一种倾角传感器测量桥梁挠度的误差分析方法技术

本发明专利技术公开了一种倾角传感器测量桥梁挠度的误差分析方法，根据倾角传感器测量挠度的原理，选择最易使用、最方便推广的挠度计算模型——分段叠加模型，并以此模型为基础对该测量方法的误差进行研究。根据挠度计算模型确定测量误差的两个来源：分段误差与倾角传感器测角精度。为了综合计算两个误差来源对最终挠度测量误差的影响，利用蒙特卡洛法对不同分段数下，考虑倾角测量精度后的简支梁跨中挠度测量值进行抽样分布分析，得出挠度测量值分布的均值、标准差、95％概率置信区间等，对误差进行判定。根据得出的不同分段情况下使用不同测角精度传感器的误差结果，指出不同工况中适用的传感器精度和分段布置方法。

【技术实现步骤摘要】
一种倾角传感器测量桥梁挠度的误差分析方法
本专利技术涉及桥梁健康监测技
，具体涉及一种倾角传感器测量桥梁挠度的误差分析方法。
技术介绍
桥梁的挠度是评判其运营健康状态的一项重要指标数据，需要定期对其进行测量。目前国内外应用于桥梁挠度的测量方法有许多种，常见的有百分表测量法、精密水准仪测量法、全站仪测量法、连通管测量法、光电成像法等。近年来，许多桥梁工作者提出了一些新的挠度测试方法，其中基于倾角传感器的方法区别于传统的测量方法，具有量程大、安装方便和操作与后期处理简单，易于实现的优点，对于静态与动态的挠度皆可测量，根据目前在工程中应用的结果来看，精度亦可满足工程要求。近年来，国内有数名学者对该方法进行了研究，也进行了一些实验实地测量，但目前仍并未得到广泛应用。其中何先龙提出了离散正交多项式函数组构成的数学模型来测试梁式桥梁的挠度和转角的方法；同时，他提出基于简单的离散正交正弦和余弦函数建立用于逼近复杂结构桥梁挠度曲线函数的数学模型。杨学山等人提出通过在待测桥梁上布置n个倾角传感器可以测得n个点的倾角与斜率。并可通过分段曲线拟合或者最小二乘法拟合的方法得到挠曲线。徐攀提出了三次样条曲线拟合挠度曲线的方法。他指出样条函数在稳定性、计算精度和在运算量方面，与拉格朗日插值和牛顿插值相比具有优越性：它克服了拉格朗日插值可能出现的Runge现象，曲线具有较好的整体光滑性。徐金峰提出了对挠度曲线采用有理三次样条拟合模型，通过算例使用以前QY倾角传感器测量桥梁挠度的计算结果，与其提出的方法计算的结果进行了对比分析，并且在钢筋混凝土三跨连续T型桥和连续刚构桥进行了ANSYS建模计算，得出其方法计算在静载作用下，测量桥梁挠度具有比较好的可靠性。虽然针对倾角传感器测量桥梁挠度的方法，许多专家与学者都提出了各种不同的拟合模型，但是，这些模型中都没有考虑倾角传感器自身精度对测量结果的影响，对该方法的测量精度没有系统的标准。同时，一些模型过于复杂，不利于现场直接得到结果，不利于该方法的普及，并且结果并非特别精确。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种倾角传感器测量桥梁挠度的误差分析方法。倾角传感器监测桥梁的挠度是一种间接测试方法，需要对倾角传感器感应到的转角进行转换后才能得到挠度。因此，此方法的测量精度受到多方面的影响，需要对其进行系统研究，对进行测量的传感器精度的选择有一个标准，才便于该方法的推广使用。本专利技术即是对该方法的测量误差的一种分析方法。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种倾角传感器测量桥梁挠度的误差分析方法，包括如下步骤：S1、计算需分析桥梁的理论挠度。对于复杂结构桥梁，使用有限元计算软件对桥梁挠度进行计算，一般使用的有限元计算软件是Midascivil或ANSYS。对桥梁各个单元的挠度进行计算，得到散点的挠度值，并将各挠度计算结果进行储存。S2、将步骤S1中各单元挠度计算结果导入Matlab的CurvingFitting工具箱中存储，然后对散点挠度值进行曲线拟合，得到拟合曲线函数F(x)，而根据材料力学知识，桥梁的转角函数f(x)＝F′(x)，进一步得到桥梁的理论转角函数f(x)。S3、根据桥梁的转角函数f(x)可以得到桥梁上任意一点的转角理论值，即可通过倾角计算挠度的原理对桥梁跨中(跨中是指桥跨的中点)或重要位置的挠度进行计算。适当取多个不同传感器布置数量n，分别计算采取不同传感器布置数量n时，挠度计算值与理论值的误差。根据计算结果，选择误差在工程允许范围内的传感器布置数量n来进行分析(一般来说相对误差范围为±5％)。S4、根据不同品牌型号的倾角传感器的误差，确定其测量角度的误差。一般来说，在短期测量中及横向倾角变化较小的测量中，不考虑温度影响与横轴误差的影响，而各个因素影响值δ1～δn假设服从正态分布，其分布的标准差δD即为传感器厂家给出的各个因素对应的影响系数。那么假设θi为倾角真实值，θmi为倾角测量值。一般来说θmi也是属于正态分布的随机变量，其分布的期望值为倾角真实值θi，标准差δD的平方为各影响因素的标准差平方δD，即θmi的概率密度函数为S5、根据不同的分段数即传感器布置数量n与转角函数f(x)，由每个传感器放置位置来确定该处的理论倾角值θi。再加入考虑传感器测角值的正态分布影响，得出每个测点处的理论分布利用蒙特卡罗法对挠度计算值y进行模拟计算：y＝∑Litanθmi，并得到模拟计算结果y的分布，其中Li为第i分段长度。S6、对传感器布置数量n、传感器精度δD两个变量，先分别确定其可选值a个传感器布置数量n1～na、b个传感器精度δD1～δDb，然后将两个变量的可选值进行两两组合(例对传感器布置数量n1，将δD1～δDb分别与之搭配，共b种组合情况)，则总共有a×b种组合方式，每一种组合方式代表一种传感器的布置方法。对这些组合方式分别模拟计算y值结果的分布，并列出每一种分布的95％置信度绝对误差区间、相对误差95％置信度区间。S7、根据每种组合情况下的结果，在可以满足工程精度(相对误差≤±5％)的情况下，选择传感器布置数量n最小，传感器精度δD最大的布置方案，并且其模拟计算值y的95％置信度绝对误差区间、相对误差95％置信度区间就是该方法下的误差水平。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：本专利技术研究了基于蒙特卡罗法对测量误差评定的方法，对倾角传感器测试梁式桥梁挠度方法的误差进行评定。从测量方法中的两个误差来源进行考虑，首先验证了倾角传感器测量角度时的测量值是属于正态分布的，且标准差与影响测量精度和各个因素都相关。然后将测角误差带入倾角计算挠度的数学模型中进行计算，来研究倾角传感器的优化布置和挠度计算的误差概率计算。将倾角传感器测量桥梁挠度的误差计算方法在实际桥梁的挠度曲线中进行计算，并根据计算结果选出最合理的传感器布置方案。为了便于测量方法的推广应用，本章首先从测量方法的经济性上出发，阐述了不同精度的倾角传感器之间的差别，并确立了选择传感器型号的原则。根据不同的分段数与传感器精度同时拟定多个方案，对每个方案的测量结果均值、标准差、误差值的95％概率置信区间进行模拟计算，然后选出各个工况对应最合适的传感器布置方案。附图说明图1是本专利技术公开的一种倾角传感器测量桥梁挠度的误差分析方法的流程步骤图；图2是本专利技术公开的倾角计算挠度方法示意图；图3是连续刚构桥有限元计算模型示意图；图4是加载汽车轴距及平面图，单位：m，其中，图4(a)是轴距及轴重图，图4(b)是平面图；图5是工况一桥梁变形图；图6是工况一桥梁挠度拟合曲线示意图；图7是挠度计算值概率分布图(n＝3，δD＝0.001°)；图8是挠度计算值概率分布图(n＝3，δD＝0.0003°)；图9是挠度计算值概率分布图(n＝3，δD＝0.0001°)；图10是挠度计算值概率分布图(n＝4，δD＝0.001°)；图11是挠度计算值概率分布图(n＝4，δD＝0.0003°)；图12是挠度计算值概率分布图(n＝4，δD＝0.0001°)；图13是挠度计算值概率分布图(n＝5，δD＝0.001°)；图14是挠度计算值概率分布图(n＝5，δD＝0.0003°)；图15是挠度计算值概率分布图(n＝5，δD＝0.0001本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种倾角传感器测量桥梁挠度的误差分析方法，其特征在于，所述的误差分析方法包括如下步骤：计算需分析桥梁的理论挠度；拟合挠度曲线函数F(x)；计算得到桥梁的转角函数f(x)＝F′(x)；根据挠度曲线函数F(x)次数选择传感器布置数量n；根据不同的分段数即传感器布置数量n与转角函数f(x)，由每个传感器放置位置来确定该处的理论倾角值θi，再加入考虑传感器测角值的正态分布影响，得出每个测点处的理论分布

【技术特征摘要】
1.一种倾角传感器测量桥梁挠度的误差分析方法，其特征在于，所述的误差分析方法包括如下步骤：计算需分析桥梁的理论挠度；拟合挠度曲线函数F(x)；计算得到桥梁的转角函数f(x)＝F′(x)；根据挠度曲线函数F(x)次数选择传感器布置数量n；根据不同的分段数即传感器布置数量n与转角函数f(x)，由每个传感器放置位置来确定该处的理论倾角值θi，再加入考虑传感器测角值的正态分布影响，得出每个测点处的理论分布利用蒙特卡罗法对挠度计算值y进行模拟计算：y＝∑Litanθmi，并得到模拟计算结果y的分布，其中Li为第i分段长度；对传感器布置数量n、传感器精度δD两个变量，先分别确定其可选值a个传感器布置数量n1～na、b个传感器精度δD1～δDb，然后将两个变量的可选值进行两两组合则总共有a×b种组合方式，每一种组合方式代表一种传感器的布置方法，对这些组合方式分别模拟计算y值结果的分布，并列出每一种分布的p％置信度绝对误差区间、相对误差p％置信度区间，其中p％取值范围为【92％-98％】；根据每种组合情况下的结果，在满足工程精度的情况下，其中工程精度即相对误差≤±(1-p％)，选择传感器布置数量n最小，传感器精度δD最大的布置方案，并且其模拟计算值y的p％置信度绝对误差区间、相对误差p％置信度区间就是该方法下的误差水平。2.根据权利要求1所述的一种倾角传感器测量桥梁挠...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐郁峰，邓楚剑，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44