一種橋梁動態健康實時監測裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種橋梁動態健康實時監測裝置，監測裝置包括監測模塊、數據處理模塊、安全狀態評估模塊、預警報警模塊和仿真顯示模塊，其中監測模塊包括無線傳感器網絡、應變傳感器組件和位移傳感器，數據處理模塊包括采集中心站、信號調理器和信號傳輸裝置，安全狀態評估模塊包括微處理器，預警報警模塊包括分析處理器和報警器，仿真顯示模塊包括三維GIS仿真平臺。本發明將傳感器應用到橋梁健康監測領域，實現了對橋梁健康的實時監控，并且能夠根據監測數據預測橋梁結構的剩余壽命，在全覆蓋、全天候監測上達到了前所未有的高度。
【專利說明】
一種橋梁動態健康實時監測裝置
技術領域
[0001] 本發明涉及橋梁健康監測領域，具體涉及一種橋梁動態健康實時監測裝置。
【背景技術】
[0002] 城市橋梁是城市交通干線的重要組成，橋梁養護的好壞直接關系到城市交通的安 全和暢通。城市建筑越來越密集，越來越高，是城市發展的趨勢。由于自然地質等不可控制 的災難或者在人為修砌過程中，橋梁、建筑易出現斷裂、移位、傾斜等災難。該災難是不可預 見的，會給人們帶來不可估量的生命財產損失，對橋梁和建筑物的健康狀況的監測是十分 重要的事情。
[0003] 然而現有的橋梁監測傳感器大多數無法根據監測的數據預測橋梁結構的剩余壽 命。這一缺陷導致橋梁維護人員需要通過自己的相關經驗判斷傳感器所反饋的數據，降低 了對橋梁結構監測的及時性，同時也大大增加了橋梁維護人員的工作量。
【發明內容】
[0004] 針對上述問題，本發明提供一種橋梁動態健康實時監測裝置。
[0005] 本發明的目的采用以下技術方案來實現：
[0006] -種橋梁動態健康實時監測裝置，該裝置包括監測模塊、數據處理模塊、安全狀態 評估模塊、預警報警模塊和仿真顯示模塊。
[0007] (1)監測模塊，包括對橋梁結構健康進行監測的無線傳感器網絡、用于監測橋梁各 危險部位的應變傳感器組件和位移傳感器，所述無線傳感器網絡全覆蓋對橋梁健康結構進 行監測，同時，網絡采用先進的物理信息融合系統，對橋梁健康結構的實時感知;所述位移 傳感器以用于監測危險部位位移變化的工作基點和用于校核工作基點穩定性的全局基準 點為基礎進行三維空間位移監測，所述橋梁的各危險部位、工作基點和全局基準點通過對 橋梁進行有限元模擬分析確定;所述應變傳感器組件包括參數性能及結構完全相同的工作 用應變傳感器和溫度補償用應變傳感器，所述工作用應變傳感器和溫度補償用應變傳感器 串聯后設置于結構的各個危險部位上；
[0008] (2)數據處理模塊，其包括采集中心站、對采集中心站收集到的數據進行調理放大 處理的信號調理器和對信號調理器處理的數據進行傳送的信號傳輸裝置；
[0009] (3)安全狀態評估模塊，所述安全狀態評估模塊包括連接信號傳輸裝置的微處理 器，所述微處理器將由信號傳輸裝置傳送的位移數據進行計算得到兩個時間階段t之間的 平均位移差，由于橋梁存在熱脹冷縮現象因此先要對位移差進行補償，然后將平均位移差 與規定位移差閾值進行比較，判斷所述平均位移差是否處于安全狀態，并根據應變傳感器 組件24h的監測數據進行計算，得到應力幅譜，根據應力幅譜計算結構的剩余疲勞壽命，并 將所述剩余疲勞壽命與結構設計壽命進行比較，判斷所述剩余疲勞壽命是否處于安全狀 態；
[0010] a、平均位移w(i)的計算公式為：
[0011]
[0012]其中，取〇.5h為采樣時間間隔，max&min(1+t)為前一時間階段的位移數據中的極大 值和極小值之和，max&min(i+2t)為后一時間階段的位移數據中的極大值和極小值之和；
[0013] b、設膨脹系數為α，修正后的平均位移為：
[0014]
[0015]其中，αι，α2，···，αη為各建筑材料溫度膨脹系數， ai，a2，···，an為系數，T為選定時間 段內平均溫度，To為橋梁所在地年平均溫度。
[0016] c、所述壽命安全評估的判斷公式為：
[0017]
[0018]
[0019]
[0020]
[0021 ]其中，〇b為結構疲勞極限，σχ為各監測點的熱點應力幅，k為疲勞曲線的斜率倒數， P1S在熱點應力幅下結構實際經歷的應力循環系數，Tb為結構設計疲勞壽命，在實際應用 中，會受橋梁過載影響，因此是動態變化的，且隨著過載天數的變化是一個非線性的過程，
1A為初始結構設計疲勞壽命，dz表示橋梁總天數， dg表示橋梁過載天數；當A大于0，判定結構壽命處于安全狀態，當A小于或等于0時，輸出報 警信號；
[0022] (4)預警報警模塊，其包括用于防止誤報警的分析處理器、報警器和信息記錄數據 庫，所述分析處理器的輸入端連接所述微處理器，分析處理器的輸出端連接所述報警器； [0023] (5)仿真顯示模塊，包括與微處理器連接的三維GIS仿真平臺，所述三維GIS仿真平 臺對安全狀態評估模塊的評估結果進行仿真顯示，模擬橋梁結構的健康狀況，仿真步驟為： [0024] d、利用有限元軟件進行橋梁的建模后導入GIS平臺，分別構建橋梁不同構件的模 型，在GIS平臺上調整各橋梁構件的空間位置；
[0025] e、通過不同的形狀符號在GIS平臺上模擬顯示橋梁各危險部位、應變傳感器組件 和位移傳感器；
[0026] f、根據安全狀態模塊評估的結果對不處于安全狀態的危險部位用規定的顏色在 GIS平臺的界面上顯示。
[0027] 本發明的有益效果為:通過各個模塊的構建連接，實現結構動態健康的全自動化 監測，便于人員及早發現問題、解決問題；提出了用無線傳感器網絡進行橋梁健康結構監 測，覆蓋廣，實時性強;提出了疲勞壽命安全判斷公式，減少了計算的工作量，提高了監測裝 置的工作效率;提出了平均位移的計算公式，并且對平均位移進行了修正，采用平均位移與 位移閾值進行比較判斷，減少了計算的工作量;對應變傳感器進行溫度補償，提高了應變的 測量精度，進而提高了裝置的整體測量精度;利用GIS仿真平臺模擬橋梁結構的健康狀況， 具有良好的與用戶進行界面交互的效果。
【附圖說明】
[0028]利用附圖對本發明作進一步說明，但附圖中的實施例不構成對本發明的任何限 制，對于本領域的普通技術人員，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據以下附圖獲得 其它的附圖。
[0029]圖1是本發明的結構框圖。
【具體實施方式】
[0030] 結合以下實施例對本發明作進一步描述。
[0031] 實施例1:如圖1所示的一種橋梁動態健康實時監測裝置，該裝置包括監測模塊、數 據處理模塊、安全狀態評估模塊、預警報警模塊和仿真顯示模塊。
[0032] (1)監測模塊，包括對橋梁結構健康進行監測的無線傳感器網絡、用于監測橋梁各 危險部位的應變傳感器組件和位移傳感器，所述無線傳感器網絡全覆蓋對橋梁健康結構進 行監測，同時，網絡采用先進的物理信息融合系統，對橋梁健康結構的實時感知;所述位移 傳感器以用于監測危險部位位移變化的工作基點和用于校核工作基點穩定性的全局基準 點為基礎進行三維空間位移監測，所述橋梁的各危險部位、工作基點和全局基準點通過對 橋梁進行有限元模擬分析確定;所述應變傳感器組件包括參數性能及結構完全相同的工作 用應變傳感器和溫度補償用應變傳感器，所述工作用應變傳感器和溫度補償用應變傳感器 串聯后設置于結構的各個危險部位上；
[0033] (2)數據處理模塊，其包括采集中心站、對采集中心站收集到的數據進行調理放大 處理的信號調理器和對信號調理器處理的數據進行傳送的信號傳輸裝置；
[0034] (3)安全狀態評估模塊；
[0035] (4)預警報警模塊，其包括用于防止誤報警的分析處理器、報警器和信息記錄數據 庫，所述分析處理器的輸入端連接所述微處理器，分析處理器的輸出端連接所述報警器； [0036] (5)仿真顯示模塊，包括與微處理器連接的三維GIS仿真平臺，所述三維GIS仿真平 臺對安全狀態評估模塊的評估結果進行仿真顯示，模擬橋梁結構的健康狀況，仿真步驟為： [0037] a、利用有限元軟件進行橋梁的建模后導入GIS平臺，分別構建橋梁不同構件的模 型，在GIS平臺上調整各橋梁構件的空間位置；
[0038] b、通過不同的形狀符號在GIS平臺上模擬顯示橋梁各危險部位、應變傳感器組件 和位移傳感器；
[0039] c、根據安全狀態模塊評估的結果對不處于安全狀態的危險部位用規定的顏色在 GIS平臺的界面上顯示。
[0040] 所述安全狀態評估模塊包括連接信號傳輸裝置的微處理器，所述微處理器將由信 號傳輸裝置傳送的位移數據進行計算得到兩個時間階段t之間的平均位移差，由于橋梁存 在熱脹冷縮現象因此先要對位移差進行補償，然后將平均位移差與規定位移差閾值進行比 較，判斷所述平均位移差是否處于安全狀態，并根據應變傳感器組件24h的監測數據進行計 算，得到應力幅譜，根據應力幅譜計算結構的剩余疲勞壽命，并將所述剩余疲勞壽命與結構 設計壽命進行比較，判斷所述剩余疲勞壽命是否處于安全狀態；
[0041] a、平均位移w(i)的計算公式為：
[0042]
[0043]其中，取0.5h為采樣時間間隔，max&min(1+t)為前一時間階段的位移數據中的極大 值和極小值之和，max&min(i+2t)為后一時間階段的位移數據中的極大值和極小值之和；
[0044] b、設膨張系數為α，修ιΗ后的平詢仿移為：
[0045]
[0046] 其中，(^，(^，…，(^為各建筑材料溫度膨脹系數^^^…^為系數^為選定時間 段內平均溫度，To為橋梁所在地年平均溫度。
[0047] c、所述壽命安全評估的判斷公式為：
[0048] ? > 〇』汁·
[0049]
[0050]
[0051]
[0052] 其中，〇b為結構疲勞極限，σχ為各監測點的熱點應力幅，k為疲勞曲線的斜率倒數， P1S在熱點應力幅下結構實際經歷的應力循環系數，Tb為結構設計疲勞壽命，在實際應用 中，會受橋梁過載影響，因此是動態變化的，且隨著過載天數的變化是一個非線性的過程，
，TA為初始結構設計疲勞壽命，dz表示橋梁總天數， dg表示橋梁過載天數；當A大于0，判定結構壽命處于安全狀態，當A小于或等于0時，輸出報 警信號。
[0053]在此實施例中，通過各個模塊的構建連接，實現了結構動態健康的全自動化監測， 便于人員及早發現問題、解決問題;提出了用無線傳感器網絡進行橋梁健康結構監測，覆蓋 廣，實時性強;提出了疲勞壽命安全判斷公式，減少了計算的工作量，提高了監測裝置的工 作效率;提出了平均位移的計算公式，并且對平均位移進行了修正，采用平均位移與位移閾 值進行比較判斷，減少了計算的工作量;對應變傳感器進行溫度補償，提高了應變的測量精 度，進而提高了裝置的整體測量精度;利用GIS仿真平臺模擬橋梁結構的健康狀況，具有良 好的與用戶進行界面交互的效果;時間階段t = 24h，實現了橋梁結構動態健康的全自動化 監測，裝置的整體測量精度提高了 15%。
[0054]實施例2:如圖1所示的一種橋梁動態健康實時監測裝置，該裝置包括監測模塊、數 據處理模塊、安全狀態評估模塊、預警報警模塊和仿真顯示模塊。
[0055] (1)監測模塊，包括對橋梁結構健康進行監測的無線傳感器網絡、用于監測橋梁各 危險部位的應變傳感器組件和位移傳感器，所述無線傳感器網絡全覆蓋對橋梁健康結構進 行監測，同時，網絡采用先進的物理信息融合系統，對橋梁健康結構的實時感知;所述位移 傳感器以用于監測危險部位位移變化的工作基點和用于校核工作基點穩定性的全局基準 點為基礎進行三維空間位移監測，所述橋梁的各危險部位、工作基點和全局基準點通過對 橋梁進行有限元模擬分析確定;所述應變傳感器組件包括參數性能及結構完全相同的工作 用應變傳感器和溫度補償用應變傳感器，所述工作用應變傳感器和溫度補償用應變傳感器 串聯后設置于結構的各個危險部位上；
[0056] (2)數據處理模塊，其包括采集中心站、對采集中心站收集到的數據進行調理放大 處理的信號調理器和對信號調理器處理的數據進行傳送的信號傳輸裝置；
[0057] (3)安全狀態評估模塊；
[0058] (4)預警報警模塊，其包括用于防止誤報警的分析處理器、報警器和信息記錄數據 庫，所述分析處理器的輸入端連接所述微處理器，分析處理器的輸出端連接所述報警器； [0059] (5)仿真顯示模塊，包括與微處理器連接的三維GIS仿真平臺，所述三維GIS仿真平 臺對安全狀態評估模塊的評估結果進行仿真顯示，模擬橋梁結構的健康狀況，仿真步驟為：
[0060] a、利用有限元軟件進行橋梁的建模后導入GIS平臺，分別構建橋梁不同構件的模 型，在GIS平臺上調整各橋梁構件的空間位置；
[0061] b、通過不同的形狀符號在GIS平臺上模擬顯示橋梁各危險部位、應變傳感器組件 和位移傳感器；
[0062] c、根據安全狀態模塊評估的結果對不處于安全狀態的危險部位用規定的顏色在 GIS平臺的界面上顯示。
[0063]所述安全狀態評估模塊包括連接信號傳輸裝置的微處理器，所述微處理器將由信 號傳輸裝置傳送的位移數據進行計算得到兩個時間階段t之間的平均位移差，由于橋梁存 在熱脹冷縮現象因此先要對位移差進行補償，然后將平均位移差與規定位移差閾值進行比 較，判斷所述平均位移差是否處于安全狀態，并根據應變傳感器組件24h的監測數據進行計 算，得到應力幅譜，根據應力幅譜計算結構的剩余疲勞壽命，并將所述剩余疲勞壽命與結構 設計壽命進行比較，判斷所述剩余疲勞壽命是否處于安全狀態；
[0064] a、平均位移w(i)的計算公式為：
[0065]
[0066]其中，取0.5h為采樣時間間隔，max&min(1+t)為前一時間階段的位移數據中的極大 值和極小值之和，max&min(i+2t)為后一時間階段的位移數據中的極大值和極小值之和； [0067] b、設膨脹系數為α，修正后的平均位移為：
[0068]
[0069] 其中，(^，(^，…，(^為各建筑材料溫度膨脹系數^^^…^為系數^為選定時間 段內平均溫度，To為橋梁所在地年平均溫度。
[0070] C、所述壽命安全評估的判斷公式為：
[0071] ? > 〇』汁.
[0072]
[0073]
[0074]
[0075] 兵甲，铦構彼勞極限，σχ^3谷；測總的熱總應力幅，k為疲勞曲線的斜率倒數， P1S在熱點應力幅下結構實際經歷的應力循環系數，Tb為結構設計疲勞壽命，在實際應用 中，會受橋梁過載影響，因此是動態變化的，且隨著過載天數的變化是一個非線性的過程，
Ta為初始結構設計疲勞壽命，dz表示橋梁總天數， dg表示橋梁過載天數；當A大于0，判定結構壽命處于安全狀態，當A小于或等于0時，輸出報 警信號。
[0076] 在此實施例中，通過各個模塊的構建連接，實現了結構動態健康的全自動化監測， 便于人員及早發現問題、解決問題;提出了用無線傳感器網絡進行橋梁健康結構監測，覆蓋 廣，實時性強;提出了疲勞壽命安全判斷公式，減少了計算的工作量，提高了監測裝置的工 作效率;提出了平均位移的計算公式，并且對平均位移進行了修正，采用平均位移與位移閾 值進行比較判斷，減少了計算的工作量;對應變傳感器進行溫度補償，提高了應變的測量精 度，進而提高了裝置的整體測量精度;利用GIS仿真平臺模擬橋梁結構的健康狀況，具有良 好的與用戶進行界面交互的效果;時間階段t = 28h，實現了橋梁結構動態健康的全自動化 監測，裝置的整體測量精度提高了 17%。
[0077] 實施例3:如圖1所示的一種橋梁動態健康實時監測裝置，該裝置包括監測模塊、數 據處理模塊、安全狀態評估模塊、預警報警模塊和仿真顯示模塊。
[0078] (1)監測模塊，包括對橋梁結構健康進行監測的無線傳感器網絡、用于監測橋梁各 危險部位的應變傳感器組件和位移傳感器，所述無線傳感器網絡全覆蓋對橋梁健康結構進 行監測，同時，網絡采用先進的物理信息融合系統，對橋梁健康結構的實時感知;所述位移 傳感器以用于監測危險部位位移變化的工作基點和用于校核工作基點穩定性的全局基準 點為基礎進行三維空間位移監測，所述橋梁的各危險部位、工作基點和全局基準點通過對 橋梁進行有限元模擬分析確定;所述應變傳感器組件包括參數性能及結構完全相同的工作 用應變傳感器和溫度補償用應變傳感器，所述工作用應變傳感器和溫度補償用應變傳感器 串聯后設置于結構的各個危險部位上；
[0079] (2)數據處理模塊，其包括采集中心站、對采集中心站收集到的數據進行調理放大 處理的信號調理器和對信號調理器處理的數據進行傳送的信號傳輸裝置；
[0080] (3)安全狀態評估模塊；
[0081] (4)預警報警模塊，其包括用于防止誤報警的分析處理器、報警器和信息記錄數據 庫，所述分析處理器的輸入端連接所述微處理器，分析處理器的輸出端連接所述報警器； [0082] (5)仿真顯示模塊，包括與微處理器連接的三維GIS仿真平臺，所述三維GIS仿真平 臺對安全狀態評估模塊的評估結果進行仿真顯示，模擬橋梁結構的健康狀況，仿真步驟為： [0083] a、利用有限元軟件進行橋梁的建模后導入GIS平臺，分別構建橋梁不同構件的模 型，在GIS平臺上調整各橋梁構件的空間位置；
[0084] b、通過不同的形狀符號在GIS平臺上模擬顯示橋梁各危險部位、應變傳感器組件 和位移傳感器；
[0085] c、根據安全狀態模塊評估的結果對不處于安全狀態的危險部位用規定的顏色在 GIS平臺的界面上顯示。
[0086]所述安全狀態評估模塊包括連接信號傳輸裝置的微處理器，所述微處理器將由信 號傳輸裝置傳送的位移數據進行計算得到兩個時間階段t之間的平均位移差，由于橋梁存 在熱脹冷縮現象因此先要對位移差進行補償，然后將平均位移差與規定位移差閾值進行比 較，判斷所述平均位移差是否處于安全狀態，并根據應變傳感器組件24h的監測數據進行計 算，得到應力幅譜，根據應力幅譜計算結構的剩余疲勞壽命，并將所述剩余疲勞壽命與結構 設計壽命進行比較，判斷所述剩余疲勞壽命是否處于安全狀態；
[0087] a、平均位移w(i)的計算公式為：
[0088]
[0089]其中，取0.5h為采樣時間間隔，max&min(1+t)為前一時間階段的位移數據中的極大 值和極小值之和，max&min(i+2t)為后一時間階段的位移數據中的極大值和極小值之和；
[0090] h、設臌胳賽翁為α _倏TF后的平均位移為：
[0091]
[0092] 其中，Ct1J2，…，αη為各建筑材料溫度膨脹系數，ai， a2，…，加為系數，T為選定時間 段內平均溫度，To為橋梁所在地年平均溫度。
[0093] c、所述壽命安全評估的判斷公式為：
[0094]
[0095]
[0096]
[0097]
[0098] 其中，〇b為結構疲勞極限，σχ為各監測點的熱點應力幅，k為疲勞曲線的斜率倒數， P1S在熱點應力幅下結構實際經歷的應力循環系數，Tb為結構設計疲勞壽命，在實際應用 中，會受橋梁過載影響，因此是動態變化的，且隨著過載天數的變化是一個非線性的過程，
A為初始結構設計疲勞壽命，dz表示橋梁總天數， dg表示橋梁過載天數；當A大于0，判定結構壽命處于安全狀態，當A小于或等于0時，輸出報 警信號。
[0099] 在此實施例中，通過各個模塊的構建連接，實現了結構動態健康的全自動化監測， 便于人員及早發現問題、解決問題;提出了用無線傳感器網絡進行橋梁健康結構監測，覆蓋 廣，實時性強;提出了疲勞壽命安全判斷公式，減少了計算的工作量，提高了監測裝置的工 作效率;提出了平均位移的計算公式，并且對平均位移進行了修正，采用平均位移與位移閾 值進行比較判斷，減少了計算的工作量;對應變傳感器進行溫度補償，提高了應變的測量精 度，進而提高了裝置的整體測量精度;利用GIS仿真平臺模擬橋梁結構的健康狀況，具有良 好的與用戶進行界面交互的效果;時間階段t = 32h，實現了橋梁結構動態健康的全自動化 監測，裝置的整體測量精度提高了 18%。
[0100] 實施例4:如圖1所示的一種橋梁動態健康實時監測裝置，該裝置包括監測模塊、數 據處理模塊、安全狀態評估模塊、預警報警模塊和仿真顯示模塊。
[0101] (1)監測模塊，包括對橋梁結構健康進行監測的無線傳感器網絡、用于監測橋梁各 危險部位的應變傳感器組件和位移傳感器，所述無線傳感器網絡全覆蓋對橋梁健康結構進 行監測，同時，網絡采用先進的物理信息融合系統，對橋梁健康結構的實時感知;所述位移 傳感器以用于監測危險部位位移變化的工作基點和用于校核工作基點穩定性的全局基準 點為基礎進行三維空間位移監測，所述橋梁的各危險部位、工作基點和全局基準點通過對 橋梁進行有限元模擬分析確定;所述應變傳感器組件包括參數性能及結構完全相同的工作 用應變傳感器和溫度補償用應變傳感器，所述工作用應變傳感器和溫度補償用應變傳感器 串聯后設置于結構的各個危險部位上；
[0102] (2)數據處理模塊，其包括采集中心站、對采集中心站收集到的數據進行調理放大 處理的信號調理器和對信號調理器處理的數據進行傳送的信號傳輸裝置；
[0103] (3)安全狀態評估模塊；
[0104] (4)預警報警模塊，其包括用于防止誤報警的分析處理器、報警器和信息記錄數據 庫，所述分析處理器的輸入端連接所述微處理器，分析處理器的輸出端連接所述報警器；
[0105] (5)仿真顯示模塊，包括與微處理器連接的三維GIS仿真平臺，所述三維GIS仿真平 臺對安全狀態評估模塊的評估結果進行仿真顯示，模擬橋梁結構的健康狀況，仿真步驟為：
[0106] a、利用有限元軟件進行橋梁的建模后導入GIS平臺，分別構建橋梁不同構件的模 型，在GIS平臺上調整各橋梁構件的空間位置；
[0107] b、通過不同的形狀符號在GIS平臺上模擬顯示橋梁各危險部位、應變傳感器組件 和位移傳感器；
[0108] c、根據安全狀態模塊評估的結果對不處于安全狀態的危險部位用規定的顏色在 GIS平臺的界面上顯示。
[0109]所述安全狀態評估模塊包括連接信號傳輸裝置的微處理器，所述微處理器將由信 號傳輸裝置傳送的位移數據進行計算得到兩個時間階段t之間的平均位移差，由于橋梁存 在熱脹冷縮現象因此先要對位移差進行補償，然后將平均位移差與規定位移差閾值進行比 較，判斷所述平均位移差是否處于安全狀態，并根據應變傳感器組件24h的監測數據進行計 算，得到應力幅譜，根據應力幅譜計算結構的剩余疲勞壽命，并將所述剩余疲勞壽命與結構 設計壽命進行比較，判斷所述剩余疲勞壽命是否處于安全狀態；
[0110]
[0111]
[0112] 其中，取0.5h為采樣時間間隔，max&min(i+t)為前一時間階段的位移數據中的極大 值和極小值之和，max&min( i+2t)為后一時間階段的位移數據中的極大值和極小值之和；
[0113] b、設膨脹系數為α，修正后的平均位移為：
[0114]
[0115] 其中，(^，(^，…，(^為各建筑材料溫度膨脹系數，^私…^為系數^為選定時間 段內平均溫度，To為橋梁所在地年平均溫度。
[0116] c、所述壽命安全評估的判斷公式為：
[0117]
[0118]
[0119]
[0120]
[0121 ]其中，Ob為結構疲勞極限，σχ為各監測點的熱點應力幅，k為疲勞曲線的斜率倒數， P1S在熱點應力幅下結構實際經歷的應力循環系數，Tb為結構設計疲勞壽命，在實際應用 中，會受橋梁過載影響，因此是動態變化的，且隨著過載天數的變化是一個非線性的過程，
Γα為初始結構設計疲勞壽命，dz表示橋梁總天數， dg表示橋梁過載天數；當A大于0，判定結構壽命處于安全狀態，當A小于或等于0時，輸出報 警信號。
[0122] 在此實施例中，通過各個模塊的構建連接，實現了結構動態健康的全自動化監測， 便于人員及早發現問題、解決問題;提出了用無線傳感器網絡進行橋梁健康結構監測，覆蓋 廣，實時性強;提出了疲勞壽命安全判斷公式，減少了計算的工作量，提高了監測裝置的工 作效率;提出了平均位移的計算公式，并且對平均位移進行了修正，采用平均位移與位移閾 值進行比較判斷，減少了計算的工作量;對應變傳感器進行溫度補償，提高了應變的測量精 度，進而提高了裝置的整體測量精度;利用GIS仿真平臺模擬橋梁結構的健康狀況，具有良 好的與用戶進行界面交互的效果;時間階段t = 36h，實現了橋梁結構動態健康的全自動化 監測，裝置的整體測量精度提高了20%。
[0123] 實施例5:如圖1所示的一種橋梁動態健康實時監測裝置，該裝置包括監測模塊、數 據處理模塊、安全狀態評估模塊、預警報警模塊和仿真顯示模塊。
[0124] (1)監測模塊，包括對橋梁結構健康進行監測的無線傳感器網絡、用于監測橋梁各 危險部位的應變傳感器組件和位移傳感器，所述無線傳感器網絡全覆蓋對橋梁健康結構進 行監測，同時，網絡采用先進的物理信息融合系統，對橋梁健康結構的實時感知;所述位移 傳感器以用于監測危險部位位移變化的工作基點和用于校核工作基點穩定性的全局基準 點為基礎進行三維空間位移監測，所述橋梁的各危險部位、工作基點和全局基準點通過對 橋梁進行有限元模擬分析確定;所述應變傳感器組件包括參數性能及結構完全相同的工作 用應變傳感器和溫度補償用應變傳感器，所述工作用應變傳感器和溫度補償用應變傳感器 串聯后設置于結構的各個危險部位上；
[0125] (2)數據處理模塊，其包括采集中心站、對采集中心站收集到的數據進行調理放大 處理的信號調理器和對信號調理器處理的數據進行傳送的信號傳輸裝置；
[0126] (3)安全狀態評估模塊；
[0127] (4)預警報警模塊，其包括用于防止誤報警的分析處理器、報警器和信息記錄數據 庫，所述分析處理器的輸入端連接所述微處理器，分析處理器的輸出端連接所述報警器；
[0128] (5)仿真顯示模塊，包括與微處理器連接的三維GIS仿真平臺，所述三維GIS仿真平 臺對安全狀態評估模塊的評估結果進行仿真顯示，模擬橋梁結構的健康狀況，仿真步驟為：
[0129] a、利用有限元軟件進行橋梁的建模后導入GIS平臺，分別構建橋梁不同構件的模 型，在GIS平臺上調整各橋梁構件的空間位置；
[0130] b、通過不同的形狀符號在GIS平臺上模擬顯示橋梁各危險部位、應變傳感器組件 和位移傳感器；
[0131] c、根據安全狀態模塊評估的結果對不處于安全狀態的危險部位用規定的顏色在 GIS平臺的界面上顯示。
[0132] 所述安全狀態評估模塊包括連接信號傳輸裝置的微處理器，所述微處理器將由信 號傳輸裝置傳送的位移數據進行計算得到兩個時間階段t之間的平均位移差，由于橋梁存 在熱脹冷縮現象因此先要對位移差進行補償，然后將平均位移差與規定位移差閾值進行比 較，判斷所述平均位移差是否處于安全狀態，并根據應變傳感器組件24h的監測數據進行計 算，得到應力幅譜，根據應力幅譜計算結構的剩余疲勞壽命，并將所述剩余疲勞壽命與結構 設計壽命進行比較，判斷所述剩余疲勞壽命是否處于安全狀態；
[0133] a、平均位移w⑴的計算公式為：
[0134]
[0135] 其中，取0.5h為采樣時間間隔，max&min(1+t)為前一時間階段的位移數據中的極大 值和極小值之和，max&min( i+2t)為后一時間階段的位移數據中的極大值和極小值之和；
[0136] b、設膨脹系數為α，修正后的平均位移為：
[0137]
[0138] 其中，(^，(^，…，知為各建筑材料溫度膨脹系數^^^…^為系數^為選定時間 段內平均溫度，To為橋梁所在地年平均溫度。
[0139] c、所述壽命安全評估的判斷公式為：
[0140]
[0141]
[0142]
[0143]
[0144]其中，Ob為結構疲勞極限，σχ為各監測點的熱點應力幅，k為疲勞曲線的斜率倒數， P1S在熱點應力幅下結構實際經歷的應力循環系數，Tb為結構設計疲勞壽命，在實際應用 中，會受橋梁過載影響，因此是動態變化的，且隨著過載天數的變化是一個非線性的過程，
Ta為初始結構設計疲勞壽命，dz表示橋梁總天數， dg表示橋梁過載天數；當A大于0，判定結構壽命處于安全狀態，當A小于或等于0時，輸出報 警信號。
[0145] 在此實施例中，通過各個模塊的構建連接，實現了結構動態健康的全自動化監測， 便于人員及早發現問題、解決問題;提出了用無線傳感器網絡進行橋梁健康結構監測，覆蓋 廣，實時性強;提出了疲勞壽命安全判斷公式，減少了計算的工作量，提高了監測裝置的工 作效率;提出了平均位移的計算公式，并且對平均位移進行了修正，采用平均位移與位移閾 值進行比較判斷，減少了計算的工作量;對應變傳感器進行溫度補償，提高了應變的測量精 度，進而提高了裝置的整體測量精度;利用GIS仿真平臺模擬橋梁結構的健康狀況，具有良 好的與用戶進行界面交互的效果;時間階段t = 40h，實現了橋梁結構動態健康的全自動化 監測，裝置的整體測量精度提高了 21%。
[0146] 最后應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對本發明保 護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發明作了詳細地說明，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實 質和范圍。
【主權項】
1. 一種橋梁動態健康實時監測裝置，用于對橋梁健康進行動態監測，其特征是，包括： (1) 監測模塊，包括對橋梁結構健康進行監測的無線傳感器網絡、用于監測橋梁各危險 部位的應變傳感器組件和位移傳感器，所述無線傳感器網絡全覆蓋對橋梁健康結構進行監 巧。，同時，網絡采用先進的物理信息融合系統，對橋梁健康結構的實時感知;所述位移傳感 器W用于監測危險部位位移變化的工作基點和用于校核工作基點穩定性的全局基準點為 基礎進行Ξ維空間位移監測，所述橋梁的各危險部位、工作基點和全局基準點通過對橋梁 進行有限元模擬分析確定;所述應變傳感器組件包括參數性能及結構完全相同的工作用應 變傳感器和溫度補償用應變傳感器，所述工作用應變傳感器和溫度補償用應變傳感器串聯 后設置于結構的各個危險部位上； (2) 數據處理模塊，其包括采集中屯、站、對采集中屯、站收集到的數據進行調理放大處理 的信號調理器和對信號調理器處理的數據進行傳送的信號傳輸裝置； (3) 安全狀態評估模塊，所述安全狀態評估模塊包括連接信號傳輸裝置的微處理器，所 述微處理器將由信號傳輸裝置傳送的位移數據進行計算得到兩個時間階段t之間的平均位 移差，由于橋梁存在熱脹冷縮現象因此先要對位移差進行補償，然后將平均位移差與規定 位移差闊值進行比較，判斷所述平均位移差是否處于安全狀態，并根據應變傳感器組件24h 的監測數據進行計算，得到應力幅譜，根據應力幅譜計算結構的剩余疲勞壽命，并將所述剩 余疲勞壽命與結構設計壽命進行比較，判斷所述剩余疲勞壽命是否處于安全狀態； a、 平均位移WW的計算公式為：其中，取0.化為采樣時間間隔，max&min(i+t)為前一時間階段的位移數據中的極大值和 極小值之和，max&min(i+2t)為后一時間階段的位移數據中的極大值和極小值之和； b、 設膨脹系數為α，修正后的平均位移為：其中，αι，曰2，…，an為各建筑材料溫度膨脹系數，曰1，曰2，…，an為系數，Τ為選定時間段內 平均溫度，To為橋梁所在地年平均溫度。 C、所述壽命安全評估的判斷公式為： 當〇x(i) >〇b時，其中，Ob為結構疲勞極限，Οχ為各監測點的熱點應力幅，k為疲勞曲線的斜率倒數，Pi為 在熱點應力幅下結構實際經歷的應力循環系數，Tb為結構設計疲勞壽命，在實際應用中，會 受橋梁過載影響，因此是動態變化的，且隨著過載天數的變化是一個非線性的過程，Τα為初始結構設計疲勞壽命，dz表示橋梁總天數， dg表示橋梁過載天數；當A大于0，判定結構壽命處于安全狀態，當A小于或等于0時，輸出報 警信號； (4) 預警報警模塊，其包括用于防止誤報警的分析處理器、報警器和信息記錄數據庫， 所述分析處理器的輸入端連接所述微處理器，分析處理器的輸出端連接所述報警器； (5) 仿真顯示模塊，包括與微處理器連接的Ξ維GIS仿真平臺，所述Ξ維GIS仿真平臺對 安全狀態評估模塊的評估結果進行仿真顯示，模擬橋梁結構的健康狀況，仿真步驟為： a、 利用有限元軟件進行橋梁的建模后導入GIS平臺，分別構建橋梁不同構件的模型，在 GIS平臺上調整各橋梁構件的空間位置； b、 通過不同的形狀符號在GIS平臺上模擬顯示橋梁各危險部位、應變傳感器組件和位 移傳感器； C、根據安全狀態模塊評估的結果對不處于安全狀態的危險部位用規定的顏色在GIS平 臺的界面上顯示。
【文檔編號】G01B21/02GK105841661SQ201610165698
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月22日
【發明人】韋醒妃
【申請人】韋醒妃