本發(fā)明涉及橋梁安全，具體涉及一種橋梁結(jié)構(gòu)全域撓度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)監(jiān)測方法與裝置。

背景技術(shù)：

1、在當(dāng)今的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，橋梁的安全性和可靠性是至關(guān)重要的。橋梁的長期穩(wěn)定運(yùn)行不僅關(guān)系到交通的順暢，更直接關(guān)乎公共安全。因此，對橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)一直是工程領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。其中，橋梁撓度的監(jiān)測是評估橋梁性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它能夠反映橋梁在各種動態(tài)和靜態(tài)荷載作用下的變形情況，為橋梁的維護(hù)、加固和使用壽命評估提供重要依據(jù)。

2、然而，現(xiàn)有的橋梁撓度監(jiān)測手段面臨著諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的測量方法，如水準(zhǔn)儀測量、經(jīng)緯儀測量等，雖然在精度上具有一定優(yōu)勢，但操作復(fù)雜，且需要大量的人力和時(shí)間成本，難以實(shí)現(xiàn)對橋梁變形的連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測。此外，這些方法通常只能提供局部的測量數(shù)據(jù)，難以全面反映橋梁的整體變形情況。

3、隨著科技的不斷進(jìn)步，一些新型的監(jiān)測技術(shù)被引入到橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域。例如，傾角儀、激光掃描儀、光電成像系統(tǒng)等現(xiàn)代測量工具在一定程度上提高了監(jiān)測效率和精度。但這些技術(shù)大多只能對橋梁的局部區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，或者只能監(jiān)測單一方向的變形，難以全面捕捉橋梁結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載作用下的整體變形情況。此外，這些技術(shù)在面對橋梁的動態(tài)變形監(jiān)測時(shí)，往往存在響應(yīng)速度慢、數(shù)據(jù)采集不連續(xù)等問題，難以滿足現(xiàn)代橋梁監(jiān)測對于實(shí)時(shí)性和全面性的要求。更為重要的是，橋梁在實(shí)際運(yùn)行過程中，可能會受到多種因素的影響，如風(fēng)振、車輛荷載、溫度變化、材料老化等。這些因素可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的平面外失穩(wěn)，而這種失穩(wěn)一旦發(fā)生，往往會對橋梁的安全性造成嚴(yán)重威脅。

4、在橋梁安全監(jiān)測領(lǐng)域，盡管傾角傳感技術(shù)已逐步應(yīng)用于自動化監(jiān)測（如專利cn202011621786.0、cn201910469978.5、cn201910497157.2?所示方案），但仍存在三大技術(shù)瓶頸：其一，現(xiàn)有單點(diǎn)環(huán)形傾角傳感器組（同軸布置）僅能采集離散點(diǎn)位的局部傾角數(shù)據(jù)，無法重構(gòu)橋面整體變形場，難以捕捉扭轉(zhuǎn)變形、區(qū)域屈曲等空間連續(xù)變形；其二，撓度解算依賴簡化公式（δn=lsinθ），未考慮橋面曲率耦合效應(yīng)，且缺乏全局基準(zhǔn)修正機(jī)制，導(dǎo)致誤差隨時(shí)間累積；其三，預(yù)警機(jī)制僅基于閾值觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，未建立基于變形動力學(xué)的失穩(wěn)判據(jù)，無法有效預(yù)判平面外失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

5、綜上所述，開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)全橋面高精度變形重構(gòu)、具備失穩(wěn)預(yù)警能力的監(jiān)測方案，對預(yù)防橋梁潛在風(fēng)險(xiǎn)、保障橋梁安全運(yùn)行具有重要意義。

6、有鑒于此，提出本申請。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種橋梁結(jié)構(gòu)全域撓度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)監(jiān)測方法與裝置，能至少部分的改善上述問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種橋梁結(jié)構(gòu)全域撓度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)監(jiān)測方法，其包括：

4、s1.?通過無線通信方式，實(shí)時(shí)獲取布設(shè)在目標(biāo)橋梁結(jié)構(gòu)上的p×q矩陣傳感器組件采集的動態(tài)傾角數(shù)據(jù)，所述動態(tài)傾角數(shù)據(jù)包括傳感器平面相對坐標(biāo)及大于等于50hz采樣頻率的傾角值；同步獲取通過gps模塊監(jiān)測的橋梁結(jié)構(gòu)相對原點(diǎn)位置的法向位移；

5、s2.?多源數(shù)據(jù)時(shí)間同步處理：以?gps?模塊輸出的?utc?時(shí)間為全局時(shí)鐘基準(zhǔn)，利用?1pps?信號和?nmea?時(shí)間戳實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘同步；采用主從同步架構(gòu)和雙向同步協(xié)議完成傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)時(shí)間對齊；對傳感器采集數(shù)據(jù)和?gps?數(shù)據(jù)分別附加對應(yīng)時(shí)間戳，實(shí)現(xiàn)時(shí)間戳統(tǒng)一轉(zhuǎn)換；針對傳感器與?gps?采樣率差異，采用線性插值法完成數(shù)據(jù)時(shí)間尺度匹配，確保多源數(shù)據(jù)時(shí)間一致；

6、s3.?采用撓度曲面擬合算法對動態(tài)傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到實(shí)時(shí)的橋梁撓度曲面，該撓度曲面是多項(xiàng)式方程構(gòu)建而成，為常數(shù)項(xiàng)，為多項(xiàng)式項(xiàng)的系數(shù)， k為對應(yīng)多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)之和， i、 j為多項(xiàng)式項(xiàng)的冪次， n為多項(xiàng)式項(xiàng)最高冪次， t對應(yīng)不同的時(shí)刻；

7、s4.?基于實(shí)時(shí)撓度曲面，計(jì)算橋面最大撓度和最大曲率，并通過比對橋面絕對撓度和臨界曲率雙重控制指標(biāo)對橋面進(jìn)行危險(xiǎn)預(yù)警。

8、一種橋梁結(jié)構(gòu)全域撓度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)監(jiān)測裝置，其包括：

9、動態(tài)數(shù)據(jù)采集單元：配置為控制p×q無線復(fù)合傾角傳感器以大于等于50hz頻率采集傾角數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)同步采集gps法向位移；

10、多源數(shù)據(jù)同步單元：以?gps?的?utc?時(shí)間為基準(zhǔn)，分別實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘同步、傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)間對齊、多源數(shù)據(jù)時(shí)間戳統(tǒng)一轉(zhuǎn)換及采樣率匹配，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)間一致有效；

11、曲面擬合計(jì)算單元：用于執(zhí)行撓度曲面擬合算法及位移約束修正；

12、失穩(wěn)預(yù)警單元：被配置為計(jì)算最大撓度和最大曲率并與橋面絕對撓度和臨界曲率比對，觸發(fā)分級報(bào)警。

13、綜上，所述橋梁結(jié)構(gòu)全域撓度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)監(jiān)測方法旨在通過先進(jìn)的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法，實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)變形的實(shí)時(shí)、全面監(jiān)測。該方法通過在橋梁結(jié)構(gòu)上矩陣式布置無線復(fù)合傾角傳感器，實(shí)時(shí)采集傳感器的平面相對坐標(biāo)及傾角值，并利用遠(yuǎn)程無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測系統(tǒng)。同時(shí)，通過gps等手段實(shí)時(shí)監(jiān)測面板相對原點(diǎn)位置的法向位移?；谒杉臄?shù)據(jù)，采用撓度曲面擬合算法對橋梁結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行建模和修正，從而擬合出目標(biāo)物體的變形曲面。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)上任一點(diǎn)撓度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過對歷史變形數(shù)據(jù)的分析，評估橋梁結(jié)構(gòu)平面外失穩(wěn)的可能性。該方法不僅提高了橋梁監(jiān)測的效率和精度，還為橋梁的安全管理和維護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)，具有顯著的實(shí)用性和創(chuàng)新性。

14、簡單來說，所述橋梁結(jié)構(gòu)全域撓度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)監(jiān)測方法可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)變形情況，數(shù)據(jù)可存儲于本地或上傳于云端，以實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)變形的遠(yuǎn)程動態(tài)觀測及預(yù)警。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法具備以下優(yōu)點(diǎn)：1.實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)上任一點(diǎn)的撓度變化情況；2.對于歷史橋梁結(jié)構(gòu)變形曲面變化情況進(jìn)行分析，可以得出橋梁結(jié)構(gòu)平面外失穩(wěn)的可能性。

技術(shù)特征：

1.一種橋梁結(jié)構(gòu)全域撓度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求?1?所述的一種橋梁結(jié)構(gòu)全域撓度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟?s2?中多源數(shù)據(jù)時(shí)間同步處理具體包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種橋梁結(jié)構(gòu)全域撓度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟s3中撓度曲面擬合算法包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種橋梁結(jié)構(gòu)全域撓度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于，所述矩陣傳感器組件中的無線復(fù)合傾角傳感器以矩陣式布設(shè)，行間距與列間距根據(jù)橋梁固有頻率設(shè)置，滿足：，其中為橋梁設(shè)計(jì)最大車速，通過橋梁模態(tài)進(jìn)行獲取，為傾角傳感器布置間距。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種橋梁結(jié)構(gòu)全域撓度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于，雙重控制指標(biāo)的生成方法包括：

6.一種橋梁結(jié)構(gòu)全域撓度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)監(jiān)測裝置，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于橋梁安全技術(shù)領(lǐng)域，提供一種橋梁結(jié)構(gòu)全域撓度及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)監(jiān)測方法與裝置。方法通過在目標(biāo)橋梁結(jié)構(gòu)布設(shè)p×q個呈矩陣式的無線復(fù)合傾角傳感器，以不低于50Hz的頻率實(shí)時(shí)采集傳感器平面相對坐標(biāo)及傾角值，經(jīng)遠(yuǎn)程無線傳輸至監(jiān)測裝置，同時(shí)運(yùn)用GPS同步獲取面板相對原點(diǎn)位置的法向位移，通過多源數(shù)據(jù)時(shí)間同步處理，確保數(shù)據(jù)時(shí)間一致性。利用撓度曲面擬合算法，經(jīng)構(gòu)建超定方程、Moore???Penrose偽逆求解及位移約束修正，結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)與法向位移擬合出橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際變形曲面，進(jìn)而計(jì)算最大撓度和最大曲率，依據(jù)雙重控制指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)整體變形的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測與危險(xiǎn)預(yù)警。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了橋梁撓度變形的全域高精度動態(tài)監(jiān)測與失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)主動防控。

技術(shù)研發(fā)人員：肖朝昀,高燕勇,郭偉,汪燕青,黃山景,林小敏
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華僑大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/8/28