一种轨道专用桥实时监测与评价系统

本发明涉及桥梁监测，具体涉及一种轨道专用桥实时监测与评价系统。

背景技术：

1、随着交通运输事业的快速发展，各种大型桥梁在交通工程中的重要性日益突出。目前，已建成的许多桥梁进入了养护维修阶段，桥梁突发性、灾难性事故日益增多，给人民生命财产造成了严重损失。为了预防灾难性事件的发生，需对大型桥梁进行实时监测，监测系统利用多类型传感器实时采集结构响应信息，并通过现代通信技术将信息传输到监测中心进行分析和处理，达到实时监测和评估桥梁结构状态的目的。此系统可及时发现潜在问题，同时具备预警功能，可确保桥梁的可靠性和安全性。

2、然而，因桥梁长期处于列车荷载、温度、风等耦合作用，无法实时剥离各个荷载产生的结构响应，同时阈值大多是采用荷载最不利情况进行有限元分析计算得来，而实际上多列车同时出现在最不利位置概率极低，导致结构响应实测值远远小于阈值，无法精确评价结构实时状态。因此，针对轨道专用桥，如何实现多列车高速行驶下，桥梁状态实时精确评价是本行业亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提出一种通过在固定间隔内安装激光位移计并将其集成到监测系统中，采集识别列车实时位置，再通过midas api实时计算当前列车位置产生的结构变形、应力、索力等理论值，并与监测系统实时采集的结构响应进行比较，同时考虑结构响应与列车速度相关性，由此实现相同工况下桥梁结构状态的精确评价的轨道专用桥实时监测与评价系统，具体技术方案如下：

2、一种轨道专用桥实时监测与评价系统，设置有列车定位系统，用于确定列车在桥面任意时刻位置；

3、设置有有限元实时计算系统，用于实时计算列车不同位置的有限元计算值；

4、设置有轨道专用桥监测系统，用于采集桥梁运行数据；

5、设置有实时监测与评价系统，用于实时计算当前列车位置产生的结构变形、应力、索力理论值，并与轨道专用桥监测系统实时采集的结构响应进行比较，同时考虑结构响应与列车速度相关性，由此实现相同工况下桥梁结构状态的精确评价。

6、作为优选：所述列车定位系统设置有激光位移计，该激光位移计等距离分布设置在桥面，通过发射激光束并测量激光返回的时间来准确测量列车与激光位移计之间的距离。

7、作为优选：所述激光位移计距离计算方法具体为：

8、激光位移计利用激光束测量目标表面的距离，基于光的相位变化来确定目标的相对位置，当激光束照射到桥梁结构上面行驶列车的表面时，激光位移计能够测量结构表面的距离；

9、其中激光位移计的计算公式为：

10、

11、其中，

12、x——光源至列车的距离；

13、c——激光在空气中的传播速度；

14、t——激光至目标物的2倍时间差；

15、考虑列车的速度变化、位置的连续更新以及误差的校正，引入位置更新算法，位置更新算法首先通过激光位移计采集激光返回时间数据，然后利用这些数据计算列车在每个时间步长内的瞬时速度，通过速度计算和位置更新公式，系统更新列车的位置，并考虑误差校正以提高准确性，整个过程在实时监测系统的支持下，通过迭代不断更新列车位置，确保系统能够及时响应异常情况，为桥梁监测提供准确的位置信息；

16、列车位置更新计算公式为：

17、p＝p0+v·dt                (2)

18、其中，

19、p——列车的实时位置，并且此时p将作为下一个时间步长的p0；

20、p0——设定的初始位置；

21、v——列车的速度；

22、dt——时间步长。

23、作为优选：所述有限元实时计算系统具体为基于midas api的有限元实时计算系统，midas api解决了mct文件导入方式所存在的问题，其中包括覆盖原有数据和局限于建模阶段的限制，通过midas api连接服务器，并使用put、post、get、delete的http方法发送请求，来执行各种操作，包括定义材料、创建节点、执行计算、提取内力，最终，用户可以在请求的body中指定节点号，以提取相应的内力数据。

24、作为优选：所述轨道专用桥监测系统，其中荷载与环境监测包含船撞、环境温度、环境湿度、风速风向、降雨量、水位监测，结构整体静；动力响应监测包含主梁振动、主塔振动、主梁竖向变形、主梁空间变形gnss、主塔空间变形gnss、桥墩水平位移、伸缩缝位移、转角位移监测；结构局部响应监测包含主梁应力、主塔应力、斜拉索索力和钢结构疲劳监测。

25、作为优选：所述实时监测与评价系统，具体为通过与轨道专用桥监测系统中实际测量数据进行对比，可以实时评估桥梁结构的状态，判断是否存在异常变形、应力过大或索力分布不均问题，避免了采用荷载最不利情况进行有限元分析计算得来阈值远远大于实测值的情况，从而及时采取维护和保养措施，确保轨道桥梁的可靠性和安全性；

26、还引入误差计算，用于量化监测值与计算值之间的差异，误差计算公式为:

27、

28、其中，

29、w——监测值与计算值之间的差异值；

30、x监测，i—是第i个监测值；

31、x计算，i—是第i个计算值；

32、n——是数据的总数。

33、为了更直观地理解这种差异相对于监测值的大小引用相对误差进行标准化度量，使得在不同量纲和范围的情况下可以更容易地进行比较，相对误差的计算公式为：

34、

35、其中，误差表示监测值与计算值之间的差异，平均监测值是监测值的平均值，相对误差的值越大，表示监测值与计算值之间的差异相对较大，这是系统不准确或者模型参数需要进一步调整的指示，通过监测相对误差的变化，可以指导进一步的修正策略，以提高模型或监测系统的性能；

36、高速列车可能激发结构的不同共振频率，而这些频率可能会因列车速度的增加而改变，响应与速度折减系数考虑了这种共振频率的变化，为了匹配实际情况，需要进行动荷载和静荷载之间的转化，以便将midas有限元模型计算的静荷载与实测的动荷载相匹配，为了计算这种转化，引入了响应与速度折减系数ki，在结构动力学中，速度减小效应是指当结构的振动速度较大时，动力响应可能减小，这是由于材料和结构的非线性行为引起的。

37、响应与速度折减系数公式为：

38、

39、其中，

40、ki——速度为i的响应与速度折减系数；

41、ji——速度为i的静荷载试验实测值；

42、di——速度为i的动荷载试验实测值；

43、然而，由于难以获得每个速度下的实际荷载数据，因此通过轨道专用桥成桥荷载试验，可得到列车静止、20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h不同行驶速度下结构响应值，由此建立结构响应与列车速度关系式，这种转化和响应与速度折减系数的引入有助于更准确地反映列车通过时的动荷载对结构的影响，从而实现更可靠的健康监测和结构评估。

44、本发明的有益效果为：在桥梁监测中，包络评价方法是一种传统的方式，用于综合评估桥梁结构的整体健康状态。这种方法综合考虑了多个监测参数，如振动、位移和应力等，以生成一个综合性评分或指标，以便工程师和监测人员可以有效地了解桥梁结构的安全性和稳定性。这有助于及早发现潜在问题，以采取适当的维护和修复措施，确保桥梁的可靠性和长期使用。包络评价方法在桥梁监测中发挥着关键作用，提高了桥梁的安全性和可维护性。

45、然而，在多列车高速行驶的情况下，包络评价方法的理论值通常是根据最不利荷载位置计算的，而多列车同时出现在最不利位置的概率非常低，导致实测值远远小于评估的阈值，因此难以准确评价结构状态。因此，发明中，采用了激光位移计的方法，当列车通过激光位移计时，激光位移返回时间出现变化，由此识别此时列车位置。激光位移计之间假设列车均速行驶，通过计算单位时间内通过的位移，可以确定列车在桥面任意时刻位置。列车位置信息通过有线连接上传到桥梁监测中心，从而更准确地评估桥梁的健康状态。这种方法有助于提高结构评估的准确性和可信度，特别是在高速多列车交通情况下。

46、轨道专用桥实时状态监测评价系统相对于传统的包络评价方法具有显著的优势。首先，它采用了激光位移计来精确获取桥面列车的实时定位数据，与传统的包络评价方法相比，这使得结构状态的评估更为准确和可靠。由于实测数据更接近实际运行情况，可以更准确地反映桥梁在实际荷载下的行为。

47、其次，midas api提供了一种灵活、全面的方式，通过连接到midas服务器并使用http方法执行各种操作，如定义材料、创建节点、执行计算以及提取内力数据，解决了传统mct文件导入方式的问题，不再局限于建模阶段，从而实现更全面的功能和数据处理，促进桥梁健康监测系统各模块之间的有效交互，将midas api集成到轨道专用桥实时监测系统中，用于实时计算列车不同位置的有限元计算值，并将结果实时上传到桥梁实时监测中心，使监测人员更便捷地获取和分析数据，支持决策制定和维护策略的制定。

48、并且，随着列车速度的增加，振动波在结构中的传播速度可能发生变化。高速列车可能引起更高频率的振动波，这些波可能以不同的速度传播。高速列车产生的振动波的波长可能与低速列车不同。这种波长的变化可能导致振动在结构中的传播方式发生变化，因此列车在静止时和运动时对结构的荷载存在较大差距。

49、高速列车可能激发结构的不同共振频率，而这些频率可能会因列车速度的增加而改变。本发明考虑了这种共振频率的变化引用了响应和速度折减系数，响应和速度折减系数考虑了这些共振频率的变化。通过考虑列车速度对结构共振频率的影响，响应和速度折减系数帮助调整实际列车速度，以在振动分析中更准确地反映结构的动态响应。响应和速度折减系数的引入有助于在振动分析中更好地考虑这些列车运行时的动态荷载影响，可以更好的对静荷载和动荷载的数据进行对比分析。

50、高速列车可能激发结构的不同共振频率，而这些频率可能会因列车速度的增加而改变。本发明充分考虑了这种共振频率的变化，引入了响应和速度折减系数。这些系数考虑了共振频率随列车速度变化的情况。通过综合考虑列车速度对结构共振频率的影响，响应和速度折减系数有助于在振动分析中更准确地调整实际列车速度，以更精确地反映结构的动态响应。

51、引入响应和速度折减系数的目的在于更好地适应共振频率的变化。这有助于调整列车速度，使其在振动分析中更准确地模拟结构的实际响应。通过在振动分析中考虑这些列车运行时的动态荷载影响，响应和速度折减系数的引入使得对静荷载和动荷载的数据进行更为准确和全面的对比分析成为可能。这种方法能够更好地理解和评估列车速度对结构振动行为的影响，从而更有效地指导相关工程设计和分析。