[发明专利]一种大跨桥梁主梁动态位移测量系统及其数据分析方法

说明书

本发明是一种大跨桥梁主梁动态位移测量系统及其数据分析方法。本发明涉及结构健康监测工程技术领域，本发明通过将激光发射器、激光接收器和垂直激光靶标进行组合，形成监测端点、监测中间节点、校核节点和监测基点四类节点，并通过将这些节点按照一定方式布设在桥梁主梁上，组成一套桥梁主梁竖直方向和横桥向动态位移测量系统，并提出了上述系统测量数据的分析方法。该系统可以在没有固定测量基点的条件下，实现大跨桥梁主梁动态位移和转角的同步测量。本发明中利用激光接收器和垂直激光靶标测量获得低采样频率的桥梁主梁位移响应，并与有激光发射器内置加速度传感器测量的高采样频率加速度数据进行融合，获得桥梁主梁高采样频率动态位移响应。

技术领域

本发明涉及结构健康监测工程技术领域，是一种大跨桥梁主梁动态位移测量系统及其数据分析方法。

背景技术

大跨度桥梁是公路交通网络中的重要节点，对于保障现代社会经济正常运转起到至关重要的作用。然而，桥梁结构在长期使用过程中，由于环境侵蚀、材料老化、超载车辆等多种因素耦合作用，造成结构损伤不断积累、承载力下降，严重影响到桥梁结构安全使用。为了更准确地掌握桥梁服役安全状态，很多大跨桥梁都安装了结构健康监测系统。结构健康监测系统通过在桥梁上布设位移、倾角、应变和振动等多种类型传感器，并通过监测数据分析的深入分析，评估桥梁结构的服役状态。在桥梁结构健康监测系统所监测变量中，桥梁主梁挠度(竖直方向)和横桥向动态位移响应，对于评估桥梁整体结构安全起着极为重要的作用。

为了准确测量桥梁主梁动态位移响应，国内外众多学者提出了多种基于不同物理原理的监测方法，主要包括：压力连通器、加速度响应积分、全站仪、GPS、计算机视觉方法和激光投射法。压力连通器是利用连通管中液体的压力平衡原理，因此仅可以监测结构竖向位移响应，并且压力连通器动力响应频率差，难以对结构动态位移响应进行准确测量。测量加速度响应积分方法，积分结果易产生漂移，无法用于长期结构位移监测。全站仪主要用于结构监测点位移的定期检测，且每一时刻只能测量结构一个监测点位移，无法满足结构多点位移响应连续监测的要求。GPS动态位移测量精度有限(大约2cm左右)，对于主梁刚度较大的桥梁(例如，刚构桥)难以获得准确的主梁动态位移响应。

计算机视觉位移监测方法，利用相机照射结构位移监测点，通过图像中监测点像素移动来换算实际结构位移响应。为了得到准确的结构位移，计算机视觉位移监测方法要求相机安装位置固定不动；或者相机的视野内有固定不动的物体，用于校正由于相机移动所产生的结构位移测量误差。然而，当相机安装位置存在平动和转动时，则很难对由于相机运动所产生的结构位移测量误差进行消除。

激光投射法是通过在结构上安装激光器，激光器发射激光投射在远处的靶标上形成光斑，结构位移导致光斑在靶标上产生移动，安装在靶标上的照相机通过计算机视觉技术对于光斑位移的进行识别，从而获得结构位移响应。但是，靶标上激光光斑的移动不仅与安装激光器处结构位移有关，还与结构的转动响应相关，因此，当结构同时具有转动响应时，无法简单地从光斑位移直接获得对应的结构位移响应。

在激光投射位移监测研究方向出现了一个新发明(专利申请号：202011626873.5，专利名称：一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统及其数据分析方法)，该发明提出了一种可以对投射激光的位移和转角进行同时测量的激光接收器。然而，由于大跨桥梁主梁跨度长，且在主梁上难以找到一个固定不动的测量基点，仅使用上述激光接收器还难以实现在无固定测量基点的条件下大跨桥梁主梁动态位移响应的准确测量。

综上所述，由于大跨桥梁主梁动态位移测量的实际应用中，难以找到固定不动的监测基点，现有的结构位移监测技术尚无法满足大跨度桥梁主梁动态位移响应准确测量的应用需求。由此可见，研发一种高效的无固定不动测量基点的大跨桥梁主梁动态位移测量技术或系统，具有极为重要的实用价值。

发明内容

本发明为解决现有的结构位移监测技术，难以实现在无固定测量基点条件下的大跨桥梁主梁动态位移应监测问题,本发明提供了一种大跨桥梁主梁动态位移测量系统及其数据分析方法，本发明提供了以下技术方案：