一种基于光纤传感的斜拉桥主梁线性监测方法与流程

1.本发明涉及桥梁监测技术领域。更具体地说，本发明涉及一种基于光纤传感的斜拉桥主梁线性监测方法。


背景技术：

2.光纤传感器作为一种新型的传感技术，具有抗电磁干扰、耐高温、易复用、灵敏度高、轻便灵活等优点，分布式光纤传感技术除具有上述优势外，还能实现物理参数的广域范围内分布式监测，且部署简单易行。基于上述优势，分布式光纤传感技术被广泛应用于安防、土木工程、石油石化等领域的温度、应变、振动等多种物理量的分布式监测中。
3.桥梁线形监测是桥梁状态监测的重要内容之一，在桥梁施工期和运营期均有线形监测的需求，传统的全站仪检测方法虽然仪器精度较高，但检测需要人工操作，检测麻烦且频率低，不能进行实时在线的线形监测。
4.专利cn 111504245 a公开了一种运营期桥梁线形测量方法，采用三维扫描仪和动挠度仪对运营期的桥梁线形进行测量。该方法解决了传统全站仪检测方法中检测运营期桥梁线形精确度低，测量难度大的问题。但所使用的仪器成本较高，且不是实时在线监测的。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的是提供一种基于光纤传感的斜拉桥主梁线性监测方法，用于斜拉桥主梁线形实时监测，且具有快速、实时监测的优点。
6.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于光纤传感的斜拉桥主梁线性监测方法，包括如下步骤：
7.s1、沿斜拉桥主梁桥面纵向中性轴两侧平行布设两组应变监测光纤，两组应变监测光纤之间的距离为z；
8.s2、采用分布式光纤应变监测仪获得两组应变监测光纤的应变序列值ε1(x)和ε2(x)；
9.s3、采用函数拟合算法通过应变序列值ε1(x)和ε2(x)获得应变监测光纤的应变与距离的函数关系式εi(x)和εj(x)；
10.s4、根据应变与位移转换算法，求解出斜拉桥主梁的线形曲线y(x)。
11.优选的是，所述步骤s1中每组应变监测光纤包含一根松套温度芯光纤和一根紧套应变芯光纤，温度芯实现对应变芯的温度补偿。
12.优选的是，所述步骤s2中，分布式光纤应变监测仪获得应变时应变测点间隔为10cm，应变测量精度为
±
1με。
13.优选的是，所述步骤s3中函数拟合算法包含三次样条插值算法和曲线拟合算法。
14.优选的是，具体为：首先通过三次样条插值对应变序列值ε1(x)和ε2(x)进行插值处理，得到空间精度更高的应变序列值ε1(x)&apos；和ε2(x)&apos；，然后采用模式识别算法得出最优拟合函数类型，最后按照确定的函数类型，输入应变序列值ε1(x)&apos；和ε2(x)&
apos；，求解函数系数，得到最佳函数关系式εi(x)和εj(x)。
15.优选的是，所述步骤s4中斜拉桥主梁的线形曲线y(x)求解公式为：
[0016][0017]
本发明至少包括以下有益效果：
[0018]
1、本发明提出的基于光纤传感的斜拉桥主梁线形监测方法，实施方便，仅需布设两组应变监测光纤，即可实现桥梁线形的自动和实时在线监测，无需人工操作和干预，系统成本低。
[0019]
2、本发明提出的基于光纤传感的斜拉桥主梁线形监测方法，可在桥梁建造期铺设光纤，实现桥梁从建造期到运营期的全生命周期主梁线形监测。
[0020]
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0021]
图1为本发明的主梁线形监测方法框架原理图。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0023]
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0024]
如图1所示，本发明提供一种基于光纤传感的斜拉桥主梁线性监测方法，包括如下步骤：
[0025]
s1、沿斜拉桥主梁桥面纵向中性轴两侧平行布设两组应变监测光纤，两组应变监测光纤之间的距离为z；
[0026]
s2、采用分布式光纤应变监测仪获得两组应变监测光纤的应变序列值ε1(x)和ε2(x)；
[0027]
s3、采用函数拟合算法通过应变序列值ε1(x)和ε2(x)获得应变监测光纤的应变与距离的函数关系式εi(x)和εj(x)，距离指的是应变监测光纤的应变测点与斜拉桥主梁桥面其中一个侧边之间的距离；
[0028]
s4、根据应变与位移转换算法，求解出斜拉桥主梁的线形曲线y(x)，求解公式为：
[0029][0030]
在上述技术方案中，本技术采用分布式光纤应变监测技术和应变-位移转换算法，实现斜拉桥主梁线形的实时在线监测。通过分布式光纤应变监测技术获得沿桥梁纵向中性
轴方向的桥梁应变-距离函数关系，并通过应变-位移转换算法获得全桥范围的主梁线形曲线，实现桥梁建造期及营运期的线形监测。本技术在桥面平行布设两道分布式监测光纤来简化后续应变-位移转换难度的方案现有技术中还未提出过，因为有了桥面布设应变监测光纤的这一前提，才能在后续监测中推导桥梁线形，而不考虑桥梁受力情况。而常规监测方式需要对桥梁受力情况进行分析和计算，这是一个复杂而困难的步骤。
[0031]
在另一种技术方案中，所述步骤s1中每组应变监测光纤包含一根松套温度芯光纤和一根紧套应变芯光纤，温度芯实现对应变芯的温度补偿。
[0032]
在另一种技术方案中，所述步骤s2中，分布式光纤应变监测仪获得应变时应变测点间隔为10cm，应变测量精度为
±
1με。
[0033]
在另一种技术方案中，所述步骤s3中函数拟合算法包含三次样条插值算法和曲线拟合算法，具体为：首先通过三次样条插值对应变序列值ε1(x)和ε2(x)进行插值处理，得到空间精度更高的应变序列值ε1(x)&apos；和ε2(x)&apos；，然后采用模式识别算法得出最优拟合函数类型，最后按照确定的函数类型，输入应变序列值ε1(x)&apos；和ε2(x)&apos；，求解函数系数，得到最佳函数关系式εi(x)和εj(x)。
[0034]
斜拉桥主梁的线形曲线y(x)求解公式具体计算过程如下：
[0035]
按照上述方式完成光纤铺设后，可以认为光纤与桥面贴合，具有相同的形变产生，且可以假设光纤不受纵向应力影响，此时光纤仅受桥面弯曲带来的拉伸影响，产生线应变。故通过计算光纤高程即可等效为桥面高程。下面将通过还原光纤曲线形状来给出梁的变形情况。
[0036]
由梁的弹性变形原理可知，梁的同一截面上任一点的应变可用下式计算，
[0037][0038]
z为测点到梁中轴线的距离；m为截面所受弯矩；ei为截面抗弯刚度。
[0039]
在受力状态下，梁的挠曲线的曲率与弯矩成正比，与梁的抗弯刚度成反比，即
[0040][0041]
从而，
[0042][0043]
由于在实际测量中并不能确定截面的中性轴，根据平截面假定，可以采用沿梁高方向粘贴两个或两个以上应变计的方法，利用式中应变与测点到梁中性轴的距离的线性关系来计算曲率。只要沿梁高布置两个或两个以上应变计，测量其应变值，得到两个应变计之间的应变差值δε及应变测点间距离δz，得到曲率与实测应变的关系为：
[0044][0045]
设y＝f(x)为梁的挠曲线方程，从几何角度有：
[0046][0047]
再由
[0048][0049][0050]
因此
[0051][0052]
对于工程上一般的梁，挠度曲线一般为一很平坦的曲线，可做如下近似处理
[0053][0054]
于是，可得各点应变与位移的定量解释关系：
[0055][0056]
如果得到εi(x)、εj(x)的函数表达式，通过积分便能求取位移曲线y(x)。
[0057]
此时由于分布式光纤的优势，可以得到每条光纤上大量点的应变值，并采用插值拟合的方式，可以得到εi(x)、εj(x)的函数准确表达式，假设两条光纤严格沿中性轴平行布置，两根光纤之间的距离z就可以假设为一个常数，那么，可以得到
[0058][0059]
从而可以得到斜拉桥主梁的线形曲线。
[0060]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。