基于可設計性橋梁模型的橋梁監測教學系統的制作方法

本發明涉及橋梁及通信領域，尤其涉及一種基于可設計性橋梁模型的橋梁監測教學系統。

背景技術：

隨著我國公橋梁事業的發展，橋梁越來越多，同時既有的許多橋梁亦逐漸進入了養護維修階段。而且隨著時間的推移，其數量還在不斷增長，橋梁管理者對橋梁的養護已日益重視。橋梁在竣工驗收和營運使用一段時間后均通過靜、動力荷載試驗對其承載能力、技術狀況等進行檢測，大型橋梁在營運使用期間也需通過在線健康監測隨時了解其使用狀況和安全性。我國前幾年大量投入建設的公路工程等基礎設施，近年來已普遍進入維護保養期，對橋梁的檢測評定和健康監測成為長期且急迫的社會需求。

目前，在高校的橋梁檢測的教學過程中，理論教學無法替代實踐教學的作用。上述相關內容的沒有較好的試驗教學方法，難以使學生對橋梁工程實體和試驗檢測工作有系統、全面地認知、理解和掌握，教學效果普遍較差。原因主要在于：真實橋梁的靜、動力荷載試驗和健康監測均需要實際工程項目作為支撐，需投入巨大的人力、物力資源，試驗周期較長，一般不能重復試驗，學生參加實踐的機會很少，即使讓學生到現場參觀實習，除存在安全風險外，學生也只能看到局部的試驗工作，而大量的結構計算、數據分析、安全評估等工作都無法參與和了解。由于傳統土工工程實踐教學所采用的模型一般為混凝土構件、鋼構件等，難以自行拼裝、搭建，一般以驗證性試驗為主，相對其他專業而言學生難以獨立完成自主性、創新性試驗，學生的學習興趣和積極性不高，教學效果不好。因此，亟需一種新的技術手段，能夠解決橋梁檢測教學中存在的現場試驗需要以實際橋梁為依托、現場組織管理困難、成本高、風險大的問題。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提供一種基于可設計性橋梁模型的橋梁監測教學系統，以解決上述問題。

本發明提供的基于可設計性橋梁模型的橋梁監測教學系統包括：

橋梁模型，用于仿真搭建模擬橋梁結構，

自動加載控制單元，用于控制模擬橋梁模型荷載變化，

橋梁狀態檢測分析單元，用于根據橋梁荷載變化對橋梁狀態進行分析，獲取橋梁檢測結果，

所述自動加載控制單元包括控制器、模型車以及用于驅動模型車在橋梁模型上運動的驅動裝置，所述驅動裝置與控制器連接。

進一步，所述橋梁狀態檢測分析單元包括數據采集模塊、數據分析模塊和評估模塊，數據采集模塊將采集到的橋梁狀態數據傳遞至數據分析模塊，所述數據分析模塊根據橋梁狀態數據輸出統計圖表，評估模塊根據統計圖表生成評價報告。

進一步，所述橋梁模型包括多種橋梁結構，所述模型車的重量可調，根據不同結構類型的橋梁模型、模型車的加載位置及荷載等級，設置橋梁檢測的加載方案，控制器根據加載方案控制模型車在橋梁模型上進行相應的運動。

進一步，還包括報警單元，預設橋梁狀態的安全閾值，當橋梁狀態檢測分析單元檢測的橋梁狀態數據超過安全閾值上限時，控制器控制報警單元發出報警，并控制驅動裝置停止工作。

進一步，所述數據采集模塊包括應變傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器和溫度傳感器，數據分析模塊根據采集的橋梁模型的橋梁狀態數據，獲取橋梁各個部位的應力、撓度、裂縫、振動頻率和類型。

進一步，還包括外部接口單元，所述數據采集模塊與外部接口單元連接。

進一步，還包括檢測終端，所述檢測終端至少包括顯示模塊、輸入模塊和中央處理器，所述顯示模塊和輸入模塊分別與中央處理器連接，所述中央處理器與控制器連接。

本發明的有益效果：本發明中的基于可設計性橋梁模型的橋梁監測教學系統，使用可設計的橋梁模型，能夠便捷地拼裝各種橋梁，還能通過削弱構件間的連接等手段模擬橋梁構件的開裂、損傷，或根據想象將多個構件自由組合、拼裝，設計新型結構、新橋型，并對其進行加載試驗，通過測試得到虛擬的試驗數據，評判加載方案是否合理，并根據試驗數據分析評價橋梁的承載能力和安全性，本發明具有結構簡單、成本低廉，適用于進行大面積教學推廣，能夠很好地用于橋梁靜、動力荷載試驗和健康監測方面的教學。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述：

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是本發明的原理示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述：圖1是本發明的結構示意圖，圖2是本發明的原理示意圖。

如圖1所示，本實施例中的基于可設計性橋梁模型的橋梁監測教學系統，包括

橋梁模型，用于仿真搭建模擬橋梁結構，

自動加載控制單元，用于控制模擬橋梁模型荷載變化，

橋梁狀態檢測分析單元，用于根據橋梁荷載變化對橋梁狀態進行分析，獲取橋梁檢測結果，

所述自動加載控制單元包括控制器、模型車以及用于驅動模型車在橋梁模型上運動的驅動裝置，所述驅動裝置與控制器連接。

在本實施例中，橋梁模型1不只是采用圖1中的結構，梁可以采用多個T型短梁，多個T型短梁以可拆卸方式首尾連接，梁也可以為箱梁，所述箱梁為多個，多個箱梁之間以可拆卸方式首尾連接，橋梁模型還包括索塔，所述梁設置有用于與索塔之間通過繩索連接的孔。通過不同的梁的結構，可以搭建出各種類型的橋梁模型，本實施例中的橋梁模型1可以采用搭積木的方式，通過多個T型短梁4以可拆卸方式首尾連接，形成橋梁，支撐體5設置有與T型梁尺寸相匹配的凹槽，將T型梁插入凹槽內，可以對T型梁進行制成固定，當使用箱梁時，可以采用寬度凹槽較大的凹槽即可，在本實施例中，通過拼接板構建能夠便捷地拼裝為簡支梁橋、連續梁橋、連續鋼構橋、斜拉橋、懸索橋等各種橋梁，不僅可以以模擬施工過程，進行施工控制教學，拼接板構建可以采用類似樂高積木的結構，也可以采用有機玻璃、鋁材、細鋼絲等便于加工的材料，將橋梁的各個構件縮小尺寸制作為批量的模塊，模塊上預留銷接孔、鍵，附圖中未畫出，本領域技術人員可以通過現有技術了解多種實現方式，只要能夠滿足拼接成各種類型的橋梁結構即可，在此不再對拼接板構建的具體結構進行贅述；并對其進行加載試驗，理解和掌握各種橋型受力體系的差異和優缺點，可以根據想象，結合力學、美學等知識將不同構件自由組合、拼裝，設計成新型結構，并通過加載試驗驗證其結構、構造是否合理，也可以采用開發的教學軟件輔助驗證。通過多種結構類型的橋梁模型可人為設置結構病害、缺陷，可以通過削弱構件間的連接等手段(如固結改為鉸接、改變支撐狀況等)模擬橋梁構件的開裂、損傷，并通過試驗和模擬(模型試驗和開發的軟件模擬)，由實測數據分析不同損傷所造成的結構受力體系、特征的改變，實現損傷評估和狀態監測。

在本實施例中，自動加載控制系統由模型車2、驅動裝置和控制器組成，與可設計性橋梁模型積木配合使用，其功能主要是控制模擬車2在橋梁模型上以多種車速前進、后退、在任意位置停車等，模擬車2載重量可以改變(如通過增減砝碼改變)。模擬車2采用電力驅動，控制器發出指令到數字輸出模塊并控制驅動裝置工作，實現模擬車2的前進、后退；紅外線傳感器、超聲測距傳感器探測到邊界、距離信號后通過數字輸入模塊傳送給控制器，控制器根據小車的當前狀態自動指令其作出停車或進、退等動作。

在本實施例中，橋梁狀態檢測分析單元包括數據采集模塊、數據分析模塊和評估模塊，數據采集模塊將采集到的橋梁狀態數據傳遞至數據分析模塊，所述數據分析模塊根據橋梁狀態數據輸出統計圖表，評估模塊根據統計圖表生成評價報告，通過測試數據采集、記錄、橋梁狀態分析、橋梁安全性評估、預警等。橋梁狀態檢測及安全性評估分析具有有限元模型計算、試驗數據采集、分析等功能，可以采用Labview圖形化編程語言編寫，包含有極為豐富的硬件驅動接口，可與通用的數采硬件匹配通訊，并能模擬車2自動加載控制系統保持指令同步，橋梁模型包括多種橋梁結構，所述模型車的重量可調，根據不同結構類型的橋梁模型、模型車的加載位置及荷載等級，設置橋梁檢測的加載方案，控制器根據加載方案控制模型車在橋梁模型上進行相應的運動，根據測試數據，生成統計圖表，繪制荷載作用下的荷載-應力圖、荷載-撓度曲線、裂縫分布圖等，學生進行綜合分析后計算荷載試驗的校驗系數，對橋梁結構的強度、剛度、抗裂性能等進行評價，最終評定橋梁的承載力和安全性并編制試驗報告。

在本實施例中，預設橋梁狀態的安全閾值，當橋梁狀態檢測分析單元檢測的橋梁狀態數據超過安全閾值上限時，控制器控制報警單元發出報警，并控制驅動裝置停止工作。教學實驗的過程中，通過控制模擬車2加載在橋梁模型的不同部位、或以不同車速行駛通過橋梁，同時控制數采硬件進行采集、記錄，得到橋梁各個部位的各種力學響應。當荷載作用下虛擬傳感器的輸出量值超過預設的安全閾值時，系統預警或終止加載。加載的橋梁模型可以是無缺陷的，也可以是預設缺陷的，對試驗數據進行處理，并將實測數據與理論計算結果進行對比分析、評價，學生編制橋梁承載力、安全性評估等試驗報告。

本實施例中的數據采集模塊包括應變傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器和溫度傳感器，數據分析模塊根據采集的橋梁模型的橋梁狀態數據，獲取橋梁各個部位的應力、撓度、裂縫、振動頻率和類型。通過本實施例，可完成對橋梁模型不同測試截面的靜力加載試驗，以及各種車速跑車、剎車、跳車、環境激勵等動力加載試驗，能夠測試得到橋梁模型的應力(應變)、位移、撓度、裂縫、加速度、自振頻率、振型、沖擊系數等一系列物理指標，通過分析可得到橋梁承載能力、損傷影響程度、橋型受力是否合理等評估結論，試驗過程中需要系統性地運用橋梁工程、結構力學、材料力學、測試技術、信號處理等多方面的知識，培養了學生的動手能力、分析解決問題、報告編寫和團隊意識等綜合能力。

在本實施例中，還包括檢測終端，所述檢測終端至少包括顯示模塊、輸入模塊和中央處理器，所述顯示模塊和輸入模塊分別與中央處理器連接，所述中央處理器與控制器連接，學生可以根據所選橋型的受力特點，在檢測終端中合理確定最不利的控制截面(在截面中點選)，通過檢測終端的顯示模塊輸出相應截面的內力影響線(預先由橋型、跨徑等條件計算得到，根據學生選擇調用)，學生在內力影響線上進行最不利布載以確定設計控制內力、荷載試驗內力、試驗荷載大小及荷載效率等，并編制荷載試驗加載方案，例如確定加載車數量、加載工況、加載位置、荷載分級等，執行加載試驗時，系統根據學生預定的試驗方案，模擬試驗加載車輛對橋梁進行加載試驗，加載過程中結構模型上布設的傳感器會輸出量值并記錄，學生可通過圖片、圖表、數值等形式觀察橋梁結構的應力(應變)、撓度、裂縫等變化。軟件預先針對不同橋型、荷載等級、加載位置等計算出橋梁各部位的應變、撓度、裂縫部位、裂縫長寬等理論結果，在實驗過程中，可以采用隨機變量加以控制，使傳感器的輸出量值在一定范圍內隨機波動，以模擬正常橋梁和不正常橋梁的響應，反映工程結構力學性能的離散性，當荷載作用下虛擬傳感器的輸出量值超過預設的安全閾值時，系統報警并暫停試驗，學生應進行分析后決定繼續加載或終止試驗；如學生編制的試驗方案不合理(荷載過大、加載位置不合理等)，通過檢測終端會出現橋梁模型垮塌的情況，提示學生重新編制加載方案。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。