一种基于长标距光纤光栅传感技术的桥梁动态称重方法及动态称重系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于长标距光纤光栅传感技术的桥梁动态称重方法及系统，其中动态称重方法步骤为：长标距传感器布设：沿桥梁的长度方向在车辆初始驶入和最终驶出的两个边跨单元和位于两个边跨单元之间分别布设长标距传感器；待识别车辆荷载工况监测和标准车辆荷载工况监测：将已知各项参数的车辆作为标准车辆，采集在标准车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变；待识别车辆荷载工况下的车辆荷载识别。本发明专利技术解析得到标准车辆荷载工况下仅由轴重引起的最大弯曲应变值，与标准车辆荷载工况下的相应值比较，可识别出桥上行驶荷载总重，各车辆载重，并有效预警超载车辆，以免对重大跨桥梁造成损害。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于长标距光纤光栅传感技术的桥梁动态称重系统，可实现对桥梁上移动车辆载重实时监测，有效预警超载车辆。
技术介绍
桥梁是公路和铁路网的重要组成部分。近年来，随着社会经济的不断发展，车辆超载已成为桥梁坍塌的主要原因之一。超载车辆的反复行驶，严重威胁桥面的基础设施安全，明显加速桥梁的疲劳退化。尤其是在全国桥梁中占有较大比例的旧桥，由于抵抗力不断衰减，在超载车辆的作用下，会严重破坏，甚至倒塌。同时，考虑不断增长的桥梁维护管理成本，决策者需要对桥梁上实际作用的车辆荷载进行控制，以保证服役桥梁的安全性和剩余寿命。称重系统具有控制和监测车辆载重的潜力。称重系统主要分为两类：传统的路面式称重系统和桥梁动态称重系统。路面式称重系统通过在路面铺装层埋设或表面安放贯穿车道的传感器，利用传感器动力响应随作用荷载变化的特性，达到动态称重的目的。但是该类方法安装传感器时需要封路，长期嵌入式传感器的维护等都使得花费较大，并且在一些工况下测量精度不高。针对这些问题后来发展了桥梁动态称重技术。桥梁动态称重技术(B-WIM)是基于桥梁的变形测量，并使用这些测量去估计过往车辆的属性。与路面称重系统相比，B-WIM具有花费和维护费用较低，不破坏路面、耐久性好等优点。现有的B-WIM理论研究，主要可以分为两大类：一类是基于影响线理论的静力反问题求解，即通过影响线建立应变与车辆轴重之间的线性叠加关系，从而得到车辆的静态轴重；另一类是动力反应问题的研究，从桥梁动力响应中直接识别桥面时边移动车轴，继而推算出车辆静态轴重。第一类方法，轴数、轴距和车速均是计算轴重的必要数据；早期的B-WIM都需要在路面中间安装至少两个一定间距的传感器，以检测车轴，然后计算车速，同时也被用来进行车型分类和轴重计算，但其主要缺点是安装和维修干扰交通，且不耐久。后来，利用应变历程在车轴作用下产生的应变尖峰来识别车轴的方法提出了无车轴检测装置的B-WIM，但是却不能有效识别所有车辆。对于第二类方法，国内外学者提出力平衡法、模态叠加法、时域法以频时域法等，尽管这些方法都能有效识别桥梁移动车轴，但由于车桥耦合振动的复杂性以及结构动力学逆问题的不适定性等，这种方法离实际应用尚有一段距离。非路面式B-WIM新方法的引入大大增强了B-WIM系统的耐久性，然而，桥梁应变影响线和车轴信息的准确严重影响B-WIM的测试精度，在多车辆荷载工况下，就更难被准确识别。
技术实现思路
针对上述现有方法与技术存在的不足，本专利技术所要解决的技术问题是提供了一种在多车辆载荷工况下识别准确度高的基于长标距光栅光纤传感技术的桥梁动态称重方法及系统。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于长标距光纤光栅传感技术的桥梁动态称重方法，其特征在于，步骤为：1)、长标距传感器布设：沿桥梁的长度方向在车辆初始驶入和最终驶出的两个边跨单元和位于两个边跨单元之间分别布设长标距传感器；2)待识别车辆荷载工况监测：采集在待识别车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变Dε′i；3)标准车辆荷载工况监测：将已知各项参数的车辆作为标准车辆，采集在标准车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变ε′i；4)待识别车辆荷载工况下的车辆荷载识别：式中：CLi为第i个单元上识别的车辆载重，BCL为标准车辆的车辆载重。步骤2)中，计算最大应变Dε′i的方法如下：21)从各个传感单元中采集的应变时程数据中提取各个单元的最大应变值Dεi；22)对两个边跨单元的数据，进行一阶差分处理，并从这两组差分数据中寻找多个峰值MPk及其发生的时间，并进一步得到：Ddk＝DVk+1*(ltk+1-ltk),k＝1,2,…,na式中：DKpk即为识别的第k个车轴的轴重比，MPk为第k个峰值，na为峰值数，即为该荷载工况下识别的车轴数；DVk为识别的第k个车轴的速度，rx，lx分布为右边跨单元与左边跨单元位置，rtk,ltk分别为右边跨与左边跨单元上对应MPk发生的时间；Ddk为识别的第k+1个轴与第k个轴的轴距；23)在步骤22)的结果上，识别各个单元产生最大应变值时车轴加载模式的分界点；由于有na个车轴，故有na-1个分界点：式中：fdp＝Dkp1DV1+Dkp2DV2+…+DkpmDVm+…+Dkpna-1DVna-1+DVna，Ddpm为第m个分界点；由计算出的分界点可知：在Ddpm-1和Ddpm点之间的单元发生最大应变值的加载模式为倒数第m-1个车轴加载在影响线峰值处，即倒数第m-1个车轴加载在该区域的相应单元；24)计算该车辆荷载工况下由于轴距和轴重比引起的在各个单元上的影响因子Dri:当ai≤Ddp1当ai≥Ddpna-1当Ddpm-1≤ai<Ddpm式中：fr＝Dkp1+Dkp2+…+Dkpna-1+1；ai为第i个传感单元的位置；bi＝L-ai；25)计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变Dε′i：所述长标距传感器布设在重大跨桥梁的辅桥，或其必经段的中小跨桥梁上，可以及时避免超载车辆对重大跨桥梁可能造成的巨大损害。一种基于长标距光纤光栅传感技术的桥梁动态称重系统，其特征在于，包括区域分布传感监测系统，数据系统和分析系统，所述区域分布传感监测系统包括由布设在桥梁不同位置的长标距传感器组成的监测系统；所述数据系统包括数据采集模块以及数据处理模块，所述采集模块采集所述长标距传感器获取的数据，所述数据处理模块对所述采集模块采集的数据进行预处理；所述分析系统根据预处理后的数据得到车辆的载荷数据。所述分析系统包括待识别车辆荷载工况监测模块、标准车辆荷载工况监测模块以及车辆荷载识别模块，所述待识别车辆荷载工况监测模块采集在待识别车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变Dε′i；所述标准车辆荷载工况监测模块将已知各项参数的车辆作为标准车辆，采集在标准车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变ε′i；所述车辆荷载识别模块识别待识别车辆荷载工况下的车辆荷载。所述分析系统还包括一车辆超载预警模块，该车辆超载预警模块用于预警超载车辆。所述数据系统还包括数据传输模块及数据存储模块。本专利技术包括三个部分的操作：区域分布传感监测系统、数据系统和分析系统，和两类工况的测试：标准荷载工况和待识别车辆荷载工况。本专利技术首先采集一标准车辆荷载工况下各单元应变数据，从中解析出仅由轴重引起的最大弯曲应变值作为参考值；在待识别移动车辆荷载工况下，桥梁两边跨单元的一阶应变差分数据首先被用于识别出轴数，轴重比，轴距等参数，进而将解析出的各个单元上仅由轴重引起的最大弯曲应变值与参考值进行比较，实时地识别出车辆各轴重、总重，并对超载车辆有效预警。为解决上述技术问题，本专利技术系统采用的技术解决方案如下：首先，建立区域分布传感监测系统。根据重大跨桥梁的位置和特点，选择其辅桥的某一跨或者必经路线上的一座中下跨桥梁作为实施对象。依据该目标桥梁的结构类型和几何参数，确定长标距传感器的标距、数量参数；根据桥梁截面特性，确定长标距传感器的布设位置。然后，执行数据系统。在移动荷载工况下采集各单元应变响应，对采集的响应数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于长标距光纤光栅传感技术的桥梁动态称重方法，其特征在于，步骤为：1)、长标距传感器布设：沿桥梁的长度方向在车辆初始驶入和最终驶出的两个边跨单元和位于两个边跨单元之间分别布设长标距传感器；2)待识别车辆荷载工况监测：采集在待识别车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变Dε′i；3)标准车辆荷载工况监测：将已知各项参数的车辆作为标准车辆，采集在标准车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变ε′i；4)待识别车辆荷载工况下的车辆荷载识别：式中：CLi为第i个单元上识别的车辆载重，BCL为标准车辆的车辆载重。

【技术特征摘要】
1.一种基于长标距光纤光栅传感技术的桥梁动态称重方法，其特征在于，步骤为：1)、长标距传感器布设：沿桥梁的长度方向在车辆初始驶入和最终驶出的两个边跨单元和位于两个边跨单元之间分别布设长标距传感器；2)待识别车辆荷载工况监测：采集在待识别车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变Dε′i；3)标准车辆荷载工况监测：将已知各项参数的车辆作为标准车辆，采集在标准车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变ε′i；4)待识别车辆荷载工况下的车辆荷载识别：式中：CLi为第i个单元上识别的车辆载重，BCL为标准车辆的车辆载重。2.根据权利要求1所述的桥梁动态称重方法，其特征在于，步骤2)中，计算最大应变Dε′i的方法如下：21)从各个传感单元中采集的应变时程数据中提取各个单元的最大应变值Dεi；22)对两个边跨单元的数据，进行一阶差分处理，并从这两组差分数据中寻找多个峰值MPk及其发生的时间，并进一步得到：Ddk＝DVk+1*(ltk+1-ltk),k＝1,2,…,na式中：DKpk即为识别的第k个车轴的轴重比，MPk为第k个峰值，na为峰值数，即为该荷载工况下识别的车轴数；DVk为识别的第k个车轴的速度，rx，lx分布为右边跨单元与左边跨单元位置，rtk,ltk分别为右边跨与左边跨单元上对应MPk发生的时间；Ddk为识别的第k+1个轴与第k个轴的轴距；23)在步骤22)的结果上，识别各个单元产生最大应变值时车轴加载模式的分界点；由于有na个车轴，故有na-1个分界点：式中：fdp＝Dkp1DV1+Dkp2DV2+…+DkpmDVm+…+Dkpna-1DVna-1+DVna，Ddpm为第m个分界点；由计算出的分界点可知：在Ddpm-1和Ddpm点之间的单元发生最大应变值的加载模式为倒数第m-1个车轴加载在影响线峰值处，即倒数第...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建，张青青，吴智深，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32