一种基于横向分布系数的简支梁桥结构损伤监测系统技术方案

本发明专利技术涉及桥梁结构实时监测系统，特别针对简支梁桥，涉及一种结构损伤监测系统及相应的结构监测传感器布置方法和结构损伤评估方法。通过在简支梁桥的每一个单板梁底的四分之一跨、二分之一跨、四分之三跨位置布置动应变传感器，监测重车通过时的动力响应情况；在此基础上对重车通过期间动应变传感器的横向分布系数进行分析，通过横向分布系数的变化情况判定横向连接损伤，并及时做出预警，报告损伤位置。本发明专利技术能够有效监测简支梁桥的横向连接失效，及时发出预警，避免单梁受力的情况。

【技术实现步骤摘要】
一种基于横向分布系数的简支梁桥结构损伤监测系统
本专利技术涉及桥梁结构实时监测系统，特别针对简支梁桥，涉及一种结构损伤监测系统及相应的结构监测传感器布置方法和结构损伤评估方法。
技术介绍
有关数据显示，我国中小跨径的桥梁占我国既有桥梁总量的80%左右，而简支梁桥又是中小跨径混凝土桥梁的一个重要组成部分。随着简支梁桥服役期的延长，交通荷载等级的提高，早期修建的简支梁桥承载能力已经不能满足现代交通的需求。目前，在役的简支梁桥相当一部分已经出现了不同程度和不同形式的病害，而横向连接失效是简支梁桥最为主要的病害之一。横向连接失效典型的特征为连接钢板表面混凝土剥落和连接钢板焊缝开裂等，使得受力梁不能有效的向非受力梁传递荷载。简支梁桥横向连接的失效会降低桥梁结构的整体性，影响荷载的横向分布规律，导致受力梁挠度增大，非受力梁挠度变小，使得受力梁和非受力梁之间不能很好的协同工作，受力梁容易出现破坏。严重时会出现“单梁受力”的情况，给交通运输埋下巨大的安全隐患。目前，并没有一套行之有效的、系统的简支梁桥横向连接失效监测方法。因此，开展简支梁桥横向连接损伤的监测具有十分重要的意义。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种动应变监测系统，在桥梁的指定位置安装动应变传感器，通过监测重车移动荷载动力响应情况，并对监测横截面的动应变横向分布系数进行分析，可监测重车作用下简支梁桥动应变横向传递情况，评估桥梁结构损伤状况。一种智能动应变简支梁结构损伤监测系统，采用的技术方案是：包含数据采集子系统和数据处理子系统。所述数据采集子系统包括动应变传感器和多通道数据采集设备，所述数据处理子系统包括数据预处理模块、数据分析模块和数据库。所述动应变传感器的输出连接到多通道数据采集设备的输入，所述多通道数据采集设备的输出连接到数据预处理模块的输入，所述数据预处理模块的输出连接到数据分析模块和数据库的输入，所述数据分析模块和数据库相连。所述数据采集子系统，在简支梁桥的每一个单板梁底的四分之一跨、二分之一跨、四分之三跨位置布置动应变传感器，用于监测单辆重车通过时的动应变情况。对于由M个单板梁构成的简支梁桥，每跨动应变传感器的个数为N=3×M。所述多通道数据采集设备，对采集到的动应变信号进行信号调理和低通滤波，降低信号噪声。所述数据库存储所有的原始数据、数据预处理的结果和数据分析的结果。所述数据预处理模块，将每个动应变传感器采集的数据，采用K均值聚类算法聚类为有效数据和无效数据，剔除异常数据，并根据数据趋势进行插值补充，从而确保数据的有效性。所述K均值聚类算法，将动应变传感器的采集数据作为训练样本，为簇标签，其中yi=1表示有效数据，yi=2表示无效数据。簇y的分散状况为，其中为簇y的中心，为属于簇y的样本总数。对于两个簇y=1、2，分散值之和最小时决定其所属的簇标签，即式最小。所述数据分析模块，首先在系统开始运行初期获取荷载作用下每个传感器的动应变横向分布系数标准表，在此基础上对运营阶段的动应变横向分布系数进行持续验证，根据横向分布系数的变化情况判断桥梁损伤的状况并发出预警。对于M个单板梁构成的简支梁桥，单跨内的动应变传感器编号表示为如下矩阵，每一行表示位于同一横截面的传感器，每一列表示位于同一梁板上的传感器：荷载作用时间内各动应变传感器所测得的动应变峰值为：当荷载中心在第i个梁板时，传感器的动应变峰值是所在行的最大值，则该梁板上动应变传感器的横向分布系数可表示为下列矩阵，第j行表示传感器的横向分布系数：在后续的监测过程中，每一次重车荷载作用在第i个梁板时，获取各传感器的横向分布系数，并与横向分布系数标准表进行比较；当某个横向分布系数连续多次下降且超过某个限值时，可判定该系数对应的梁板与梁板i之间出现横向连接损伤。所述重车优选为20吨以上的车辆。本专利技术的有益效果是，通过在简支梁桥每一个单板梁底的关键位置布置动应变传感器，并通过对动应变横向分布系数的监测，能够有效监测简支梁桥的结构损伤及横向连接失效，及时发出预警，避免单梁受力的情况。附图说明图1是单板简支梁动应变传感器布置示意图。图2是简支梁桥动应变传感器整体安装布置图。图3是本专利技术简支梁桥结构损伤监测系统原理框图。图4是结构监测数据采集、汇聚及结构损伤分析流程图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术进行详细描述。本专利技术中简支梁桥结构监测示意图布置如图1，本专利技术的结构评估如图2所示。本专利技术中单板简支梁动应变传感器布置如图1所示，简支梁桥动应变传感器整体安装布置如图2所示，系统原理框图如图3所示，图4是结构监测数据采集、汇聚及结构损伤分析流程图。如图2所示，系统包含数据采集子系统和数据处理子系统。所述数据采集子系统包括动应变传感器和多通道数据采集设备，所述数据处理子系统包括数据预处理模块、数据分析模块和数据库。所述动应变传感器的输出连接到多通道数据采集设备的输入，所述多通道数据采集设备的输出连接到数据预处理模块的输入，所述数据预处理模块的输出连接到数据分析模块和数据库的输入，所述数据分析模块和数据库相连。所述数据采集子系统，在简支梁桥的每一个单板梁底的四分之一跨、二分之一跨、四分之三跨位置布置动应变传感器，用于监测单辆重车通过时的动应变情况。对于由M个单板梁构成的简支梁桥，每跨动应变传感器的个数为N=3×M。所述重车优选为20吨以上的车辆。所述多通道数据采集设备，对采集到的动应变信号进行信号调理和低通滤波，降低信号噪声。所述数据库存储所有的原始数据、数据预处理的结果和数据分析的结果。所述数据预处理模块，将每个动应变传感器采集的数据，采用K均值聚类算法聚类为有效数据和无效数据，剔除异常数据，并根据数据趋势进行插值补充，从而确保数据的有效性。所述K均值聚类算法，将动应变传感器的采集数据作为训练样本，为簇标签，其中yi=1表示有效数据，yi=2表示无效数据。簇y的分散状况为，其中为簇y的中心，为属于簇y的样本总数。对于两个簇y=1、2，分散值之和最小时决定其所属的簇标签，即式最小。所述数据分析模块，首先在系统开始运行初期获取荷载作用下每个传感器的动应变横向分布系数标准表，在此基础上对运营阶段的动应变横向分布系数进行持续验证，根据横向分布系数的变化情况判断桥梁损伤的状况并发出预警。对于M个单板梁构成的简支梁桥，单跨内的动应变传感器编号表示为如下矩阵，每一行表示位于同一横截面的传感器，每一列表示位于同一梁板上的传感器：荷载作用时间内各动应变传感器所测得的动应变峰值为：当荷载中心在第i个梁板时，传感器的动应变峰值是所在行的最大值,则该梁板上动应变传感器的横向分布系数可表示为下列矩阵，第j行表示传感器的横向分布系数：在后续的监测过程中，每一次重车荷载作用在第i个梁板时，获取各传感器的横向分布系数，并与横向分布系数标准表进行比较；当某个横向分布系数连续多次下降且超过某个限值k时，可判定该系数对应的梁板与梁板i之间出现横向连接损伤。k的取值可依据经验及实际情况而定，一般取30%或50%。本专利技术不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本专利技术的构思和所附权利要求的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于横向分布系数的简支梁桥结构损伤监测系统，包含数据采集子系统和数据处理子系统，其特征在于：所述数据采集子系统包括动应变传感器和多通道数据采集设备，所述数据处理子系统包括数据预处理模块、数据分析模块和数据库；所述动应变传感器的输出连接到多通道数据采集设备的输入，所述多通道数据采集设备的输出连接到数据预处理模块的输入，所述数据预处理模块的输出连接到数据分析模块和数据库的输入，所述数据分析模块和数据库相连；所述数据采集子系统，在简支梁桥的每一个单板梁底的四分之一跨、二分之一跨、四分之三跨位置布置动应变传感器，用于监测单辆重车通过时的动应变情况；所述多通道数据采集设备，对采集到的动应变信号进行信号调理和低通滤波，降低信号噪声；所述数据库存储所有的原始数据、数据预处理的结果和数据分析的结果；所述数据预处理模块，将每个动应变传感器采集的数据，采用K均值聚类算法聚类为有效数据和无效数据，剔除异常数据，并根据数据趋势进行插值补充，从而确保数据的有效性；所述数据分析模块，首先在系统开始运行初期获取荷载作用下每个传感器的动应变横向分布系数标准表，在此基础上对运营阶段的动应变横向分布系数进行持续验证，根据横向分布系数的变化情况判断桥梁损伤的状况并发出预警；所述横向分布系数的计算方法如下：对于M个单板梁构成的简支梁桥，单跨内的动应变传感器编号表示为如下矩阵，每一行表示位于同一横截面的传感器，每一列表示位于同一梁板上的传感器：...

【技术特征摘要】
1.一种基于横向分布系数的简支梁桥结构损伤监测系统，包含数据采集子系统和数据处理子系统，其特征在于：所述数据采集子系统包括动应变传感器和多通道数据采集设备，所述数据处理子系统包括数据预处理模块、数据分析模块和数据库；所述动应变传感器的输出连接到多通道数据采集设备的输入，所述多通道数据采集设备的输出连接到数据预处理模块的输入，所述数据预处理模块的输出连接到数据分析模块和数据库的输入，所述数据分析模块和数据库相连；所述数据采集子系统，在简支梁桥的每一个单板梁底的四分之一跨、二分之一跨、四分之三跨位置布置动应变传感器，用于监测单辆重车通过时的动应变情况；所述多通道数据采集设备，对采集到的动应变信号进行信号调理和低通滤波，降低信号噪声；所述数据库存储所有的原始数据、数据预处理的结果和数据分析的结果；所述数据预处理模块，将每个动应变传感器采集的数据，采用K均值聚类算法聚类为有效数据和无效数据，剔除异常数据，并根据数据趋势进行插值补充，从而确保数据的有效性；所述数据分析模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡曙日，王磊，刘晓雪，刘刚，韦韩，
申请(专利权)人：交通运输部公路科学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11