隧道式锚碇结构位移监测方法及系统研究

摘要

三峡库区蓄水后，锚碇的受力和外形受到复杂的水蚀环境影响而发生改变。锚碇是悬索桥承载结构的主要部分，锚碇结构一旦遭到破坏，不仅会威胁锚碇系统的自身安全，而且会危害到全桥结构的稳定性，造成生命财产的损失。因此，研发出能够审时度势的锚碇结构位移监测方法及系统迫在眉睫。
　　结合重庆市科技攻关计划项目“悬索桥锚固系统安全监测、评估与预警关键技术攻关与示范”，对国内外锚碇结构、桥梁监测系统及方法等相关技术进行研究。在此基础上，给出4种锚碇结构位移监测方法及系统，简要介绍如下:
　　(1)点激光投射式锚碇结构位移监测方法及系统。该系统通过像素标定建立了物面和像面的对应关系，利用提出的激光光斑中心检测算法，实时获取点激光光斑中心坐标，通过给出的位移计算公式，反演出了锚碇结构位移。利用误差修正模型，有效的提高了系统的监测性能。实验表明，在较复杂的噪声干扰下，点激光光斑中心检测误差为1.75％;当锚碇受力方向的位移在25mm之内时，系统的测量精度可达0.1mm，测量误差可控制在2.16％以内。应用最小二乘法建立线性回归方程，并估算出方程表达式，模型的拟合优度R2为90.29％，预测效果较好。目前，已有两座桥梁应用该系统进行健康监测，监测效果较好。
　　(2)线激光投射式锚碇结构位移监测方法及系统。在分析系统误差来源的基础上，对系统提出改进，该系统能够同时测量锚固面及其索股的位移，并且能够剔除准直激光发射器和视频采集装置的扭转误差。提出一种基于动态差分的光斑中心检测算法，该算法通过差分图像采集、动态图像提取、图像滤波、图像校正、光斑中心检测的方式实时监测线激光光斑图像。利用开发的软件，将最终获得的信息进行分析处理，获得锚碇结构的真实位移。研究结果表明，当测量范围为-100mm～+100mm，视频采集装置分辨率为1920×1080像素时，测量精度可轻松达到0.1mm。与提出的点激光投射式锚碇结构位移监测方法进行对比分析，实验结果具有较好的一致性。
　　(3)液压式锚碇结构位移监测方法及系统。该系统在保持液位高度恒定的同时，无需计算液体密度和重力加速度，即可实时准确地监测锚碇结构变化。针对锚跨索股拉力对锚碇位移的作用关系，给出一种锚跨索股位移和张力测量方法及系统，为进一步分析锚固系统整体性能做了铺垫。
　　(4)基于MEMS的锚碇结构位移监测方法及系统。该系统通过三轴重力加速度传感器ADXL335确立了倾角与电压值之间的对应关系，并结合三次样条插值和去极值均值滤波等算法，实现了倾斜位移的测量。实验验证了系统的性能。
　　综上所述，本文研究和设计了4种锚碇结构位移监测方法及系统，对悬索桥锚固系统的综合评估和预警有着重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 锚碇的研究现状

1．2．2 桥梁监测系统及方法的研究现状

1．3 主要研究内容及创新点

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 创新点

1．4 论文组织结构

1．5 本章小结

第二章 点激光投射式锚碇结构位移监测方法及系统

2．1 引言

2．2 系统组成及原理

2．2．1 系统组成

2．2．2 测量原理

2．3 数字图像像素标定

2．4 激光光斑中心检测

2．4．1 光斑识别

2．4．2 形态学滤波

2．4．3 光斑中心拟合

2．5 误差分析

2．6 实验分析

2．6．1 精度实验

2．6．2 干扰实验

2．6．3 远程在线监测系统实现

2．6．4 监测数据分析

2．7 回归分析

2．7．1 线性预测模型

2．7．2 散点图

2．7．3 直线回归方程

2．7．4 误差估计与决定系数

2．7．5 回归方程关系显著性F检验

2．7．6 回归关系显著性的t检验

2．7．7 线性预测

2．7．8 高次多项式预测模型

2．8 本章小结

第三章 线激光投射式锚碇结构位移监测方法及系统

3．1 引言

3．2 系统组成及原理

3．2．1 系统组成

3．2．2 测量原理

3．3 性能分析

3．3．1 测量精度

3．3．2 时间开销

3．4 误差分析

3．4．1 结构性误差及应对

3．4．2 环境影响及误差应对

3．5 动态差分激光光斑中心检测算法

3．5．1 算法实现流程

3．5．2 中心检测运算

3．6 实验分析

3．6．1 线激光光斑检测实验

3．6．2 数据处理

3．6．3 在线实验

3．7 对比实验

3．8 本章小结

第四章 液压式锚碇结构位移监测方法及系统

4．1 引言

4．2 锚固面位移测量

4．2．1 测量装置

4．2．2 测量原理

4．2．3 误差分析及修正

4．3 索股位移及索力测量

4．3．1 测量装置

4．3．2 测量原理

4．3．3 液面高度测量

4．3．4 误差分析及应对

4．3．5 简化方案

4．4 本章小结

第五章 基于MEMS的锚碇结构位移监测方法及系统

5．1 引言

5．2 系统测量原理

5．2．1 锚碇结构位移测量原理

5．2．2 倾角测量原理

5．3 系统硬件设计

5．3．1 ADXL335三轴重力加速度模块

5．3．2 太阳能供电模块

5．3．3 数据传输模块

5．4 系统软件设计

5．4．1 倾角测量软件设计

5．4．2 蓄电池充电算法设计

5．4．3 蓄电池放电算法设计

5．5 实验与数据处理

5．5．1 数据处理与校验

5．5．2 实验分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

作者在学期间的研究成果