一种桥梁连续变形检测装置及桥梁挠度测量方法与流程

本发明涉及桥梁结构检测技术领域，具体来说，披露了一种桥梁连续变形检测装置及桥梁挠度测量方法。

背景技术：

为了获知桥梁的结构健康状况，及时发现桥梁结构承载力变化和病害，需要对桥梁结构相关参数定期或长期检测，其中，桥梁变形情况是非常重要的检测内容，与桥梁强度、刚度、稳定性有内在联系，对评价桥梁结构的瞬态和长期结构健康状态和检验桥梁的真实受力特性具有重要的理论价值。

传统对于桥梁变形测量主要采用百分表法、连通管法、水准仪法、GPS挠度测量法等，这些方法主要是通过测量离散点的挠度值估算出桥梁理论变形值，但这些方法都不同程度地存在着一些问题和不足：如布设点少、成本高、精度低、维护困难、条件苛刻、安装不便等。因此，提出一种简单实用且能够满足长期实时监测要求的桥梁连续变形检测装置是十分必要的。

技术实现要素：

本发明为了解决传统桥梁变形检测技术的种种不足，提出了一种适用于桥梁长期在线监测的桥梁变形检测装置及桥梁挠度测量方法。本发明基于激光测距原理，具有精度高、速度快、非接触、功耗低、体积小等优点，可广泛应用于各种公路、铁路桥梁变形检测及实时连续监测。

一种桥梁连续变形检测装置，其特征在于，包括：水准仪模块1、测距模块2、倾角测量模块3、主控板4、安装支架5、步进电机6、联轴器7、旋转底座8；其中，测距模块2与旋转底座8通过旋转轴构成旋转机构，并与步进电机6通过联轴器7连接，且底座8固定于安装支架5的上表面上；倾角测量模块3固定安装于测距模块2外壳上，可与之同步转动；步进电机6的底座、主控板4、水准仪模块1根据安装要求固定于安装支架5的上表面上；主控板4为步进电机6、倾角测量模块3、测距模块2提供电源与通讯接口。

优选的，水准仪模块1为安装支架5提供水平基准，使得安装支架5上表面保持水平。

优选的，测距模块2采用具备较高的测距精度和测量响应速度的激光式测距模块，并具备数据通讯接口，方便数据实时读取；测距模块2具有一个用于安装旋转轴的孔，并配备轴套、键槽、固定销作为连接件。

优选的，主控板4可对控制步进电机6进行脉冲控制，使固定于旋转底座8上的测距模块2和倾角测量模块3随着步进电机6步进角变化进行跟随；步进电机6、测距模块2和旋转底座8之间通过联轴器7连接；主控板4负责整个桥梁连续变形检测装置的供电和通讯，并且通过实时采集距离和激光测距模块的信息并根据算法计算出桥梁变形情况和挠度。

优选的，步进电机6为高精度步进电机，可通过脉冲信号对电机转子步进角进行控制。

优选的，联轴器7为连接步进电机和激光测距模块连接轴连接器，内部具有弹性元件用于减小开关过程中的冲击。

优选的，旋转底座8为钢制构件，内置轴承座，通过旋转轴与激光测距模块2固定连接。

一种桥梁挠度测量方法，其特征在于，使用上述桥梁连续变形检测装置，通过安装支架5将桥梁连续变形检测装置安装在桥墩表面，其中安装支架5的侧表面通过螺栓将垂直面固定于桥墩面，使得桥梁连续变形检测装置处于水平状态，记录标高值h；并且通过主控板4控制步进电机6标定倾角测量模块3；标定完成后，主控板4控制步进电机6使测距模块2对准桥梁单跨桥墩与桥跨交点处，记录此时倾角测量θ₁，并开启测距模块2，读取测距值L₁；主控板4控制步进电机6已设定的步进角值进行转动，并进行下一组倾角测量和测距值测量，直到侧角测量值接近90度，得到多组数据，即(L₁，θ₁)至(L_n，θ_n)多组数据，并将记录的多组数据发送至上位机进行数据处理。

优选的，通过上述方法，根据公式(1)和(2)计算出桥梁单跨各个点距地基准点高度y_n和个点距安装点位置x_n，得到数组(x_n，y_n)，并根据该数据采用多项式拟合或高斯拟合方法得到拟合曲线，其中以桥梁为未加载负载时的数组为基准数组，拟合曲线为基准曲线，通过与加载数据数组所拟合的加载测量拟合曲线对应值做差得到挠度曲线，其中，挠度曲线的最大峰值为桥梁最大挠度变化值。

y_n＝L_n*sin(θ_n)+h (1)

x_n＝L_n*cos(θ_n) (2)

与现有技术相比，本发明的技术优点是：

(1)能够适用于长期连续测量桥梁变形检测，进一步可进行挠度在线监测。

(2)能够对桥梁实际变形线形曲线，便于后期分析。

(2)装置操作简单，精确度高、结果可靠。

附图说明

图1是本发明实施例中的桥梁连续变形检测装置结构示意图。

图2是本发明实施例中使用桥梁连续变形检测装置进行桥梁挠度测量的方法示意图。

图3是本发明实施例中通过桥梁连续变形数据处理方法得到的基准曲线和加载形变曲线。

图4是本发明实施例中处理后得到的桥梁挠度曲线。

附图标记说明：

1-水准仪模块、2-测距模块、3-倾角测量模块、4-主控板、5-安装支架、6-步进电机、7-联轴器、8-旋转底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

桥梁连续变形检测装置

图1是本实施例中的桥梁连续变形检测装置结构示意图。如图1中所示，所述桥梁连续变形检测装置包括水准仪模块1、测距模块2、倾角测量模块3、主控板4、安装支架5、步进电机6、联轴器7、旋转底座8。

测距模块2与旋转底座8通过旋转轴构成旋转机构，并与步进电机6通过联轴器7连接，且底座8固定于安装支架5的上表面上；倾角测量模块3固定安装于测距模块2外壳上，可与之同步转动；步进电机6的底座、主控板4、水准仪1模块根据安装要求固定于安装支架5的上表面上；主控板4为步进电机6、倾角测量模块3、测距模块2提供电源与通讯接口。

水准仪模块1为安装支架5提供水平基准，使得安装支架5上表面保持水平。

测距模块2采用具备较高的测距精度和测量响应速度的激光式测距模块，并具备数据通讯接口，方便数据实时读取；测距模块2具有一个用于安装旋转轴的孔，并配备轴套、键槽、固定销等连接件。

倾角测量模块3具备较高测量精度和响应速度，并具备数据通讯接口，方便数据实时读取。

主控板4为整个检测装置的控制核心，具备多种常用的接口电路，并为激光测距模块2、倾角测量模块3、步进电机6提供电源和通讯电路，通过实时采集距离和激光测距模块的信息并根据算法计算出桥梁变形情况和挠度。此外，可对步进电机6转动进行控制。

主控板4可对控制步进电机6进行脉冲控制，使固定于旋转底座8上的测距模块2和倾角测量模块3随着步进电机6步进角变化进行跟随；步进电机6、测距模块2和旋转底座8之间通过联轴器7连接；主控板4负责整个桥梁连续变形检测装置的供电和通讯。

安装支架5为L型钢架，上表面具有较高的加工精度，用于装置所有模块的固定。安装支架5侧表面通过螺栓将垂直面固定于桥墩面，可通过水准仪模块1调整固定螺栓使安装支架5保持水平，水准仪模块1、测距模块2、倾角测量模块3、主控板4、步进电机6、联轴器7、旋转底座8均水平固定于安装支架5上表面，进而全部保持水平。

步进电机6为高精度步进电机，可通过脉冲信号对电机转子步进角进行控制。

联轴器7为连接步进电机和激光测距模块连接轴连接器，内部具有弹性元件用于减小开关过程中的冲击。

旋转底座8为钢制构件，内置轴承座，通过旋转轴与激光测距模块2固定连接。

桥梁连续变形检测装置使用方法

本实施例使用实施例一中所披露的桥梁连续变形检测装置对桥梁挠度变化进行检测。

图2是本发明实施例中使用桥梁连续变形检测装置进行桥梁挠度测量的方法示意图。如图2中所示，首先，通过安装支架5将桥梁连续变形检测装置安装在桥墩表面，其中安装支架5的侧表面通过螺栓将垂直面固定于桥墩面，使得桥梁连续变形检测装置处于水平状态，记录标高值h；并且通过主控板4控制步进电机6标定倾角测量模块3；标定完成后，主控板4控制步进电机6使测距模块2对准桥梁单跨桥墩与桥跨交点处，记录此时倾角测量θ₁，并开启测距模块2，读取测距值L₁；主控板4控制步进电机6已设定的步进角值进行转动，并进行下一组倾角测量和测距值测量，直到侧角测量值接近90度，得到多组数据，即(L₁，θ₁)至(L_n，θ_n)多组数据，并将记录的多组数据发送至上位机进行数据处理。

桥梁连续变形数据处理方法

图3是本发明实施例中通过桥梁连续变形数据处理方法得到的基准曲线和加载形变曲线。图4是本发明实施例中处理后得到的桥梁挠度曲线。

如图3中所示，根据测量的测距数组L_n和θ_n，根据公式(1)和(2)计算出桥梁单跨各个点距地基准点高度y_n和个点距安装点位置x_n，得到数组(x_n，y_n)，并根据该数据拟合曲线，可通过处理软件进行多项式拟合或高斯拟合获得高的拟合精度曲线。例如，以桥梁为未加载负载时的数组为基准数组，拟合得到基准曲线(如图3中曲线(b))，通过与后续加载数据数组所拟合的加载测量拟合曲线(如图3中曲线(a))对应值做差，即可求得挠度曲线(如图4中的曲线(c))，挠度曲线的最大峰值即为桥梁最大挠度变化值。

y_n＝L_n*sin(θ_n)+h (1)

x_n＝L_n*cos(θ_n) (2)

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。