专利名称：桥梁结构应力的长期监测方法
技术领域：
本发明涉及一种桥梁结构应力长期监测技术，尤其涉及一种桥梁结构应力的长期监测方法。
背景技术：
近年来随着桥梁建设事业的迅猛发展，桥梁结构形式与功能日趋复杂，工程的规模也越来越大，然而在世界各国都相继发生了一些桥梁突然性的破坏事件，这些灾难性的事件使得各国科研人员认为对桥梁在运营状态下的健康监测问题的研究是刻不容缓的；通过对桥梁结构状态的监控与评估，可以达到保证桥梁安全运营，避免桥梁安全事故发生的目的；同时监测信息可为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。
桥梁在运营状态的长期应力监测分预埋和表贴两种方式来实现。预埋的方式可解决恒载应力的监测问题，但存在因传感器寿命问题而不能实现长期监测；表贴传感器具有可更换的优点，但不能解决恒载应力监测问题。因此，过去在实施桥梁结构应力监测时，往往建设期和营运期的结构应力监测是脱节的，不能有效地结合起来，从而未能达到预期的监测效果。
发明内容
本发明公开了一种桥梁结构应力的长期监测方法，其步骤如下1)分别通过预埋传感器和表贴传感器对桥梁的结构应力进行监测，2)分别建立预埋传感器和表贴传感器监测值的应力—时间关系曲线F(t)和f(t)，3)求出应力—时间关系曲线F(t)和f(t)间的相关性函数G(t)，4)在预埋传感器失效后，由表贴传感器监测值的应力—时间关系曲线f(t)和相关性函数G(t)反推桥梁结构在恒载+活载作用下的应力—时间关系曲线F(t)。
步骤1)包括在建设期，把预埋传感器设置在监控桥梁的结构内部，用于监测恒载+活载作用下的应力；桥梁建成以后，将表贴传感器贴于预埋传感器位置相对应的桥梁结构表面，用于监测活载应力。
步骤2)包括采用最小二乘法或拉格朗日插值法分别建立预埋传感器和表贴传感器的应力—时间关系曲线F(t)和f(t)， 求F(t)的过程如下 ①把测得的应力和时间数据描绘在直角坐标系中，若发现这些点在一条曲线附近，可以令这条曲线方程为F计＝∑AjTj，其中Aj为任意实数，Tj为时间常量，F计为计算应力值； ②令Q＝∑(Fi-F计)2，其中Fi为预埋传感器实测应力值，Q为预埋传感器实测应力值与计算应力值的差的平方和所构成的函数； ③将F计代入到上式中得Q＝∑(Fi-∑AjTj)2，当Q取最小时，用Q对Aj求偏导数； ④令偏导数为零得到包含未知数Aj的方程组，解方程组求得Aj； ⑤将Aj代入到方程F计＝∑AjTj中得出拟合曲线方程，所得方程即为F(t)； 求f(t)的过程如下 ①把测得的应力和时间数据描绘在直角坐标系中，若发现这些点在一条曲线附近，可以令这条曲线方程为f计＝∑ajTj，其中aj为任意实数，Tj为时间常量，f计为计算应力值； ②令S＝∑(fi-f计)2，其中fi为表贴传感器实测应力值，S为表贴传感器实测应力值与计算应力值的差的平方和所构成的函数； ③将f计代入到上式中得S＝∑(fi-∑ajTj)2，当S取最小时，用S对aj求偏导数； ④令偏导数为零得到包含未知数aj的方程组，解方程组求得aj； ⑤将aj代入到方程f计＝∑ajTj中得出拟合曲线方程，所得方程即为f(t)； 步骤3)包括 ①把差值和时间数据描绘在直角坐标系中，若发现这些点在一条曲线附近，可以令这条曲线方程为K计＝∑BjTj，其中Bj为任意实数，Tj为时间常量，K计为计算应力差值； ②令R＝∑(Ki-K计)2，其中Ki为应力差值，R为应力差值与计算应力差值的差的平方和所构成的函数； ③将K计代入到上式中得R＝∑(Ki-∑BjTj)2，当R最小时，用R对Bj求偏导数； ④令偏导数为零得到包含未知数Bj的方程组，解方程组求得Bj； ⑤将Bj代入到方程K计＝∑BjTj中得出拟合曲线方程，所得方程即为G(t)。
本发明的有益技术效果是分析归纳出采用预埋传感器和表贴传感器这两种应力监测手段所监测到的应力的相关性，实现两种应力监测手段的优势互补，对营运期桥梁实现长期安全监测。
图1，预埋和表贴传感器监测应力数据相关性构建示意图； 图2，预埋和表贴传感器关系分析的桥梁结构长期应力监测示意图； 图3，预埋和表贴传感器关系分析实施桥梁结构长期应力监测流程图。
附图1中，预埋传感器1，表贴传感器2，钢筋3，梁体表面4；附图2中，T1为建设期，该时间段内曲线为预埋传感器监测的恒载应力曲线；T2为建设—营运过渡期，该时间段内的实线为表帖传感器监测的活载应力曲线，虚线为预埋传感器监测的恒+活载应力曲线；T3为营运期(即预埋传感器失效后的阶段)，该时间段内的实线为为表帖传感器监测的活载应力曲线，虚线为反推的恒+活载应力曲线。
具体实施例方式 本发明的桥梁结构应力的长期监测方法为1)分别通过预埋传感器和表贴传感器对桥梁的结构应力进行监测，2)分别建立预埋传感器和表贴传感器监测值的应力—时间关系曲线F(t)和f(t)，3)求出应力—时间关系曲线F(t)和f(t)间的相关性函数G(t)，4)在预埋传感器失效后，由表贴传感器监测值的应力—时间关系曲线f(t)和相关性函数G(t)反推桥梁结构在恒载+活载作用下的应力—时间关系曲线F(t)。
步骤1)预埋传感器和表帖传感器 参见附图1，在建设期，根据桥梁结构的受力特点，把预埋传感器设置在监控桥梁的结构内部，用于监测桥梁建设期恒载及运营期恒载+活载作用下的应力；桥梁建成以后，将表贴传感器贴于与预埋传感器位置相对应的桥梁结构表面，对桥梁实施活载应力监测。
步骤2)拟合预埋传感器和表帖传感器的应力—时间关系曲线 利用数理统计等数学手段对监测数据进行分析研究，依据桥梁结构受力的本构关系，由监测应变值计算相应应力，对不同时段的预埋传感器和表帖传感器监测数据进行分析，采用最小二乘法或拉格朗日插值法等数学统计方法，拟合应力—时间关系曲线。
建立预埋传感器的应力—时间关系曲线F(t)和表贴传感器的应力—时间关系曲线f(t)的过程如下 求F(t)的过程如下 ①把测得的应力和时间数据描绘在直角坐标系中，若发现这些点在一条曲线附近，可以令这条曲线方程为F计＝∑AjTj，其中Aj为任意实数，Tj为时间常量，F计为计算应力值； ②令Q＝∑(Fi-F计)2，其中Fi为预埋传感器实测应力值，Q为预埋传感器实测应力值与计算应力值的差的平方和所构成的函数； ③将F计代入到上式中得Q＝∑(Fi-∑AjTj)2，当Q取最小时，用Q对Aj求偏导数； ④令偏导数为零得到包含未知数Aj的方程组，解方程组求得Aj； ⑤将Aj代入到方程F计＝∑AjTj中得出拟合曲线方程，所得方程即为F(t)； 求f(t)的过程如下 ①把测得的应力和时间数据描绘在直角坐标系中，若发现这些点在一条曲线附近，可以令这条曲线方程为f计＝∑ajTj，其中aj为任意实数，Tj为时间常量，f计为计算应力值； ②令S＝∑(fi-f计)2，其中fi为表贴传感器实测应力值，S为表贴传感器实测应力值与计算应力值的差的平方和所构成的函数； ③将f计代入到上式中得S＝∑(fi-∑ajTj)2，当S取最小时，用S对aj求偏导数； ④令偏导数为零得到包含未知数aj的方程组，解方程组求得aj； ⑤将aj代入到方程f计＝∑ajTj中得出拟合曲线方程，所得方程即为f(t)； 步骤3)归纳出预埋传感器和表帖传感器监测数据的相关性。
根据拟合的预埋传感器和表帖传感器的应力—时间关系曲线，通过对预埋传感器和表帖传感器监测数据的分析，对其差值进行比较归纳，找出预埋传感器和表帖传感器监测数据差值随时间的变化规律，总结出预埋传感器和表帖传感器监测数据的相关性。下面为一种具体的分析计算方法 ①把差值和时间数据描绘在直角坐标系中，若发现这些点在一条曲线附近，可以令这条曲线方程为K计＝∑BjTj，其中Bj为任意实数，Tj为时间常量，K计为计算应力差值； ②令R＝∑(Ki-K计)2，其中Ki为应力差值，R为应力差值与计算应力差值的差的平方和所构成的函数； ③将K计代入到上式中得R＝∑(Ki-∑BjTj)2，当R最小时，用R对Bj求偏导数； ④令偏导数为零得到包含未知数Bj的方程组，解方程组求得Bj； ⑤将Bj代入到方程K计＝∑BjTj中得出拟合曲线方程，所得方程即为预埋传感器和表帖传感器的应力—时间关系曲线F(t)和f(t)间的相关性函数G(t)。
步骤4)应力反推 在预埋传感器失效后，由表贴传感器监测值的应力—时间关系曲线f(t)和相关性函数G(t)反推桥梁结构在恒载+活载作用下的应力—时间关系曲线F(t)。
本发明结合了预埋传感器和表帖传感器两种应力监测方式的优势，建立起两种监测方式的相关性，即使在预埋传感器失去监测能力以后，仍可以通过对表帖传感器的应力测试数据分析，达到监测恒+活载作用于桥梁结构所产生应力的目的，实现对桥梁结构的长期应力监测，并对桥梁进行安全评价和预警预报。
权利要求
1、一种桥梁结构应力的长期监测方法，其特征在于1)分别通过预埋传感器和表贴传感器对桥梁的结构应力进行监测，2)分别建立预埋传感器和表贴传感器监测值的应力—时间关系曲线F(t)和f(t)，3)求出应力—时间关系曲线F(t)和f(t)间的相关性函数G(t)，4)在预埋传感器失效后，由表贴传感器监测值的应力—时间关系曲线f(t)和相关性函数G(t)反推桥梁结构在恒载+活载作用下的应力—时间关系曲线F(t)。
2、根据权利要求1所述桥梁结构应力的长期监测方法，其特征在于步骤1)包括在建设期，把预埋传感器设置在监控桥梁的结构内部，用于监测恒载+活载作用下的应力；桥梁建成以后，将表贴传感器贴于预埋传感器位置相对应的桥梁结构表面，用于监测活载应力。
3、根据权利要求1所述桥梁结构应力的长期监测方法，其特征在于步骤2)包括采用最小二乘法或拉格朗日插值法分别建立预埋传感器和表贴传感器的应力—时间关系曲线F(t)和f(t)，
求F(t)的过程如下
①把预埋传感器测得的应力和时间数据描绘在直角坐标系中，若发现这些点在一条曲线附近，可以令这条曲线方程为F计＝∑AjTj，其中Aj为任意实数，Tj为时间常量，F计为计算应力值；
②令Q＝∑(Fi-F计)2，其中Fi为预埋传感器实测应力值，Q为预埋传感器实测应力值与计算应力值的差的平方和所构成的函数；
③将F计代入到上式中得Q＝∑(Fi-∑AjTj)2，当Q取最小时，用Q对Aj求偏导数；
④令偏导数为零得到包含未知数Aj的方程组，解方程组求得Aj；
⑤将Aj代入到方程F计＝∑AjTj中得出拟合曲线方程，所得方程即为F(t)；
求f(t)的过程如下
①把表贴传感器测得的应力和时间数据描绘在直角坐标系中，若发现这些点在一条曲线附近，可以令这条曲线方程为f计＝∑ajTj，其中aj为任意实数，Tj为时间常量，f计为计算应力值；
②令S＝∑(fi-f计)2，其中fi为表贴传感器实测应力值，S为表贴传感器实测应力值与计算应力值的差的平方和所构成的函数；
③将f计代入到上式中得S＝∑(fi-∑ajTj)2，当S取最小时，用S对aj求偏导数；
④令偏导数为零得到包含未知数aj的方程组，解方程组求得aj；
⑤将aj代入到方程f计＝∑ajTj中得出拟合曲线方程，所得方程即为f(t)；
4、根据权利要求1所述桥梁结构应力的长期监测方法，其特征在于步骤3)包括
①把差值和时间数据描绘在直角坐标系中，若发现这些点在一条曲线附近，可以令这条曲线方程为K计＝∑BjTj，其中Bj为任意实数，Tj为时间常量，K计为计算应力差值；
②令R＝∑(Ki-K计)2，其中Ki为应力差值，R为应力差值与计算应力差值的差的平方和所构成的函数；
③将K计代入到上式中得R＝∑(Ki-∑BjTj)2，当R最小时，用R对Bj求偏导数；
④令偏导数为零得到包含未知数Bj的方程组，解方程组求得Bj；
⑤将Bj代入到方程K计＝∑BjTj中得出拟合曲线方程，所得方程即为G(t)。
全文摘要
本发明公开了一种桥梁结构应力的长期监测方法，该方法包括分别通过预埋传感器和表贴传感器对桥梁的结构应力进行监测，分别建立预埋传感器和表贴传感器的应力—时间关系曲线，求出两条应力—时间关系曲线的相关性参数化函数，在预埋传感器失效后，由表贴传感器监测的应力结果结合相关性函数反推桥梁结构在恒载+活载作用下的应力；本发明的有益技术效果是分析归纳出采用预埋传感器和表贴传感器这两种应力监测手段所监测到的应力的相关性，实现两种应力监测手段的优势互补，对营运期桥梁实现长期安全监测。
文档编号G01L1/00GK101363760SQ20081007019
公开日2009年2月11日 申请日期2008年8月28日 优先权日2008年8月28日
发明者周建庭, 勇 姚, 锐 房, 岳军声, 武电坤, 娟 杨 申请人:重庆交通大学