專利名稱：橋梁結構應力的長期監測方法
技術領域：
本發明涉及一種橋梁結構應力長期監測技術，尤其涉及一種橋梁結構應力的長期監測方法。
背景技術：
近年來隨著橋梁建設事業的迅猛發展，橋梁結構形式與功能日趨復雜，工程的規模也越來越大，然而在世界各國都相繼發生了一些橋梁突然性的破壞事件，這些災難性的事件使得各國科研人員認為對橋梁在運營狀態下的健康監測問題的研究是刻不容緩的；通過對橋梁結構狀態的監控與評估，可以達到保證橋梁安全運營，避免橋梁安全事故發生的目的；同時監測信息可為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。
橋梁在運營狀態的長期應力監測分預埋和表貼兩種方式來實現。預埋的方式可解決恒載應力的監測問題，但存在因傳感器壽命問題而不能實現長期監測；表貼傳感器具有可更換的優點，但不能解決恒載應力監測問題。因此，過去在實施橋梁結構應力監測時，往往建設期和營運期的結構應力監測是脫節的，不能有效地結合起來，從而未能達到預期的監測效果。
發明內容
本發明公開了一種橋梁結構應力的長期監測方法，其步驟如下1)分別通過預埋傳感器和表貼傳感器對橋梁的結構應力進行監測，2)分別建立預埋傳感器和表貼傳感器監測值的應力—時間關系曲線F(t)和f(t)，3)求出應力—時間關系曲線F(t)和f(t)間的相關性函數G(t)，4)在預埋傳感器失效后，由表貼傳感器監測值的應力—時間關系曲線f(t)和相關性函數G(t)反推橋梁結構在恒載+活載作用下的應力—時間關系曲線F(t)。
步驟1)包括在建設期，把預埋傳感器設置在監控橋梁的結構內部，用于監測恒載+活載作用下的應力；橋梁建成以后，將表貼傳感器貼于預埋傳感器位置相對應的橋梁結構表面，用于監測活載應力。
步驟2)包括采用最小二乘法或拉格朗日插值法分別建立預埋傳感器和表貼傳感器的應力—時間關系曲線F(t)和f(t)， 求F(t)的過程如下 ①把測得的應力和時間數據描繪在直角坐標系中，若發現這些點在一條曲線附近，可以令這條曲線方程為F計＝∑AjTj，其中Aj為任意實數，Tj為時間常量，F計為計算應力值； ②令Q＝∑(Fi-F計)2，其中Fi為預埋傳感器實測應力值，Q為預埋傳感器實測應力值與計算應力值的差的平方和所構成的函數； ③將F計代入到上式中得Q＝∑(Fi-∑AjTj)2，當Q取最小時，用Q對Aj求偏導數； ④令偏導數為零得到包含未知數Aj的方程組，解方程組求得Aj； ⑤將Aj代入到方程F計＝∑AjTj中得出擬合曲線方程，所得方程即為F(t)； 求f(t)的過程如下 ①把測得的應力和時間數據描繪在直角坐標系中，若發現這些點在一條曲線附近，可以令這條曲線方程為f計＝∑ajTj，其中aj為任意實數，Tj為時間常量，f計為計算應力值； ②令S＝∑(fi-f計)2，其中fi為表貼傳感器實測應力值，S為表貼傳感器實測應力值與計算應力值的差的平方和所構成的函數； ③將f計代入到上式中得S＝∑(fi-∑ajTj)2，當S取最小時，用S對aj求偏導數； ④令偏導數為零得到包含未知數aj的方程組，解方程組求得aj； ⑤將aj代入到方程f計＝∑ajTj中得出擬合曲線方程，所得方程即為f(t)； 步驟3)包括 ①把差值和時間數據描繪在直角坐標系中，若發現這些點在一條曲線附近，可以令這條曲線方程為K計＝∑BjTj，其中Bj為任意實數，Tj為時間常量，K計為計算應力差值； ②令R＝∑(Ki-K計)2，其中Ki為應力差值，R為應力差值與計算應力差值的差的平方和所構成的函數； ③將K計代入到上式中得R＝∑(Ki-∑BjTj)2，當R最小時，用R對Bj求偏導數； ④令偏導數為零得到包含未知數Bj的方程組，解方程組求得Bj； ⑤將Bj代入到方程K計＝∑BjTj中得出擬合曲線方程，所得方程即為G(t)。
本發明的有益技術效果是分析歸納出采用預埋傳感器和表貼傳感器這兩種應力監測手段所監測到的應力的相關性，實現兩種應力監測手段的優勢互補，對營運期橋梁實現長期安全監測。
圖1，預埋和表貼傳感器監測應力數據相關性構建示意圖； 圖2，預埋和表貼傳感器關系分析的橋梁結構長期應力監測示意圖； 圖3，預埋和表貼傳感器關系分析實施橋梁結構長期應力監測流程圖。
附圖1中，預埋傳感器1，表貼傳感器2，鋼筋3，梁體表面4；附圖2中，T1為建設期，該時間段內曲線為預埋傳感器監測的恒載應力曲線；T2為建設—營運過渡期，該時間段內的實線為表帖傳感器監測的活載應力曲線，虛線為預埋傳感器監測的恒+活載應力曲線；T3為營運期(即預埋傳感器失效后的階段)，該時間段內的實線為為表帖傳感器監測的活載應力曲線，虛線為反推的恒+活載應力曲線。
具體實施例方式 本發明的橋梁結構應力的長期監測方法為1)分別通過預埋傳感器和表貼傳感器對橋梁的結構應力進行監測，2)分別建立預埋傳感器和表貼傳感器監測值的應力—時間關系曲線F(t)和f(t)，3)求出應力—時間關系曲線F(t)和f(t)間的相關性函數G(t)，4)在預埋傳感器失效后，由表貼傳感器監測值的應力—時間關系曲線f(t)和相關性函數G(t)反推橋梁結構在恒載+活載作用下的應力—時間關系曲線F(t)。
步驟1)預埋傳感器和表帖傳感器 參見附圖1，在建設期，根據橋梁結構的受力特點，把預埋傳感器設置在監控橋梁的結構內部，用于監測橋梁建設期恒載及運營期恒載+活載作用下的應力；橋梁建成以后，將表貼傳感器貼于與預埋傳感器位置相對應的橋梁結構表面，對橋梁實施活載應力監測。
步驟2)擬合預埋傳感器和表帖傳感器的應力—時間關系曲線 利用數理統計等數學手段對監測數據進行分析研究，依據橋梁結構受力的本構關系，由監測應變值計算相應應力，對不同時段的預埋傳感器和表帖傳感器監測數據進行分析，采用最小二乘法或拉格朗日插值法等數學統計方法，擬合應力—時間關系曲線。
建立預埋傳感器的應力—時間關系曲線F(t)和表貼傳感器的應力—時間關系曲線f(t)的過程如下 求F(t)的過程如下 ①把測得的應力和時間數據描繪在直角坐標系中，若發現這些點在一條曲線附近，可以令這條曲線方程為F計＝∑AjTj，其中Aj為任意實數，Tj為時間常量，F計為計算應力值； ②令Q＝∑(Fi-F計)2，其中Fi為預埋傳感器實測應力值，Q為預埋傳感器實測應力值與計算應力值的差的平方和所構成的函數； ③將F計代入到上式中得Q＝∑(Fi-∑AjTj)2，當Q取最小時，用Q對Aj求偏導數； ④令偏導數為零得到包含未知數Aj的方程組，解方程組求得Aj； ⑤將Aj代入到方程F計＝∑AjTj中得出擬合曲線方程，所得方程即為F(t)； 求f(t)的過程如下 ①把測得的應力和時間數據描繪在直角坐標系中，若發現這些點在一條曲線附近，可以令這條曲線方程為f計＝∑ajTj，其中aj為任意實數，Tj為時間常量，f計為計算應力值； ②令S＝∑(fi-f計)2，其中fi為表貼傳感器實測應力值，S為表貼傳感器實測應力值與計算應力值的差的平方和所構成的函數； ③將f計代入到上式中得S＝∑(fi-∑ajTj)2，當S取最小時，用S對aj求偏導數； ④令偏導數為零得到包含未知數aj的方程組，解方程組求得aj； ⑤將aj代入到方程f計＝∑ajTj中得出擬合曲線方程，所得方程即為f(t)； 步驟3)歸納出預埋傳感器和表帖傳感器監測數據的相關性。
根據擬合的預埋傳感器和表帖傳感器的應力—時間關系曲線，通過對預埋傳感器和表帖傳感器監測數據的分析，對其差值進行比較歸納，找出預埋傳感器和表帖傳感器監測數據差值隨時間的變化規律，總結出預埋傳感器和表帖傳感器監測數據的相關性。下面為一種具體的分析計算方法 ①把差值和時間數據描繪在直角坐標系中，若發現這些點在一條曲線附近，可以令這條曲線方程為K計＝∑BjTj，其中Bj為任意實數，Tj為時間常量，K計為計算應力差值； ②令R＝∑(Ki-K計)2，其中Ki為應力差值，R為應力差值與計算應力差值的差的平方和所構成的函數； ③將K計代入到上式中得R＝∑(Ki-∑BjTj)2，當R最小時，用R對Bj求偏導數； ④令偏導數為零得到包含未知數Bj的方程組，解方程組求得Bj； ⑤將Bj代入到方程K計＝∑BjTj中得出擬合曲線方程，所得方程即為預埋傳感器和表帖傳感器的應力—時間關系曲線F(t)和f(t)間的相關性函數G(t)。
步驟4)應力反推 在預埋傳感器失效后，由表貼傳感器監測值的應力—時間關系曲線f(t)和相關性函數G(t)反推橋梁結構在恒載+活載作用下的應力—時間關系曲線F(t)。
本發明結合了預埋傳感器和表帖傳感器兩種應力監測方式的優勢，建立起兩種監測方式的相關性，即使在預埋傳感器失去監測能力以后，仍可以通過對表帖傳感器的應力測試數據分析，達到監測恒+活載作用于橋梁結構所產生應力的目的，實現對橋梁結構的長期應力監測，并對橋梁進行安全評價和預警預報。
權利要求
1、一種橋梁結構應力的長期監測方法，其特征在于1)分別通過預埋傳感器和表貼傳感器對橋梁的結構應力進行監測，2)分別建立預埋傳感器和表貼傳感器監測值的應力—時間關系曲線F(t)和f(t)，3)求出應力—時間關系曲線F(t)和f(t)間的相關性函數G(t)，4)在預埋傳感器失效后，由表貼傳感器監測值的應力—時間關系曲線f(t)和相關性函數G(t)反推橋梁結構在恒載+活載作用下的應力—時間關系曲線F(t)。
2、根據權利要求1所述橋梁結構應力的長期監測方法，其特征在于步驟1)包括在建設期，把預埋傳感器設置在監控橋梁的結構內部，用于監測恒載+活載作用下的應力；橋梁建成以后，將表貼傳感器貼于預埋傳感器位置相對應的橋梁結構表面，用于監測活載應力。
3、根據權利要求1所述橋梁結構應力的長期監測方法，其特征在于步驟2)包括采用最小二乘法或拉格朗日插值法分別建立預埋傳感器和表貼傳感器的應力—時間關系曲線F(t)和f(t)，
求F(t)的過程如下
①把預埋傳感器測得的應力和時間數據描繪在直角坐標系中，若發現這些點在一條曲線附近，可以令這條曲線方程為F計＝∑AjTj，其中Aj為任意實數，Tj為時間常量，F計為計算應力值；
②令Q＝∑(Fi-F計)2，其中Fi為預埋傳感器實測應力值，Q為預埋傳感器實測應力值與計算應力值的差的平方和所構成的函數；
③將F計代入到上式中得Q＝∑(Fi-∑AjTj)2，當Q取最小時，用Q對Aj求偏導數；
④令偏導數為零得到包含未知數Aj的方程組，解方程組求得Aj；
⑤將Aj代入到方程F計＝∑AjTj中得出擬合曲線方程，所得方程即為F(t)；
求f(t)的過程如下
①把表貼傳感器測得的應力和時間數據描繪在直角坐標系中，若發現這些點在一條曲線附近，可以令這條曲線方程為f計＝∑ajTj，其中aj為任意實數，Tj為時間常量，f計為計算應力值；
②令S＝∑(fi-f計)2，其中fi為表貼傳感器實測應力值，S為表貼傳感器實測應力值與計算應力值的差的平方和所構成的函數；
③將f計代入到上式中得S＝∑(fi-∑ajTj)2，當S取最小時，用S對aj求偏導數；
④令偏導數為零得到包含未知數aj的方程組，解方程組求得aj；
⑤將aj代入到方程f計＝∑ajTj中得出擬合曲線方程，所得方程即為f(t)；
4、根據權利要求1所述橋梁結構應力的長期監測方法，其特征在于步驟3)包括
①把差值和時間數據描繪在直角坐標系中，若發現這些點在一條曲線附近，可以令這條曲線方程為K計＝∑BjTj，其中Bj為任意實數，Tj為時間常量，K計為計算應力差值；
②令R＝∑(Ki-K計)2，其中Ki為應力差值，R為應力差值與計算應力差值的差的平方和所構成的函數；
③將K計代入到上式中得R＝∑(Ki-∑BjTj)2，當R最小時，用R對Bj求偏導數；
④令偏導數為零得到包含未知數Bj的方程組，解方程組求得Bj；
⑤將Bj代入到方程K計＝∑BjTj中得出擬合曲線方程，所得方程即為G(t)。
全文摘要
本發明公開了一種橋梁結構應力的長期監測方法，該方法包括分別通過預埋傳感器和表貼傳感器對橋梁的結構應力進行監測，分別建立預埋傳感器和表貼傳感器的應力—時間關系曲線，求出兩條應力—時間關系曲線的相關性參數化函數，在預埋傳感器失效后，由表貼傳感器監測的應力結果結合相關性函數反推橋梁結構在恒載+活載作用下的應力；本發明的有益技術效果是分析歸納出采用預埋傳感器和表貼傳感器這兩種應力監測手段所監測到的應力的相關性，實現兩種應力監測手段的優勢互補，對營運期橋梁實現長期安全監測。
文檔編號G01L1/00GK101363760SQ20081007019
公開日2009年2月11日 申請日期2008年8月28日 優先權日2008年8月28日
發明者周建庭, 勇 姚, 銳 房, 岳軍聲, 武電坤, 娟 楊 申請人:重慶交通大學