一种斜拉桥结构状态评价系统及评定方法与流程

本发明属于传感器应用和计算机应用技术领域，具体涉及一种斜拉桥结构状态评价系统及评定方法。

背景技术：

服役中的桥梁，由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通量及重车、超重车过桥数量的不断增加，桥梁结构使用功能退化必然发生。在我国经济蓬勃发展的情势下，交通运输能力的要求也不断增加，不少桥梁的老化和功能退化已呈加速趋势。随着交通事业的发展，荷载等级、交通流量、行车速度等的提高，以及一些不可预测的自然破坏力将危及桥梁的安全。

现阶段的斜拉桥监测方法主要依靠人工日常检查和定期检查。通过观察桥梁外观是否异常，结合使用声波检测法和雷达检测技术，检测混凝土中是否有裂缝、夹渣以及空洞等缺陷，并且检测钢材和焊缝是否存在问题。现阶段的检测技术无法监测强震、飓风、撞船、爆炸、特大冰雪灾害等“突发事件”发生前后桥梁结构状态参数的变化。

本发明是通过对结构的物理力学性能进行无损监测，实时监控结构整体行为，对结构损伤位置和程度进行诊断，对结构服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，当结构在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导。

技术实现要素：

针对上述背景技术，本发明提出了一种基于传感器和计算机应用的一种斜拉桥结构状态评价系统，采用的技术方案如下：

一种斜拉桥结构状态评价系统，包括传感器物理层子系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统和结构状态评价系统四个子系统；

所述传感器物理层子系统，包括传感器组，用于实时采集桥梁结构所处环境变化、车辆荷载变化及结构响应数据；

所述数据采集与传输系统，包括光纤光栅解调仪、数据采集仪和通讯模块；

所述光纤光栅解调仪将传感器组采集到的数据转换成数字信号传送给数据采集仪进行预处理，预处理后的数据通过通信模块传送至数据处理计算机；

所述数据处理与控制系统，包括数据处理计算机和大容量数据存储系统；

所述数据处理计算机中装有结构分析软件，运用该软件对接收到的数据进行分析处理并传送给大容量数据存储系统，建立桥梁监测信息公共数据库，各部门人员可根据自身需求调取数据做进一步的分析处理；

所述结构状态评价系统，包括计算机，其中装有结构安全管理评估系统；所述结构状态评价系统是一种利用桥梁监测信息公共数据库为基础，该系统通过施工控制过程的监测数据、桥梁成桥完整性检测的数据、桥梁生命周期的环境变化和结构响应的数据，对某一时间段内观察值斜拉桥状态量进行评定，掌握桥梁的状态状况，当桥梁结构在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号，实现在线监测。

进一步，所述传感器组包括位移计、水压仪、倾角仪、雨量计、应变计、钢筋腐蚀计、形变仪、振动传感器、温度传感器、钢筋计、应变计、沉降计、水准仪、裂缝计、土压计等及与之匹配的放大装置、二次仪表。

进一步，所述数据采集仪采用ALOT-EXPLORER多功能数据采集仪，根据不同种类数据的特点，采取压缩、过滤等方式对数据进行预处理，避免数据量过于庞大。

进一步，所述结构状态评价系统具有共享性。

进一步，所述结构状态评价系统的运行环境为Windows操作系统下，采用Delphi和Access2000后台数据库开发软件进行研究和开发；运行的软件环境为WindowsXP/2000，对硬件环境无特别要求，采用通用的台式机或笔记本电脑即可，在线的要求有服务器和大型监测设备。

进一步，所述光纤光栅解调仪选用FBG-1000便携式光纤光栅解调仪。

本发明的方法的技术方案为：

一种斜拉桥结构状态评价系统的评定方法，包括以下步骤：

步骤1，传感器物理层子系统实时采集桥梁结构所处环境变化、车辆荷载变化及结构响应数据；

步骤2，数据采集与传输系统中，光纤光栅解调仪将传感器组采集到的数据转换成数字信号传送给数据采集仪进行预处理，预处理后的数据通过通信模块传送至数据处理计算机；

步骤3，运用数据处理与控制系统内的软件对接收到的数据进行分析处理并传送给大容量数据存储系统，建立桥梁监测信息公共数据库；

步骤4，结构状态评价系统通过施工控制过程的监测数据、桥梁成桥完整性检测的数据、桥梁生命周期的环境变化和结构响应的数据，对某一时间段内观察值斜拉桥状态量进行评定；

步骤5，针对每一条桥的长期运行的实测数据趋势采用相对变化的状态量安全评估阀值判定斜拉桥状态，将斜拉桥状态界限阀值的制定分为两类：第一类属于静态的状态量或缓变状态量，包括如索力、主梁允许变形、主梁高层误差、索塔的倾斜度；第二类属于动态状态量，包括振动、动应变、线形；

步骤6，基于观察值相对变化的安全评估准则分A、B、C、D四个等级，对应正常、注意、异常及严重状态；提出如下状态限值设定方法，假定大量统计数据，选取1～3年的均值；σ：大量统计数据选取1～3年的均值；M:一个时间段内选取1个月观测值的平均值；在该时间段内观察值状态量的评定准则：

主梁振动及索振动：

当时，处于正常状态；当时，处于注意状态；当时，处于异常状态；当时，处于严重状态；

挠度和应变：

当时，处于正常状态；当或时，处于注意状态；当或时，处于异常状态；当或时，处于严重状态。

进一步，所述步骤6中，

统计计算及σ时，针对长期数据的统计计算过程中，个别时间段发生硬件软件故障及停电引起的缺失数据或错误数据必须被剔除；

对于同一状态量的不同测点设定不同的限值；不同的位置状态量水平及其变化应该是不同的，不同测点报警限值应该不同；

主梁振动和索振动值总是正的，状态量分界阀值是一条线；应变和挠度是代数量，有正有负；

结构状态评价系统针对的是桥梁在长时间内性能的变化趋势，发生大风或超重车辆开过或大量重车同时通过，在短时间内会造成桥梁振动比平时大得多，如果按照分钟统计值则会超过严重状态阀值，这种情况下仍然不应作为报警处理。

本发明的有益效果：

1、利用传感器组和结构状态评价系统，实时监控桥梁结构整体行为，实现桥梁状态的在线监测。

2、可记录下桥梁在突发事件下或结构使用状况严重异常时的数据，对于桥梁的设计单位、管理维护部门、交通管理部门及研究机构都有重要的意义。

3、桥梁结构在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导。

附图说明

图1为本发明的系统构架图。

图2为本发明的具体结构连接图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1-2所示，为本发明的系统构架图，一种基于传感器和计算机应用的斜拉桥结构状态评价系统，包括传感器物理层子系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统和结构状态评价系统四个子系统。

传感器物理层子系统包括传感器组，传感器组包括位移计、水压仪、倾角仪、雨量计、应变计、钢筋腐蚀计、形变仪、振动传感器、温度传感器、钢筋计、应变计、沉降计、水准仪、裂缝计、土压计等及与之匹配的放大装置、二次仪表等，用于实时采集桥梁结构所处环境变化、车辆荷载变化及结构响应等数据，并将采集到的数据传送给数据采集与传输系统。

所述数据采集与传输系统包括光纤光栅解调仪、数据采集仪和通讯模块，光纤光栅解调仪将传感器组采集到的数据转换成数字信号，并传送给数据采集仪，采集仪根据不同种类数据的特点，采取压缩、过滤等方式对数据进行预处理，通过通信模块将预处理后的数据传送至数据处理计算机。

所述数据处理与控制系统，包括数据处理计算机和大容量数据存储系统，数据处理计算机中装有结构分析软件，运用该软件对接收到的数据进行分析处理，将处理完成的数据传送给大容量数据存储系统，建立桥梁监测信息公共数据库。

所述结构状态评价系统，包括计算机，其中装有结构安全管理评估系统，该系统是一种利用桥梁监测信息公共数据库提供的数据，采用人工神经网络、小波分析和结构力学等方面的技术研究开发专家系统，通过施工控制过程的监测数据、桥梁成桥完整性检测的数据、桥梁生命周期的环境变化和结构响应的数据，建立某一时间段内观察值斜拉桥状态量的评定，掌握桥梁的状态状况，当桥梁结构在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号。所述结构状态评价系统具有共享性。

所述结构状态评价系统的运行环境为Windows操作系统下，采用Delphi和Access2000后台数据库开发软件进行研究和开发；运行的软件环境为WindowsXP/2000，对硬件环境无特别要求，采用通用的台式机或笔记本电脑即可，在线的要求有服务器和大型监测设备。

所述数据采集仪采用ALOT-EXPLORER多功能数据采集仪，提供8个可以测量多种模拟型信号通道，可以对多种传感器进行采集，例如ICP压电式加速度传感器、磁电式传感器、风压传感器、倾角仪、风速风向仪等等。本仪器使用最先进的32为Cortex-M系列ARM处理器，根据不同种类数据的特点，采取压缩、过滤等方式对数据进行预处理，避免数据量过于庞大。

所述光纤光栅解调仪选用FBG-1000便携式光纤光栅解调仪，该仪器携带方便、操作简单、高精度、高分辨率，适合工程现场施工时使用，机壳采用ABS工程塑料，重量轻、抗冲击和抗变形，可适应恶劣工作环境。

所述数据采集仪采用ALOT-EXPLORER多功能数据采集仪，根据不同种类数据的特点，采取压缩、过滤等方式对数据进行预处理，避免数据量过于庞大。

实施例

对斜拉桥主梁位移的监测采用激光定点跟踪测距、测方位的方式，设备采用全站仪。全站仪基座放置在大桥现场合理的地点，(被测点)棱镜可安装在主梁外侧光束可照射的一侧。(测点布设依具体项目而定)

为弥补对钢箱梁扭转状态的监测，可增设倾角仪(具体数目及放置位置可依具体项目而定)，但对倾角仪同时感应扭转与线加速度的信号输出需做相应的信号分离处理。

(对各被测点实施一次巡回测量，对每个测点测取一组空间坐标值并换算成以大桥设计坐标描述的三维笛卡尔坐标系。在测试期间,所有倾角仪的转动检测值同时进行读数。)

初步整理后的监测数据输出内容：

1)该次监测的起始、结束时间和监测中获得的各测点坐标值及其统计特性(均值、均方差根、最大值、最小值)。

2)与各激光测点起始、结束时间相对应的各倾角仪转动检测值及其统计特性(均值、均方差根、最大值、最小值)。

对斜拉桥主梁位移的监测采用合理布点的位移计系列测主梁位移形变的方式。(测点布设依具体项目而定。)

为弥补对钢箱梁扭转状态的监测，可增设倾角仪(具体数目及放置位置可依具体项目而定)，但对倾角仪同时感应扭转与线加速度的信号输出需做相应的信号分离处理。

(对各被测点实施一次巡回测量，对每个测点测取相应的位移值并在预设的大桥设计三维笛卡儿坐标系转换大桥相应的设计坐标测点。在测试期间,所有倾角仪的转动检测值同时进行读数。)

初步整理后的监测数据输出内容：

1)该次监测的起始、结束时间和监测中获得的各测点相应换算坐标值及其统计特性(均值、均方差根、最大值、最小值)。

2)与各激光测点起始、结束时间相对应的各倾角仪转动检测值及其统计特性(均值、均方差根、最大值、最小值)。]

斜拉桥主梁挠度监测

若仅对斜拉桥主梁挠度的监测亦可选用静力水准仪(适用于测量参考点与测试点之间的相对位移，沿纵向对结构物之间的沉降差进行监测。测点布设依具体项目而定。)

在桥梁施工完成后利用全站仪进行定位测量，参考经结构力学仿真分析预设的合理的监测设点，同时确定好水平基准点(相对不动点)、沉降观测点。对各被监测设点以一定的采样频率及采样数输出读数。(基准点的选取依具体实际项目情况而定)

初步整理后的监测数据输出内容：

1)采样模式A：该次监测的起始、结束时间，各被测点相对沉降数值(均值、均方差根、最大值、最小值)。

2)采样模式B：该次监测的起始、结束时间，各被测点相对沉降数值(均值、均方差根、最大值、最小值)和按雨量记数法估算的期间焊缝疲劳状态参数。

3)采样模式C：该次监测的起始、结束时间，各被测点相对沉降数值(均值、均方差根、最大值、最小值)和期间由交通载荷引起的主梁桥面板交变应力状况。

斜拉桥主梁内力监测

对斜拉桥主梁内力的监测可选择性采用几种检测传感器。其中，可选择按不同的传感器类型，实施不同的采样模式：

1)振弦式应变计：多测点巡回测量，巡检时间间隔：10秒；

2)电阻式应变计：多测点巡回测量，采样频率(每个测点)：100Hz；

3)光纤光栅式应变计：多测点同时测量，采样频率：50Hz；

(可选择性按不同的监测启动模式，实施不同单一或组合的检测模式操作。)

初步整理后的监测数据输出内容：

3.1)采样模式A：该次监测的起始、结束时间，各被测点应力强度(均值、均方差根、最大值、最小值)。

3.2)采样模式B：该次监测的起始、结束时间，各被测点应力强度(均值、均方差根、最大值、最小值)和按雨量记数法估算的期间焊缝疲劳状态参数。

3.3)采样模式C：该次监测的起始、结束时间，各被测点应力强度(均值、均方差根、最大值、最小值)和期间由交通载荷引起的主梁桥面板交变应力状况。

(为解决因传感器损坏引起的测点零应力状态标定的遗失问题，可在各布置振弦式应变仪的测点增设一个经零应变标定的备用传感器。)

斜拉桥主梁温度监测

对斜拉桥主梁温度的监测可利用应力检测传感器内集成的温度传感计。

(此处建议采用光纤光栅传感器，参考经结构力学仿真分析预设的合理的监测设点，对相应选取断面分布式采样。)

初步整理后的监测数据输出内容：

各次巡回测量的起始、结束时间和检测获得的各测点温度值及其本次检测值的统计特性(均值、均方差根、最大值、最小值)。

斜拉桥主梁振动监测

对斜拉桥主梁振动的监测采用超低频伺服式或电容式加速度传感器或者中速拾振仪。振动检测设备的选取,按不同的监测内容予以配置。

监测内容：经结构力学分析确定合理的监测点系列，对各被监测点系列以一定的采样频率及采样数采取其振动加速度值或振动数值。

初步整理后的监测数据输出内容：

该次监测的起始、结束时间，各测点的振动加速度检测值数列、振动的强度(均值、均方差根、最大值、最小值)与对振动响应频谱特性的识别。

斜拉桥索塔振动监测

对斜拉桥索塔振动的监测采用超低频伺服式或压电式加速度传感器。振动检测设备的选取,按不同的监测内容予以配置。

监测内容：经结构力学分析确定合理的监测点系列，对各监测点系列以一定的采样频率采取其振动加速度值。

初步整理后的监测数据输出内容：

该次监测的起始、结束时间，各测点的振动加速度检测值数列、振动的强度(均值、均方差根、最大值、最小值)与对振动响应频谱特性的识别。

斜拉桥索塔塔顶位移监测

对斜拉桥索塔位移的监测采用激光定点跟踪测距、测方位的方式，设备采用与主梁位移监测同一台全站仪，可根据具体实际项目设计相应的测点数目及布局。全站仪基座放置在桥梁现场的合理布点，(被测点)棱镜安装在塔上或塔柱顶(全站仪光束可照射到的位置)。

监测内容：对各被测点实施一次巡回测量，对每个测点测取一组空间坐标值并换算成以大桥设计坐标描述的三维笛卡尔坐标系。

初步整理后的监测数据输出内容：

各次巡回测量的起始、结束时间和获得的各测点坐标值数列及其统计特性(均值、均方差根、最大值、最小值)。

斜拉桥斜拉索振动监测

对斜拉桥斜拉索振动的监测采用低频压电式加速度传感器。振动检测设备的选取,按不同的监测内容予以配置。

监测内容：根据结构力学分析及成本效益分析，确定被测索，对其各被测点以一定的采样频率及采样数采取其振动加速度值。

初步整理后的监测数据输出内容：

该次监测的起始、结束时间，各测点的振动加速度检测值数列和振动的强度(均值、均方差根、最大值、最小值)与对振动响应频谱特性的识别、索力换算。

斜拉桥塔顶风速风向监测

该项监测是对风场分布状况与强风历程的监测补充。

监测实施：应用于人工控制启动的监测和因风况启动的特殊环境状态监测。

监测内容：风速、风向、气温。

初步整理后的监测数据输出内容：

该次监测的起始、结束时间，风速、风向、气温的检测值数列和波动强度(均值、均方差根、最大值、最小值)。

将监测的数据采集到系统中再根据不同的模型对获取的数据进行处理，对外界引起或自身发生的变形情况进行时间序列分析，提供可视化的变形监测图形报表，实现预警信息的实时发布。

本发明的一种斜拉桥结构状态评价系统的评定方法，包括以下步骤：

步骤1，传感器物理层子系统实时采集桥梁结构所处环境变化、车辆荷载变化及结构响应数据；

步骤2，数据采集与传输系统中，光纤光栅解调仪将传感器组采集到的数据转换成数字信号传送给数据采集仪进行预处理，预处理后的数据通过通信模块传送至数据处理计算机；

步骤3，运用数据处理与控制系统内的软件对接收到的数据进行分析处理并传送给大容量数据存储系统，建立桥梁监测信息公共数据库；

步骤4，结构状态评价系统通过施工控制过程的监测数据、桥梁成桥完整性检测的数据、桥梁生命周期的环境变化和结构响应的数据，对某一时间段内观察值斜拉桥状态量进行评定；

步骤5，针对每一条桥的长期运行的实测数据趋势采用相对变化的状态量安全评估阀值判定斜拉桥状态，将斜拉桥状态界限阀值的制定分为两类：第一类属于静态的状态量或缓变状态量，包括如索力、主梁允许变形、主梁高层误差、索塔的倾斜度；第二类属于动态状态量，包括振动、动应变、线形；

步骤6，基于观察值相对变化的安全评估准则分A、B、C、D四个等级，对应正常、注意、异常及严重状态；提出如下状态限值设定方法，假定大量统计数据，选取1～3年的均值；σ：大量统计数据选取1～3年的均值；M:一个时间段内选取1个月观测值的平均值；在该时间段内观察值状态量的评定准则：

主梁振动及索振动：

当时，处于正常状态；当时，处于注意状态；当时，处于异常状态；当时，处于严重状态；

挠度和应变：

当时，处于正常状态；当或时，处于注意状态；当或时，处于异常状态；当或时，处于严重状态。

步骤6中，统计计算及σ时，针对长期数据的统计计算过程中，个别时间段发生硬件软件故障及停电引起的缺失数据或错误数据必须被剔除；对于同一状态量的不同测点设定不同的限值；不同的位置状态量水平及其变化应该是不同的，不同测点报警限值应该不同；主梁振动和索振动值总是正的，状态量分界阀值是一条线；应变和挠度是代数量，有正有负；结构状态评价系统针对的是桥梁在长时间内性能的变化趋势，发生大风或超重车辆开过或大量重车同时通过，在短时间内会造成桥梁振动比平时大得多，如果按照分钟统计值则会超过严重状态阀值，这种情况下仍然不应作为报警处理。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。