一种基于桥梁跨中应变测量跨中挠度的方法与流程

本发明涉及桥梁挠度检测技术领域，尤其涉及一种基于桥梁跨中应变测量跨中挠度的方法。

背景技术：

桥梁是交通系统中的重要组成部分，其结构安全关系着社会经济发展和人民人身安全。其中桥梁的挠度数据对于桥梁结构的健康评估起着重要作用，通过挠度数据可以直观地反映桥梁在温度、外部荷载、风力等因素作用下的竖直方向位移情况，对桥梁的承载能力、应力损失等方面也起到重要预测作用，是反映桥梁基本特性的一个关键参数[1]。

目前，测量桥梁挠度在工程中常用的方法有以下几种：(1)全站仪法[2]：此法利用三角高程测量原理，在桥梁待测位置放置棱镜，通过测量桥梁在加载前后棱镜和全站仪之间的高度角的变化来计算挠度值，这种方法需要使用价格高昂的全站仪，且天气条件恶劣、或反射棱镜与接收端距离较远时，无法保证挠度的测量范围和精度；(2)倾角仪法[3]：此法是在桥梁底部各个部位布置倾角仪，当桥梁发生形变时通过各个部位采集到的倾角数据构建整座桥梁的倾角变化曲线，从而得到桥梁的挠度变化曲线，这种方法需要在桥上布置多个高精度倾角仪，工程实施困难、当桥梁倾角较小时也较难得到精度较高的结果；(3)连通管道法[4]：此法选择桥梁两边桥墩为测量基准点，默认基准点高度不随桥梁挠度变化而变化，然后在两个基准点之间每隔一定距离铺设管道，通过测量液面高低的变化得到桥梁挠度数值，这种方法一般只能测量桥梁的静挠度，无法测量桥梁动挠度；另外，系统安装比较复杂，需要长期监测时，连通管中的液体很难保证没有减少，维护工作量大；(4)百分表法[5]：此法利用齿轮转动将桥梁的位移信号进行放大，同时将垂直方向上的位移变化转变为指针的角度旋转，以此来测量桥梁挠度，这种方法通常需要人工读数，存在一定误差，且只能测量桥梁的静态挠度变化，另外，在很多应用场景无法通过支架安装测量仪器，应用范围受到很大限制；(5)gps定位法[6]：此法是将多部gps定位器安装在桥梁各个部位上，再设置一部gps定位器在固定基点上作为参考坐标，根据gps接收器接收到的卫星定位信息建立桥梁的三维坐标，求其挠度变化，这种方法存在精度有限、响应时间较慢、成本较高等问题，同样，无法得到高精度的动态挠度；(6)光电图像法[7]：此法通过将半导体激光器安装在桥梁待测位置，然后将图像采集装置安装在不发生沉降的地面或桥墩上，通过检测激光器发出的光斑在图采集装置标靶上的移动来测量桥梁挠度，此方法在桥梁跨度较小时可以得到较高精度，但当测量距离比较远，环境气候较差时，测量精度也很难保证。

除了以上比较常规的测量方法，近年也有关于采用分布式长标距光纤光栅应变传感器测量桥梁挠度的报道[8]。但为得到桥梁挠度，该方法需要在两个桥墩之间的上、下桥面每隔一定距离安装多个长标距光纤光栅应变传感器，通过比较复杂的计算公式才可获得桥梁挠度，该方法也存在安装和计算复杂、成本较高、传感器可靠性和测量精度较难保证等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种基于桥梁跨中应变测量跨中挠度的方法，通过监测在桥梁跨中集中荷载条件下跨中应变的方法，可实时在线监测桥梁跨中的挠度变化。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于桥梁跨中应变测量跨中挠度的系统，包括应变传感器和应变解调仪，所述应变传感器安装于桥梁跨中的底部，所述应变解调仪连接应变传感器，应变解调仪安装于桥墩或地面上。

所述应变传感器可采用光纤光栅应变传感器或电类应变传感器。

本发明中，所述应变传感器采用光纤光栅应变传感器，所述应变解调仪采用光纤光栅解调仪，光纤光栅应变传感器与光纤光栅解调仪通过光纤连接。

采用上述一种基于桥梁跨中应变测量跨中挠度的系统测量跨中挠度的方法，包括以下步骤：

1)在桥梁跨中施加集中荷载，通过应变传感器和应变解调仪获得桥梁跨中的应变εl/2；

2)在桥梁跨中施加与步骤1)中相同的集中荷载并测量桥梁跨中的挠度wl/2；

3)将步骤1)和2)测量的应变和挠度带入式wl/2＝kεl/2中并求得k值，k为系数；

4)当k值标定之后，根据应变传感器应变解调仪测得的εl/2值和上式从而计算桥梁跨中的挠度。

步骤1)中测量桥梁跨中应变εl/2的方法如下：当车辆在桥面经过时，通过应变传感器和应变解调仪获得应变变化曲线，当车辆运行到桥梁跨中时，应变传感器测得的应变达到最大，通过应变变化曲线的最大值即获得桥梁跨中应变εl/2。

本发明中，在简支梁模型下，当桥梁跨中存在集中荷载f时，根据结构力学的原理，桥梁跨中的挠度wl/2表示为：

其中，e为桥梁的弹性模量，i为桥梁跨中截面的惯性矩，l表示桥梁跨度；

桥梁跨中底部的应变εl/2与截面弯矩m的关系式为：

式(2)中，y表示应变测量点到桥梁中性层的距离；

弯矩m在跨中集中荷载为f的情况下表示为：

结合式(1)～(3)，在跨中集中荷载的情况下，跨中挠度和应变的关系表示为：

wl/2＝kεl/2(5)

在跨中集中荷载f下，式(4)中l与y可看作常数，因此，通过在桥梁跨中施加集中荷载并测量出跨中的挠度和应变，即可通过式(5)确定跨中应变与挠度的关系数k，从而在后续的监测中，根据已知的k值，通过测量车辆经过桥梁跨中位置时的应变εl/2(即车辆在桥面经过时跨中测得的最大应变)，根据式(5)即可计算获得桥梁跨中的挠度。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

本发明通过监测在桥梁跨中集中荷载条件下跨中应变的方法，实时在线监测桥梁跨中的挠度变化，本发明只需在桥梁跨中安装应变传感器，在对桥梁挠度－应变转换系数标定后，后期就可以通过测量得到应变变化获得桥梁跨中的挠度变化。本发明具有挠度测量计算方法简便、传感器可靠性高、系统成本较低、便于实时在线监测等优点，对于一般桥梁特别是中小桥梁的安全健康实时监测与运行维护等，均有较大的应用价值。

附图说明

图1为检测桥梁跨中底部应变的系统结构示意图；

图2为车辆经过桥梁时的桥梁跨中应变变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例包括应变传感器和应变解调仪，所述应变传感器采用光纤光栅应变传感器，所述应变解调仪采用光纤光栅解调仪；

所述光纤光栅应变传感器安装于桥梁跨中的底部，用于测量桥梁纵向(车辆运行方向)的应变；

所述光纤光栅解调仪通过光纤与光纤光栅应变传感器连接，光纤光栅解调仪安装于桥墩或地面上的某个位置。

在实际应用中，桥梁跨中的应变也可以通过电类应变传感器(如电阻应变片等)检测获得，用于实时测量光纤光栅的波长变化。

一种基于桥梁跨中应变测量跨中挠度的方法如下：

1)施加集中荷载，当车辆在桥面经过时，通过光纤光栅应变传感器和光纤光栅解调仪获得应变变化曲线，如图2所示，可见当车辆运行到桥梁中点(跨中)时，光纤光栅应变传感器测得的应变达到最大；因此，实际计算时，可以通过应变变化曲线的最大值获得应变εl/2；

2)通过在桥梁跨中施加相同的集中荷载并测量桥梁跨中的挠度，本发明中测量桥梁跨中的挠度的方法可采用现有技术中的测量挠度方法；

3)将步骤1)和2)测量的应变和挠度带入式(5)中求得k值；

4)当k值标定之后，即可根据光纤光栅应变传感器测得的εl/2值和式(5)计算桥梁跨中挠度。

以下举例说明：

当车辆作为集中荷载位于桥梁跨中时测得桥梁跨中最大应变为10.3με，测得跨中最大挠度为0.73mm，则根据式(5)可求出该桥梁的系数k为0.071mm/με。在获得式(5)的k值后，只要测得车辆经过跨中时的应变，桥梁的挠度就能通过式(5)计算。例如，如果车辆经过桥梁时，安装在跨中的应变传感器测量曲线如图2所示，其最大应变测得为9.3με，则根据式(5)可以求得桥梁跨中最大挠度约为0.66mm。

本发明具有简便快捷获得桥梁跨中挠度的优点，可广泛应用于桥梁跨中静态和动态挠度的测量。