步处理，包括解析、存储及显示，结合有限元分析和无损检测技术，对桥梁进行深入的状态评估和损伤鉴定，解决了对桥墩进行全方位防撞监测费用高昂的问题，工程应用性强。如图2-4所示，本发明的基于非通航孔桥墩防撞的监测系统的实时诊断方法，包括如下步骤：1)按设定位置安装好监测系统的各个部件；2)由数据采集仪9采集与其相连的位移传感器、加速度传感器和速度传感器的数据；传感器A2内的位移传感器用于测出桥梁A1相对于桥墩11的位移变化，传感器B6内的位移传感器用于测出桥梁B8相对于桥墩11的位移变化，传感器5内的位移传感器用于桥墩11自身的位移变化，以桥墩11为基准，通过其位移变化值，计算出桥梁A1与桥梁B8之间的位移变化，对应的每个位置的加速度传感器用于测出其加速度的变化，对应的每个位置的速度传感器用于直接测出在被撞击时的速度变化；3)数据采集仪9的数据经信号传播给数据去噪仪14，由数据去噪仪14对进行数据去噪，数据去噪采用以小波变换为工具进行的，应用小波多分辨率分析和小波包分析为信号去噪方法：其工作原理为：通过本发明中传感器所采集的信号f(t)，可应用小波分析向尺度空间Vj和小波空间Wj投影到j尺度下的细节信号和概貌信号即：fsj(t)=Σkcj,kΦk(2-jt)=Σkcj,kΦj,k(t)fsj(t)=Σkdj,kΨk(2-jt)=Σkdj,kΨj,k(t)]]>其中cj,k=<f(t),Φj,k>dj,k=<f(t),Ψj,k>]]>分别为尺度展开函数和小波展开函数，在尺度a上，小波变换模极大值的平均密度为：ds=1aπ(||Ψ(2)||2||Ψ(1)||+||Ψ(1)||||Ψ||)]]>式中：Ψ(1)——Ψ(t)的第一阶导数；Ψ(2)——Ψ(t)的第二阶导数。含噪信号小波分解系数的第一级大部分由噪声系数主导，当尺度增大时，噪声的平均数目很快减少，幅度减小很快，而一般信号的突变点Lips指数大于或等于零，其幅度会增加或只是轻微的减小，当分解进行到较大尺度时，就只剩小波系数，以此为基础，采用由粗到精的策略跟踪各尺度下的小波变换模极大值，找出属于信号的部分，并将属于噪声的部分去除，在模极大值图上达到去噪的目的，然后从去噪以后的模极大值图重建原信号，通过信号去噪模块的算法流程实现信噪分离；4)触发式存储控制器10用于船舶撞击的触发，当船撞击桥墩11的时刻，触发式存储控制器10内的监测系统会监测到出现超出非撞击状态阈值的加速度反应，并保留最大加速度峰值前后5分钟的所有监测数据，并由数据传输模块将无线信号传输到监测中心的主机，启动主机工作；5)参数分析及撞击力识别系统13用于对步骤3)去噪后的数据进行解析，解析出船舶的撞击力和桥墩之间的相对位移差，桥梁的自振频率、能量的变化和加速度大小，由加速度传感器得出加速度的时程曲线，把加速度时程曲线经过Fourier变换，得出桥墩的自振频率动力特性，得到桥墩的自振频率；由位移传感器分别可以得出梁A相对桥墩C的位移和梁B相对于桥墩C的位移，计算出撞击力；6)参数分析及撞击力识别系统13将分析结果通过数据传输模块连接监测中心计算机，监测中心系统将对接受的数据进行进一步计算分析处理，结合有限元分析和无损检测技术，对桥梁进行深入的状态评估和损伤鉴定。桥梁A1、桥梁B8相对桥墩11的位移分别ΔZA、ΔZB，ΔZA≤支座宽度或直径的1/20或ΔZB≤橡胶支座7宽度或直径的1/20，若大于支座宽度或直径的1/20，则认定为桥梁支座连接部位已出现重大损伤破坏，需要立即进行修复和加固；由速度传感器测得的速度计算得出桥墩11的最大偏移位移值，最大偏移位移值不大于设定受船撞时桥墩的最大允许偏移ΔZC，ΔZC可根据具体桥梁的设计要求由规范允许的最大桥墩偏位确定。若最大偏移位移值大于设定受船撞时桥墩的最大允许偏移ΔZC，则判定认为桥墩已出现重大损伤破坏，需要立即进行修复和加固；对于撞击力，针对现有监测技术，要想监测得到船撞桥的撞击力，必须在桥墩受撞部位安装压力传感器进行测试，而实际船舶撞击桥梁的位置是不确定的，不可能提前预测撞击位置和撞击时间，因此，在船撞桥的时候，无法迅速准确得出撞击力的大小，而撞击力的识别对快速识别诊断船撞桥墩的损伤至关重要，本发明下面提供一种从能量分析的角度反推撞击力的计算方法，碰撞时撞击力的计算方法如下：由速度传感器得出桥梁A1、桥梁B8和桥墩11在船撞的速度时程曲线，在船撞瞬间的时间t内，设mA、mB、mC分别为桥梁A1、桥梁B8和桥墩11的质量，vA、vB、vC为速度传感器测出的桥梁A1、桥梁B8和桥墩11在船撞瞬间的速度大小，发生撞击时桥墩11受到一个撞击力F的冲击，船撞时，那么梁墩系统的动能表达为12mA(12VA)2+12IAwA2+12mB(12VB)2+12IBwB2+12mC(12VC)2+12ICwC2]]>式中：I为转动惯量，ω为角速度大小；桥墩端的应变能为：当桥墩发生组合变形时，在线弹性、小变形条件下，每一基本变形应变能等于个基本变形应变能的总和，设组合变形杆截面上的内力包括轴力F、扭矩力T和弯矩力M，且三者均表达为截面位置X的函数，忽略剪力的影响，则组合变形的应变能表达为式中：E为弹性模量，A为截面面积，EA为拉伸(压缩)刚度，G为材料的切变模量，GIt为扭转刚度,撞击力F对整个桥梁的总能量为动能和应变能之和，即撞击力在撞击瞬间时间t内对桥梁所做的总功为W=12mA(12VA)2+12IAωA2+12mB(12VB)2+12IBωB2+12mC(12VC)2+12ICωC2+∫lFN2(x)dx2EA∫lT2(x)dx2GIt∫lM2(x)dx2EI]]>而由功能关系表达式，通过微积分公式反演得到在时间t内撞击力F变化时程曲线，该曲线如图4所示，为进一步深入结构损伤及状态评估提供至关重要的激励参数。为进一步深入结构损伤及状态评估提供至关重要的激励参数。当前第1页1 2 3