一种桥梁多监测指标一体化测量装置及方法与流程

本发明涉及一种桥梁多监测指标一体化测量装置及方法，属于桥梁监测。

背景技术：

1、随着我国经济的快速发展，越来越多的桥梁建设了桥梁健康监测系统，用来监测桥梁的安全运行状况。其中桥梁结构竖向位移是一个必不可少的监测指标，其主要包含主梁静挠度、动挠度、加速度、倾角等。现有监测该指标的测量方式多采用静力水准仪、倾角仪、加速度传感器等多种设备分布监测。

2、其中，静力水准仪的测量方式为将多个测点采用液体连通管串联起来，由液面高度保持一致的连通管原理来实现液位或压力的变化测量。但是由于液体流动时存在惯性和粘滞性，管道存在摩擦阻力，温度变化会影响液体密度和压力等原因，测量得到的液位值往往滞后于实际的结构物体的沉降变形值。同时，当测点存在运动、振动时，静力水准仪必须等到液面彻底平静后才能测量，因而该方式难以实现实时、准确的动态位移测量。

3、由于静力水准仪通常采用水来作介质，对气温极为敏感，如低温时容易结冰，高温时容易膨胀，因此在设备安装施工时需要采取严格的防冻保温措施，施工要求极高。此外，静力水准仪极易受大气温度影响，容易发生由于温度补偿不足而导致测量结果失真。加之静力水准仪的液体橡胶管路易受老化、温差膨胀等原因影响，而出现液体渗漏的问题，从而导致后期设备运维成本增加。

4、其他可监测桥梁竖向位移的方法有全站仪、位移传感器、加速度传感器和激光测试方法、北斗gnss等。

5、（1）全站仪法：全站仪(包括经纬仪)是用于测量角度的精密测量仪器，可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。全站仪法同水准仪法一样，具有准备工作简单，操作方便的优点。其缺点是各测点不同步以及大变形时不可测。

6、（2）位移传感器法：目前采用的位移传感器多数是一种接触型传感器，主要采用应变式位移传感器，必须与测点相接触，其缺点是对于难以接近点无法测量以及对横向位移测量有困难。

7、（3）激光图像法：激光图像法是近年来应用比较广泛的测量挠度仪器，将专用靶标固定待测桥梁被测点，使靶标与桥梁有机的结合起来形成共振，将桥梁震动转换成特定波长的光源震动，通过光学解析系统将待测光信号解析至专用高精度工业ccd，检测靶标在ccd上成像的中心坐标的变化即可精确测量被测桥梁在载荷作用下产生的纵向和横向位移及其对时间的响应曲线。系统的k值(kx，ky)，即ccd上每个象素代表的实际位移值，能够在测量之前进行标定。该方法动静态均可测量，对于小挠度、较短的桥梁实施测量比较方便，不足之处在于该设备成本较高，需要在桥梁以外一定范围内选取测量参考点，图像法要求视野范围内无遮挡，且需要尽量避开车流量较大或车身较高的遮挡，需要有人值守，并且对于多点同时测量难以实现。

8、（4）北斗gnss法：利用gnss监测大桥位移的特点：各监测站之间是相互独立的观测值； 位受外界大气影响小，能够在暴风雨中进行监测；gnss测定位移自动化程度高；gnss定位速度慢、精度低。

9、综上可知，目前针对桥梁竖向位移的监测手段尚未有完全满足准确性、实时性、同步性、自动化和防护性等多方面要求。桥梁竖向位移的监测多采用静力水准仪和图像或激光雷达的方法，也有采用倾角进行拟合桥梁挠度的方法，但多为一维，较少存在多维拟合。且拟合无法实现三维位移的同步测量，桥梁健康监测系统仍以多种监测设备分布布设，但该种方式将导致桥梁监测点颇多，系统集成较为复杂。

10、因此，亟需提出一种新型的桥梁多监测指标一体化测量装置及方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明研发目的是为了解决现有的桥梁挠度监测受水压和温度影响严重导致数据不精准，难以有效测量的问题，以及桥梁竖向位移和倾角多指标无法一体化测量，多传感器导致系统集成复杂的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、方案一、一种桥梁多监测指标一体化测量装置，包括固定座和挠度测量组，固定座安装有多个挠度测量组，所述挠度测量组包括横向倾角监测装置、纵向倾角监测装置、挠度测量装置和保护盒，保护盒内部安装有横向倾角监测装置、纵向倾角监测装置和挠度测量装置；

4、所述横向倾角监测装置和纵向倾角监测装置的结构相同，所述横向倾角监测装置与桥梁横向方向平行布置，所述纵向倾角监测装置与桥梁纵向方向平行布置；

5、所述横向倾角监测装置包括倾角摆动杆、磁力重力球、第一光纤光栅应变传感器、第二光纤光栅应变传感器、方向限定滑槽、第一磁力感应片、第二磁力感应片、横向倾角监测安装壳体、第三光纤光栅应变传感器和第四光纤光栅应变传感器，横向倾角监测安装壳体安装于保护盒的内部，横向倾角监测安装壳体的内部设置有方向限定滑槽，磁力重力球滑动设置于方向限定滑槽内，倾角摆动杆的一端安装于横向倾角监测安装壳体的上方，倾角摆动杆的另一端与磁力重力球固定连接，倾角摆动杆的前后两侧分别设置有第一光纤光栅应变传感器和第二光纤光栅应变传感器，方向限定滑槽的前后两端分别安装有第一磁力感应片和第二磁力感应片，第一磁力感应片和第二磁力感应片上分别安装有第三光纤光栅应变传感器和第四光纤光栅应变传感器。

6、优选的：所述挠度测量装置包括挠度感应盘、竖向挠度传递杆、水平挠度传递杆、第一挠度传递斜撑、第二挠度传递斜撑、弹簧、第五光纤光栅应变传感器、第六光纤光栅应变传感器、第七光纤光栅应变传感器、左气压感应桶、右气压感应桶、左活塞杆、右活塞杆、限位卡槽、第一限位滑杆和第二限位滑杆；

7、所述保护盒内部底侧左右对称安装有左气压感应桶和右气压感应桶，左气压感应桶和右气压感应桶内分别滑动安装有左活塞杆和右活塞杆，左活塞杆的右侧探出左气压感应桶后，与第一限位滑杆转动连接，右活塞杆的左侧探出右气压感应桶后，与第二限位滑杆转动连接，第一限位滑杆和第二限位滑杆的两端分别通过限位卡槽与保护盒的前后内侧壁建立滑动连接，弹簧的两端分别与第一限位滑杆和第二限位滑杆固定连接；

8、所述第一挠度传递斜撑的一端与第二限位滑杆转动连接，第一挠度传递斜撑的另一端与水平挠度传递杆的左侧转动连接，第二挠度传递斜撑的一端与第二限位滑杆转动连接，第二挠度传递斜撑的另一端与水平挠度传递杆的右侧转动连接，竖向挠度传递杆的底端与保护盒内部水平挠度传递杆固定连接，竖向挠度传递杆的顶端探出保护盒后与挠度感应盘固定连接，所述弹簧上安装有第五光纤光栅应变传感器，左气压感应桶的左侧壁上安装有第六光纤光栅应变传感器，右气压感应桶的右侧壁上安装有第七光纤光栅应变传感器。

9、优选的：所述挠度感应盘与桥梁紧密连接。

10、优选的：所述左气压感应桶的左侧壁和右气压感应桶的右侧壁均设置为感应片，第六光纤光栅应变传感器和第七光纤光栅应变传感器均粘贴与感应片的外侧。

11、优选的：所述固定座包括横向固定板和竖向固定板，横向固定板通过竖向固定板固定安装于桥梁的梁体上，且横向固定板与桥梁的梁体平行设置。

12、方案二、一种桥梁多监测指标一体化测量方法，是依托于方案一所述的一种桥梁多监测指标一体化测量装置实现的测量方法，包括：

13、步骤1，根据桥梁跨度，定制横纵向固定板，横纵向固定板通过竖向固定板固定于桥梁的底部；

14、步骤2，横纵向固定板的长度为l，在横纵向固定板的两端、l/4、l/2、3l/4的位置处分别布置有挠度测量组，挠度测量组总计5个；

15、步骤3，将每个挠度测量组顶部的挠度感应盘通过螺栓与桥梁的主梁底部固定连接；

16、步骤4，当桥上有车辆通过时，每个挠度测量组依次测得5个点位的横纵向倾角、横纵向加速度、竖向位移数据；

17、步骤5，所述横纵向加速度通过基于加速度的横纵向位移监测原理，以及所述横纵向倾角通过基于倾角数据的横纵向位移监测原理计算获得两组横纵向位移数据；

18、步骤6，若步骤5中计算获得的两组横纵向位移数据的误差在2%以内，则表明加速度和倾角测量装置均无异常，以基于倾角数据的横纵向位移监测原理获得的横纵向位移数据作为真实横纵向测量数据，进入步骤7；

19、若步骤5中计算获得的两组横纵向位移数据的误差大于2%，则判断两组测量装置存在异常，检查装置是否损坏；

20、步骤7，将每个挠度测量组依次测得5个点位的竖向位移数据根据桥梁的走向，依次将同一时间点的竖向位移数据进行连线，得到桥梁的竖向挠度曲线，由于每个挠度测量组测量得到的桥梁挠度是随着车辆荷载移动而实时测量，故竖向挠度为动挠度；

21、步骤8，同理，将步骤7中设定的横纵向位移数据，根据桥梁的走向测得5个点位，依次将同一时间点的数据进行连线，得到桥梁的横纵向位移曲线，进而得到桥梁沿着桥梁走向的三维位移曲线；

22、步骤9，通过实时的得到桥梁的横纵向倾角、横纵向加速度、三维位移，对桥梁实现多监测指标的一体化测量。

23、优选的：所述横纵向倾角通过倾角测量原理测量获得，具体为：

24、当桥上有车辆通过，桥梁监测点位发生横向倾斜时，在方向限定滑槽的作用下，磁力重力球会因重力朝限定方向摆动，由于磁力重力球与第一磁力感应片和第二磁力感应片的磁力始终是相斥的，故当磁力重力球发生摆动时，磁力发生变化，导致第一磁力感应片和第二磁力感应片发生不同程度的挤压变形，第三光纤光栅应变传感器和第四光纤光栅应变传感器可实时测量第一磁力感应片和第二磁力感应片的变形量，进而通过第三光纤光栅应变传感器和第四光纤光栅应变传感器测量出的变形量实时的反映倾角的变化量，即测得横纵向倾角，如下：

25、                                公式（1.1）

26、其中，为第三光纤光栅应变传感器或第四光纤光栅应变传感器测量出的应力大小，即应变量，e为弹性模量，为第一磁力感应片和第二磁力感应片的应变值，a为第一磁力感应片和第二磁力感应片的面积；f为磁性摆动块磁性摆动块与感应片之间的斥力大小，随着两者之间的距离缩短，斥力越大，两者呈线性关系，斥力越大反映方向的倾角越大，进而导致光纤光栅应变传感器测的应变值越大。

27、计算第三光纤光栅应变传感器和第四光纤光栅应变传感器的波长变化量，得到应变量，对应变量与倾角的关系进行实验室拟合，得到应变量与倾角的线性关系曲线；

28、当读取第三光纤光栅应变传感器和第四光纤光栅应变传感器的波长的变化量时，得到应变量，再通过应变量与倾角的线性关系曲线，得到倾角值，即横纵向倾角；

29、                           公式（1.2）

30、其中，为应变量与倾角的线性关系曲线系数，和为光纤光栅应变传感器在t2和t1时刻的波长值。

31、优选的：所述横纵向加速度通过加速度测量原理获得，具体为：

32、当桥上有车辆通过时，外界发生振动，会导致横向倾角监测装置和纵向倾角监测装置发生偏转晃动，其中倾角摆动杆上两个方向分别粘贴的第一光纤光栅应变传感器和第二光纤光栅应变传感器，会跟随倾角摆动杆发生单一方向上的往返摆动，摆动进而会导致第一光纤光栅应变传感器和第二光纤光栅应变传感器的波长发生变化，通过读取波长变化的频率，即可得到横纵向方向上的振动加速度，如下式：

33、                        公式（1.3）

34、其中，和分别为连续两次波长变化的时间。

35、优选的：所述基于加速度的横纵向位移监测原理具体为：

36、通过对横纵向方向上的振动加速度进行二次积分可得到桥梁在横纵向上的位移值，如下式：

37、                     公式（1.4）

38、                     公式（1.5）

39、其中，x和y分别为横纵向上的位移值，和分别为t时候横纵向上的加速度值。

40、优选的：所述基于倾角数据的横纵向位移监测原理具体为：

41、当桥上有车辆通过时，外界发生振动，会导致横向倾角监测装置和纵向倾角监测装置发生偏转晃动，获得横纵向倾角，对横纵向倾角采用最小二乘法，得到横纵向位移，如下：

42、假定跨桥梁的横向位移曲线为h（x），纵向位移曲线为h（y），在跨布置m个挠度测量组，位移曲线满足跨所有支座的边界约束条件，如下式：

43、                      公式（1.6）

44、                      公式（1.7）

45、其中，a（x）为满足段桥梁支座边界条件的横向函数，a（y）为满足段桥梁支座边界条件的纵向函数，是基函数的一组常系数，为一组横向函数组，是m-1维线性空间的一组基，是基函数的一组常系数，为一组纵向函数组，是m-1维线性空间的一组基。

46、位移的一阶导数为转角，对公式（1.6）和公式（1.7）分别求一阶导数，再代入现场实测的倾角值，就可以得到公式（1.8）和公式（1.9）：

47、   公式（1.8）

48、  公式（1.9）

49、式中，是横向函数a（x）对x的一阶导数，是横向函数组对x的一阶导数，为现场实测的横向倾角值；是纵向函数对y的一阶导数，是纵向函数组对y的一阶导数，为现场实测的纵向倾角值；

50、因为公式（1.6）至公式（1.9）是m个方程的方程组，包含了m-1个未知数，所以通过最小二乘法，求得最优解xj，yj（j =1,2,…,m-1），故假定目标函数f（x1,x2,…,xm-1），f（y1,y2,…,ym-1），如下：

51、     公式（1.10）

52、     公式（1.11）

53、      公式（1.12）

54、    公式（1.13）

55、为计算得到的第j个测点的横向倾角值，为计算得到的第j个测点的纵向倾角值，采用最小二乘法，计算目标函数为最小值的一组解，即所求的最佳解xj，yj，如下：

56、       公式（1.14）

57、        公式（1.15）

58、得到一个m-1阶方程组，然后计算得到一组最优解xj，yj（j=1,2,…,m-1），将这组最优解代入公式（1.6）和公式（1.7），得到跨桥梁的横纵向位移曲线；

59、最后计算出每个时刻整个桥梁所有测点位的横纵向位移后，便得到每个测点在0～f时间段的横纵向位移时程曲线。

60、本发明具有以下有益效果：

61、1.本发明可实时监测桥梁的动静态挠度的变化，现有测量方式将多个测点采用液体连通管串联起来，由液面高度保持一致的连通管原理来实现液位或压力的变化测量。但是由于液体流动时存在惯性和粘滞性，管道存在摩擦阻力，温度变化会影响液体密度和压力等原因，测量得到的液位值往往滞后于实际的结构物体的沉降变形值。同时，当测点存在运动、振动时，必须等到液面彻底平静后才能测量，因而现有方式难以实现实时、准确的动态位移测量；

62、2.本发明将倾角和竖向位移进行一体化测量和数据转化，既可通过倾角反映桥梁单点三维位移，也可反映桥梁动静态挠度，实现了桥梁多指标的一体化监测；

63、3.本发明通过设置两种加速度、两种位移设计和计算原理，实现加速度数据和位移的自校核功能；

64、4.本发明仅通过一种光纤传感技术，便可实现桥梁单点三维位移、倾角、加速度和多点梁体动静挠度的测量。具备系统集成简单，数据自校核的明显优势。