桥梁钢管拱肋变形位移监控系统

摘要

本发明公开一种桥梁钢管拱肋变形位移监控系统，包括温度传感器、光照传感器、挠度测量装置和上位机；挠度测量装置实时测量桥梁挠度实时数据并传送给上位机，上位机计算得到桥梁实时挠度值Δ1；温度传感器和光照传感器实时获取钢管拱肋表面的温度值和光照角度值，并通过挠度测量装置传送给上位机，上位机根据钢管拱肋的稳态温度场表达式计算得到钢管拱肋实时最大温差，并计算得到温度对空心钢管拱桥挠度影响值Δ2，上位机计算输出拱桥实时消除温度影响挠度值为Δ1‑Δ2。本发明通过对桥梁挠度实时监测并且根据钢管拱肋的稳态温度场表达式排除了温差的影响，能够获得准确的动挠度数据，为后续对桥梁进行监测分析提供了有效的数据保障。

说明书

技术领域

本发明属于桥梁变形监测预警技术领域，具体涉及了一种桥梁钢管拱肋变形位移监控系统。

背景技术

在桥梁健康监测系统中，挠度是非常重要的判断依据之一，作为变形的一种表述形式，可以评价桥梁质量和运行状态。动挠度是桥梁刚度的实时反映，可以对桥梁载荷、健康状况的关键反映，因此如何正确获得动挠度是桥梁，特别是空心钢管拱肋桥梁监测的关键。

但钢管拱肋由于长期暴露于室外环境下，其表面的温度场不可避免的受到外部环境的影响，尤其是在光照作用下，圆钢管构件的温度分布呈现非均匀的特点，随着光照条件的变化，拱肋表面的温度场也会随之变化。特别是对于空心钢管拱肋拱桥而言的温差变形更加明显。一般在检测桥梁时，往往会忽略空心钢管拱肋变形造成的测量误差，而为了降低这种误差又可选择在晚上影响较低时进行；但这些操作增加了操作难度的同时，依然无法有效消除影响，检测数据精度无法得到进行进一步提高。

专利CN110243560A公开了一种桥梁挠度监测中的温度效应分离方法，包括：利用总体经验模态分解法EEMD将桥梁挠度信号分解为本征模函数IMF；基于能量熵增量判别法识别并剔除所述本征模函数IMF中的虚假的IMF分量；将剔除所述虚假的IMF分量后的所述本征模函数IMF组成混合信号；采用矩阵联合近似对角化算法JADE对所述混合信号进行分离得到所述桥梁挠度信号中的温度效应信号。该技术能够有效的抑制模态混叠，降低了提取过程中会出现的累积误差，使得提取结果更加接近实际值，温度效应成分更加精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除日照温度影响的桥梁钢管拱肋变形位移监控系统。本发明通过对桥梁挠度实时监测并且根据钢管拱肋的稳态温度场表达式排除了温差的影响，能够获得准确的动挠度数据，为后续对桥梁进行监测分析提供了有效的数据保障。

本发明采用了以下技术方案：

一种桥梁钢管拱肋变形位移监控系统，包括温度传感器、光照传感器、挠度测量装置和上位机；所述挠度测量装置内设有数据采集器；所述的温度传感器、光照传感器分别于数据采集器相连接；所述的挠度测量装置与上位机相连接；所述的温度传感器和光照传感器配合使用，设有若干组，并且均布在钢管拱肋外侧；所述的挠度测量装置布置在拱肋跨度L的L/8、L/4、3L/4、L/2、5L/8、6L/8、7L/8处；

所述的挠度测量装置通过数据采集器实时测量桥梁挠度实时数据并传送给上位机，上位机根据桥梁挠度实时数据计算得到桥梁实时挠度值Δ1；

所述的温度传感器和光照传感器实时获取钢管拱肋表面的温度值和光照角度值，并通过挠度测量装置传送给上位机，所述的上位机通过有限元软件构建空心钢管拱桥三维模型，并根据钢管拱肋的稳态温度场表达式计算得到钢管拱肋实时最大温差，并代入到三维模型模拟计算得到温度对空心钢管拱桥挠度影响值Δ2，上位机计算输出拱桥实时消除温度影响挠度值为Δ1-Δ2。

本发明进一步说明，所述的温度传感器、光照传感器与挠度测量装置分别通过有线连接方式或者无线dtu连接方式或者wifi连接方式进行数据传输。

本发明进一步说明，所述的挠度测量装置采用全站仪或高精度测量机器人或拉线式位移计或AI图像识别装置等。

本发明进一步说明，所述的挠度测量装置通过数据采集器实时采集的桥梁挠度实时数据为拱肋的竖向位移值，采用激光测距的方式进行采集。

本发明进一步说明，所述的钢管拱肋的稳态温度场表达式为钢管拱肋表面在日照下的稳态温度场表达式，具体为

其中：

在上述式子中：R为钢管拱肋的外半径；θ为钢管拱肋截面外径上的任意两点间的圆心角；u

本发明进一步说明，所述的拱肋节段稳态温度场表达式是利用傅里叶定律推导光照条件下未灌浆的拱肋截面表面温度分布解析式，具体为：

1)阳光相对于钢管截面水平线角度的影响，忽略阳光的方位角，在仅考虑阳光高度角的情况下设钢管拱截面圆心与日心连线交钢管拱外径于n点，钢管拱截面外径上的任一点m与n点间的圆心角为θ，则两点受到的光照强度间的关系式为J

2)在dt的时间内，在圆心角为dθ内的拱壁吸收的热量：

其中，R为钢管拱的外半径；

在光线的照射下，钢结构会产生由外到内的不均匀升温，使结构产生弯曲；依照傅里叶定律，钢管在光照下存在以下关系：

令

式中：J

3)在以北京时间为标准记录的24小时中，太阳辐射在同一时段的强度和方向会随地球上的四季变化而变化；按照经验解析式，太阳的最大辐射强度J

I

δ＝23.45°sin[284+N] (8)

t

θ

τ＝(12-t)×15° (12)

sinθ

cosθ

J

式中，I

4)当钢管处于热平衡状态即钢管上各点的温度都处于稳态时，根据光照条件，可以解算出三个边界条件解析式分别为：

q(θ)＝β[u(θ)-u

式中，β表示空气对流热交换系数，根据经验解析式

根据稳态热平衡条件可以得到解析式：

加入代数进行换算，换算表为：

依照式(17)～式(20)，可以推导钢管表面的稳态温度：

钢管拱表面的换算整体温度通过以下解析式计算：

钢管拱肋的最大温度差为：

Δu＝u

以上的解析式都是假定钢管拱肋在光照条件下瞬间达到稳态作为前提条件。

本发明的优点：

本发明通过对桥梁挠度实时监测并且根据钢管拱肋的稳态温度场表达式排除了温差的影响，能够获得准确的动挠度数据，为后续对桥梁进行监测分析提供了有效的数据保障。

附图说明

图1是本发明工程实例中四肢桁架钢管拱桥梁立面图。

图2是本发明工程实例中拱肋6#段左下弦管两侧24小时温度监测结果曲线图。

图3是本发明工程实例中拱肋左上弦管各段24小时温度监测结果曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明。

实施例：

一种桥梁钢管拱肋变形位移监控系统，包括温度传感器、光照传感器、挠度测量装置和上位机；所述挠度测量装置内设有数据采集器；所述的温度传感器、光照传感器分别于数据采集器相连接；所述的挠度测量装置与上位机相连接；所述的温度传感器和光照传感器配合使用，设有若干组，并且均布在钢管拱肋外侧；所述的挠度测量装置布置在拱肋跨度L的L/8、L/4、3L/4、L/2、5L/8、6L/8、7L/8处；

所述的挠度测量装置通过数据采集器实时测量桥梁拱肋竖向位移值并传送给上位机，上位机根据桥梁拱肋竖向位移值计算得到桥梁实时挠度值Δ1；

所述的温度传感器和光照传感器实时获取钢管拱肋表面的温度值和光照角度值，并通过挠度测量装置传送给上位机，所述的上位机通过有限元软件构建空心钢管拱桥三维模型，并根据钢管拱肋的稳态温度场表达式计算得到钢管拱肋实时最大温差，并代入到三维模型模拟计算得到温度对空心钢管拱桥挠度影响值Δ2，上位机计算输出拱桥实时消除温度影响挠度值为Δ1-Δ2。

上述的钢管拱肋的稳态温度场表达式为钢管拱肋表面在日照下的稳态温度场表达式，具体为

其中：

在上述式子中：R为钢管拱肋的外半径；θ为钢管拱肋截面外径上的任意两点间的圆心角；u

工程实例：

(1)工程概况

某四肢桁架钢管拱桥首尾方位与正南方夹角为15°；主孔计算跨径560m，拱顶截面径向高8.5m；拱脚截面径向高17m，肋宽为4.2m，每肋上下各两根φ1400mm钢管混凝土弦管。该桥的拱肋分为南岸与北岸两侧，每一侧划分11段拱肋节段。大桥立面图如图1所示。

(2)温度监测

该桥于2020年4月9日拱肋合拢后灌浆前测量拱肋部分节段温度，对其北岸上游6#拱肋节段左下弦左右侧、南岸1#拱肋左上弦左侧、北岸8#拱肋左上弦左侧、北岸2#拱肋左上弦左侧5个测点进行温度采集。当日24h的数据如图2和图3所示。

根据图2和图3可以得到以下规律：

1.随着日照作用的增强，钢管表面不同位置温度的差异也会增加；

2.同一侧不同节段的拱肋钢管表面温度在24小时内的变化差距不大，推测是由于该桥首尾方位与正南方交角较小，光照对各段拱肋相对均匀。

(3)计算分析

在16点37分时，北岸6#拱肋左下弦左侧温度为39.3℃，左下弦右侧温度为29.7℃，两侧最大温度差为9.7℃。此时拱肋经过充分升温达到了稳态，左下弦管两侧的温度差达到最大值，可以认为此时日心与钢管拱截面圆心的连线近似处于水平状态，此时拱肋的横向位移达到最大值。

结合实际工程测量以及经验解析式估算，得到16点37分拱肋表面温度如表1所示。

表1北岸6#拱段左下弦温度表

北岸6#拱段左下弦钢管拱左侧与右侧表面温度的计算值与实测值间的差值分别为0.5℃和2.7℃，最大温度差的计算值与实际值差为3.3℃，与实际测量数据较为接近。根据以上结果进行推算，可以得到拱肋在该时段的等效整体温度u

(4)模型验证

利用midas civil有限元软件建立钢管拱肋模型，将拱脚按固结考虑，拱肋上、下哑铃和腹杆都用梁单元模拟，杆件之间的连接都按固结计算。只考虑整体升温作用。

将16点37分与4点47分拱肋整体温度差作为温度荷载输入计算北岸1#、2#、3#拱段的竖向位移，将有限元模拟结果与实测数据作对比，如表2所示。

表2位移有限元模拟结果与实测对比表

通过对模拟得到的拱肋位移与实测数据对比可知，各测点的竖向位移理论值和实测值的偏差都在5％以内。

将模拟得到的拱肋横向位移与竖向位移结果作对比，结果如表3所示。

表3横向位移与竖向位移对比表

通过表3的结果可知，某四肢桁架钢管拱桥在最极端的情况下，拱肋的横向位移数值在竖向位移数值的72％左右。

通过上述工程实例，可以知道按照本发明实施后可以取得良好的技术效果。

显然，上述实施例仅仅是为了清楚的说明本发明所作的举例，而并非对本发明实施的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举；而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。