专利名称：运用多套捷联惯性系统进行桥梁监测的方法
技术领域：
本发明属于一种桥梁监测方法，特别涉及一种基于捷联惯性系统的桥梁动态变形、挠度分布和结构动力特性的测量技术。
背景技术：
根据交通部颁布的《公路桥涵养护规范》(JTG Hl 1-2004)的规定，公路桥涵养护工作按“预防为主，防治结合”的原则，以桥面养护为中心，以承重部件为重点，加强全面养护。公路桥涵养护工作要求对公路桥涵构造物进行周期性检查，系统地掌握其技术状况，及时发现缺损及相关环节的变化。按桥梁检查结果，对桥梁技术状况进行分类评定，制定相应的养护对策。公路桥涵养护工作要推广应用先进的养护技术和科学的管理方法，改善养护生产手段，提高养护技术水平。传统上，对桥梁结构的评估通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的信息进行。人工桥梁检查分为经常检查、定期检查和特殊检查。但是人工桥梁检查方法在实际应用中有很大的局限性。传统监测方式的不足之处主要表现在需要大量人力、物力并有诸多检查盲点；检查的进行情况受天气变化的影响，且不能实现连续的观测；检查与评估的结果主要取决于检查人员的专业知识水平以及现场检测的经验。虽然随着电子经纬仪和全站仪的出现使其具有测量精度高、资料可靠等优点，但是利用摄影方法对桥梁进行变形观测易受天气变化的干扰，测量过程仍然比较复杂。惯性导航技术一直是一个国家军事、科技实力强弱的标志性技术。近年来，捷联惯导技术发展迅速，是惯性导航技术发展的一个重要方向，它已经广泛应用到舰船、飞机、战术与战略导弹以及航天飞机的导航中，能够实时快速地测量出这些运动载体的航向、姿态、速度和位置等信息，具有精度高、不依赖任何外界信息、并且不受外界干扰等优点。目前，国内外也有研究者将多套捷联惯性系统装在大型舰船的甲板上，测量甲板的变形。但是，将捷联惯性系统应用在桥梁监测上，对桥梁的静态、动态变形角、主梁挠度曲线、阻尼比以及冲击系数等结构参数进行测量，尚属空白。
发明内容
本发明的目的就是将上述捷联惯性系统运用在桥梁监测中，开展桥梁的动载试验，只需运用较少的人力资源及有限的人工操作，就可实时的测量桥梁在地脉动、风载、温度及水流变化等环境因素影响下或跑车和跳车试验影响下的变形和振动，实现桥梁观测点的变形和振动信息的连续的自动化观测；通过对测量信息进行处理后，可以得到桥梁的静态、动态变形角、主梁挠度曲线、阻尼比以及冲击系数等参数，进一步可以对桥梁的技术状况进行评估，从而为桥梁监测技术的发展提出一个新的测量方法。本发明的目的是这样实现的包括如下步骤(I)捷联惯性系统位置布设首先选择基准捷联惯性系统的安装位置，安装点要在桥梁之外的不动参考点，尽量便于与测点捷联惯性系统进行安装校准为宜；选择各个测点捷联惯性系统的安装位置，其主要视桥梁结构形式而定，以能够测得桥梁结构的最大反应(如主跨跨中截面、边跨跨中截面振幅)为宜，同时为了便于采集数据后期的处理计算，测点捷联惯性系统的安装位置主要选择在桥梁各跨的跨中和四等分点上；安装位置选好后，将捷联惯性系统安装在选定位置；在测量过程中，根据桥梁本身特性的不同，可以采取增加和减少测量点的方法来实现测量要求；(2)捷联惯性系统的安装校准、初始对准与启动将各套捷联惯性系统通过RS-485总线连接到路由器，最终连接到显示计算机；启动计算机，开启测量显示软件；进行捷联惯性系统的安装校准，使测试点捷联惯性系统和基准捷联惯性系统的姿态保持一致；基准捷联惯性系统启动并进行初始对准，初始对准完毕后捷联惯性系统的陀螺与加速度计开始采集角速度和比力信息，基准捷联惯性系统进入工作状态，输出测量信息到显示计算机；测试点的捷联惯性系统启动和初始对准，初始对准完毕后陀螺与加速度计开始采集比力和角速度信息，测试点捷联惯性系统进入工作状态，输出测量信息到显示计算机；计算机将测量信息进行实时显示和存储；(3)基于捷联惯性系统的桥梁动载试验根据桥梁结构大小，选择加载车辆，记录加载车辆的尺寸、重量参数；选择三角形垫木，记录三角形垫木的尺寸参数；进行脉动试验利用地脉动、风载、温度及水流因素作为输入，测定桥梁于处地脉动、风载、温度及水流随机荷载激振下而引起桥跨结构的微小振动响应；进行跑车试验让加载车以不同车速匀速通过桥跨结构，当某一行驶速度产生的激振力与桥梁结构的固有频率相接近时，可使桥梁振动响应达到最大值；在进行跑车实验前，为了避免采集的初始数据产生遗漏，要确保加载车辆行驶之前基准捷联惯性系统和各测点捷联惯性系统已经处于数据采集状态，在进行跑车实验时，要求准确控制加载车辆的车速；进行跳车试验在各个测试点捷联惯性系统安装位置上放置选定的三角形垫木，让一辆加载车辆的后轮从三角形垫木突然下落，通过对桥梁产生冲击作用来激起桥梁的竖向振动；各个测点捷联惯性系统对此时桥梁的动态变形和激振频率信息进行测定；在进行以上各项试验时，各个测点捷联惯性系统输出桥梁结构各控制点的变形和振动信息到计算机，计算机实时对测点信息进行显示和存储；(4)捷联惯性系统监测信息的分析与处理运用惯性测试匹配法比较基准捷联惯性系统和测点捷联惯性系统输出的变形信息，建立基准捷联惯性系统和一套测点捷联惯性系统在内的卡尔曼滤波方程和卡尔曼量测方程，通过卡尔曼滤波处理后，得出该桥梁测量点的静态和动态变形角；对每一套测点捷联惯性系统通过惯性测试匹配法进行分析处理，得出各测点的静态和动态变形角；在进行脉动试验时，当有多套捷联惯性系统对桥梁的不同位置同时测量时，可以根据各个点测出的静态和动态变形角，得出桥梁的横向挠度曲线，进行数据拟合得出桥梁横向挠度分布规律；在进行跑车试验时，可以根据各个点测出的静态和动态变形角，得出桥梁的横向动态挠度时程曲线，根据动态挠度时程曲线可以求出桥梁的冲击系数；同时，从捷联惯性系统的三路加速度计输出值可以得出各个测点的加速度时程曲线，从中可以直接读出测点的加速度振幅；对加速度时程曲线进行数值积分后可得到位移时程曲线，通过对位移时程曲线进行时域分析，可以得出桥梁振幅、阻尼比参数；通过对加速度时程曲线和位移时程曲线进行频谱分析，把时域信号变换为频域信号，得到振动能量按频率的分布情况，可以确定出桥梁结构的固有频率和频率分布特性。发明的特点(I)可以实时的采集桥梁观测点的变形和振动信息，在将采集的信息进行分析处理后，可以得出桥梁挠度和结构动力特性的相关信息，进而可以对桥梁的结构参数进行评定，同时对桥梁的运营状态进行评估；(2)与经纬仪、全站仪相比，捷联惯性系统的测量不受天气等状况的影响，现场无需过多的人工操作，可进行连续的数据测量；
(3)与倾角仪相比，在桥梁振动比较大的情况下，惯性系统更适合测量桥梁的动态变形角；
(4)与GPS测量方法相比，具有短期精度高的特点，结合加速度计和陀螺仪各自的特性，可以对桥梁的不同参数进行实时的测量；此外，惯性系统采集得到的信息还可用于验证大桥结构模型和设计方法的合理性，为以后的设计建造工作提供依据。
图1 :捷联惯性系统位置布设示意2 :桥梁监测系统监测流程3 :惯性测试匹配法测桥梁变形示意4 :加载车主要尺寸示意5 :由桥梁截面变形角确定主梁挠度示意6 :由自由振荡衰减曲线确定阻尼比示意7 :由动挠度曲线确定冲击系数示意中序号说明1、基准捷联惯性系统2-1、第I测点捷联惯性系统2-2、第2测点捷联惯性系统2-3、第3测点捷联惯性系统2-n、第n测点捷联惯性系统3、路由器4、RS_485总线5、计算机6、监测桥梁7、捷联惯性系统布设8、数据采集与传输9、数据处理分析10、基准坐标系11、测点坐标系12、不动参考点13、加载车辆14、主梁挠度曲线15、桥梁截面变形角
具体实施例方式下面结合附图对本发明实施方案进行详细描述。(I)捷联惯性系统位置布设首先选择基准捷联惯性系统的安装位置，安装点要在桥梁之外的不动参考点，尽量便于与测点捷联惯性系统进行安装校准为宜；选择各个测点捷联惯性系统的安装位置，其主要视桥梁结构形式而定，以能够测得桥梁结构的最大反应(如主跨跨中截面、边跨跨中截面振幅)为宜，同时为了便于采集数据后期的处理计算，测点捷联惯性系统的安装位置主要选择在桥梁各跨的跨中和四等分点上；安装位置选好后，将捷联惯性系统安装在选定位置；在测量过程中，根据桥梁本身特性的不同，可以采取增加和减少测量点的方法来实现测量要求；(2)捷联惯性系统的安装校准、初始对准与启动将各套捷联惯性系统通过RS-485总线连接到路由器，最终连接到显示计算机；启动计算机，开启测量显示软件；进行捷联惯性系统的安装校准，使测试点捷联惯性系统和基准捷联惯性系统的姿态保持一致；基准捷联惯性系统启动并进行初始对准，初始对准完毕后捷联惯性系统的陀螺与加速度计开始采集角速度和比力信息，基准捷联惯性系统进入工作状态，输出测量信息到显示计算机；测试点的捷联惯性系统启动和初始对准，初始对准完毕后陀螺与加速度计开始采集比力和角速度信息，测试点捷联惯性系统进入工作状态，输出测量信息到显示计算机；计算机将测量信息进行实时显示和存储；(3)基于捷联惯性系统的桥梁动载试验根据桥梁结构大小，选择加载车辆，记录加载车辆的尺寸、重量参数；选择三角形垫木，记录三角形垫木的尺寸参数；进行脉动试验利用地脉动、风载、温度及水流因素作为输入，测定桥梁于处地脉动、风载、温度及水流随机荷载激振下而引起桥跨结构的微小振动响应；进行跑车试验让加载车以不同车速匀速通过桥跨结构，当某一行驶速度产生的激振力与桥梁结构的固有频率相接近时，可使桥梁振动响应达到最大值；在进行跑车实验 前，为了避免采集的初始数据产生遗漏，要确保加载车辆行驶之前基准捷联惯性系统和各测点捷联惯性系统已经处于数据采集状态，在进行跑车实验时，要求准确控制加载车辆的车速；进行跳车试验在各个测试点捷联惯性系统安装位置上放置选定的三角形垫木，让一辆加载车辆的后轮从三角形垫木突然下落，通过对桥梁产生冲击作用来激起桥梁的竖向振动；各个测点捷联惯性系统对此时桥梁的动态变形和激振频率信息进行测定；在进行以上各项试验时，各个测点捷联惯性系统输出桥梁结构各控制点的变形和振动信息到计算机，计算机实时对测点信息进行显示和存储；(4)捷联惯性系统监测信息的分析与处理运用惯性测试匹配法比较基准捷联惯性系统和测点捷联惯性系统输出的变形信息，建立基准捷联惯性系统和一套测点捷联惯性系统在内的卡尔曼滤波方程和卡尔曼量测方程，通过卡尔曼滤波处理后，得出该桥梁测量点的静态和动态变形角；对每一套测点捷联惯性系统通过惯性测试匹配法进行分析处理，得出各测点的静态和动态变形角，其具体计算方法如下①建立静、动态变形角测量状态方程假设(^，(ty, Az为两套惯性系统安装点的静态变形角，0X，0Y，0Z为动态变形角，U x, U Y, i! Z为动态变形率，^ X @Y，0 z为根据经验统计得到的相关系数；因此^=O^=O(I)^2=OOx = JLlxGy = jLly(2)Oz=Mzfix = -P2xOx - 2px/J.x + WxMy =-Py^y -2PyflX+wY⑴
权利要求
1.一种运用多套捷联惯性系统进行桥梁监测的方法，其特征是包括如下步骤(1)捷联惯性系统位置布设首先选择基准捷联惯性系统的安装位置，安装点要在桥梁之外的不动参考点，尽量便于与测点捷联惯性系统进行安装校准为宜；选择各个测点捷联惯性系统的安装位置，其主要视桥梁结构形式而定，以能够测得桥梁结构的最大反应为宜，测点捷联惯性系统的安装位置主要选择在桥梁各跨的跨中和四等分点上；安装位置选好后，将捷联惯性系统安装在选定位置；在测量过程中，根据桥梁本身特性的不同，可以采取增加和减少测量点的方法来实现测量要求；(2)捷联惯性系统的安装校准、初始对准与启动将各套捷联惯性系统通过RS-485总线连接到路由器，最终连接到显示计算机；启动计算机，开启测量显示软件；进行捷联惯性系统的安装校准，使测试点捷联惯性系统和基准捷联惯性系统的姿态保持一致；基准捷联惯性系统启动并进行初始对准，初始对准完毕后捷联惯性系统的陀螺与加速度计开始采集角速度和比力信息，基准捷联惯性系统进入工作状态，输出测量信息到显示计算机；测试点的捷联惯性系统启动和初始对准，初始对准完毕后陀螺与加速度计开始采集比力和角速度信息，测试点捷联惯性系统进入工作状态，输出测量信息到显示计算机；计算机将测量信息进行实时显示和存储；(3)基于捷联惯性系统的桥梁动载试验根据桥梁结构大小，选择加载车辆，记录加载车辆的尺寸、重量参数；选择三角形垫木， 记录三角形垫木的尺寸参数；进行脉动试验利用地脉动、风载、温度及水流因素作为输入，测定桥梁于处地脉动、风载、温度及水流随机荷载激振下而引起桥跨结构的微小振动响应；进行跑车试验让加载车以不同车速匀速通过桥跨结构，当某一行驶速度产生的激振力与桥梁结构的固有频率相接近时，可使桥梁振动响应达到最大值；在进行跑车实验前，要确保加载车辆行驶之前基准捷联惯性系统和各测点捷联惯性系统已经处于数据采集状态， 在进行跑车实验时，要求准确控制加载车辆的车速；进行跳车试验在各个测试点捷联惯性系统安装位置上放置选定的三角形垫木，让一辆加载车辆的后轮从三角形垫木突然下落，通过对桥梁产生冲击作用来激起桥梁的竖向振动；各个测点捷联惯性系统对此时桥梁的动态变形和激振频率信息进行测定；在进行以上各项试验时，各个测点捷联惯性系统输出桥梁结构各控制点的变形和振动信息到计算机，计算机实时对测点信息进行显示和存储；(4)捷联惯性系统监测信息的分析与处理运用惯性测试匹配法比较基准捷联惯性系统和测点捷联惯性系统输出的变形信息，建立基准捷联惯性系统和一套测点捷联惯性系统在内的卡尔曼滤波方程和卡尔曼量测方程， 通过卡尔曼滤波处理后，得出该桥梁测量点的静态和动态变形角；对每一套测点捷联惯性系统通过惯性测试匹配法进行分析处理，得出各测点的静态和动态变形角；在进行脉动试验时，当有多套捷联惯性系统对桥梁的不同位置同时测量时，可以根据各个点测出的静态和动态变形角，得出桥梁的横向挠度曲线，进行数据拟合得出桥梁横向挠度分布规律；在进行跑车试验时，可以根据各个点测出的静态和动态变形角，得出桥梁的横向动态挠度时程曲线，根据动态挠度时程曲线可以求出桥梁的冲击系数；同时，从捷联惯性系统的三路加速度计输出值可以得出各个测点的加速度时程曲线， 从中可以直接读出测点的加速度振幅；对加速度时程曲线进行数值积分后可得到位移时程曲线，通过对位移时程曲线进行时域分析，可以得出桥梁振幅、阻尼比参数；通过对加速度时程曲线和位移时程曲线进行频谱分析，把时域信号变换 为频域信号，得到振动能量按频率的分布情况，可以确定出桥梁结构的固有频率和频率分布特性。
全文摘要
运用多套捷联惯性系统进行桥梁监测的方法属于桥梁监测技术；首先根据桥梁结构的动力特性对捷联惯性系统进行位置布设，对捷联惯性系统进行安装校准和初始对准；开展桥梁动载试验，包括脉动试验、跑车试验和跳车试验，运用捷联惯性系统对基准点和测量点的变形和振动信息进行连续的监测；运用惯性测试匹配法处理得到的变形信息，得出各个时刻桥梁测点的静态和动态变形角；运用基准点和各个测点惯性系统算得的动态变形角，得出桥梁的主梁挠度曲线，进一步处理得到桥梁的冲击系数；运用加速度计输出信息得出测点加速度时程曲线，进行积分得出位移时程曲线；运用时域和频域分析的方法分析加速度时程曲线和位移时程曲线，得出桥梁振幅、阻尼比、振型等结构参数；本发明具有不受天气变化干扰、人工操作少、自动化程度高、可以进行连续测量的特点。
文档编号G01B21/32GK102998081SQ20121054798
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月17日 优先权日2012年12月17日
发明者何昆鹏, 何云丰, 曹延哲, 朱慎博, 韩继涛, 苗志勇, 张兴智, 邵玉萍, 王福超, 郭凯文 申请人:黑龙江省博凯科技开发有限公司