基於地脈動測量的橋墩衝刷監測系統及監測方法
2023-10-06 16:17:29 4
基於地脈動測量的橋墩衝刷監測系統及監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於地脈動測量的橋墩衝刷監測系統，包括固定式地脈動儀探頭，安裝在橋墩頂端；導軌，豎向安裝在橋墩迎水面上且具有位於水面以下的部分；移動式地脈動儀探頭，沿導軌上下移動；地脈動儀主機，接收固定式地脈動儀探頭和移動式地脈動儀探頭檢測到的地脈動信息；數據處理系統，將地脈動信息處理成橋墩衝刷深度並對橋墩衝刷預警。以地脈動儀監測的地脈動信息經數據處理系統處理成橋墩衝刷深度並對橋梁進行預警，準確度高、服役周期長。本發明還公開了一種基於地脈動測量的監測方法，本方法基於地脈動信息計算橋墩衝刷深度，計算結果精準、可靠。
【專利說明】基於地脈動測量的橋墩衝刷監測系統及監測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種橋梁安全監測領域，特別涉及一種基於地脈動測量的橋墩衝刷監 測系統及監測方法。
【背景技術】
[0002] 隨著水文現象的變化，橋梁衝刷對橋梁的破壞呈現突發性和偶然性，極易造成危 及生命財產的破壞，橋梁服役期間的衝刷分析需要依靠測試手段。
[0003]傳統的橋梁衝刷深度測量主要依靠人工檢測，但水上作業嚴重威脅著檢測人員的 生命安全，且測量的準確性通常依賴檢測人員的操作經驗。近二十年以來，橋梁衝刷監測逐 漸受到國內外研究人員和學者的重視，目前正在使用和逐漸發展的衝刷監測方法大致有聲 吶、雷達、超聲波等檢測方法，及電磁波時域反射（TimeDomainReflectometry,TDR)、光纖 光柵等在線監測方法。聲吶、雷達可確定泥沙淤積和衝刷的深度，探測裝置較易安裝，一般 用於洪水過後的衝刷檢查，但聲吶和雷達的信號質量非常容易受泥沙顆粒或者水草等物的 影響，在洪水期間，水流中含有大量泥沙和其他懸濁物時，監測的信號嚴重衰減，測量準確 性大大降低，對於超聲波存在同樣的缺點；另一方面，因聲吶和雷達信號的測試、編譯非常 複雜，需要熟練的專業操作人員。TDR應用於橋梁衝刷監測時，通過衝刷導致相應部位的電 纜變形甚至破壞，從而感知衝刷，但容易造成信號失真，影響測量結果，另外，將光纖光柵與 特定的懸臂梁或其他杆件組合，布置在橋墩附近的河床，光纖光柵雖然直接或者間接地感 知泥沙衝刷引起的土壓力變化，但這種方法難以在惡劣服役環境下操作，並在定量方面存 在困難。水下浮標和磁性定位環等作為一種衝刷監測技術，由於其監測到相應位置的衝刷 後即告失效，缺乏一個長期有效、主動的服役周期。
[0004]針對上述之不足，有必要研究一種測量準確度高、服役周期長的可在線監測橋墩 衝刷的監測系統及方法。
【發明內容】
[0005] 為克服上述監測方法和系統所存在的問題，本發明要解決的技術問題在於提供一 種測量準確度高、在惡劣條件下服役周期時間長的基於地脈動測量的橋墩衝刷監測系統。
[0006] 與其相應，本發明另一個要解決的技術問題是應用上述監測系統進行精準測量、 監控橋墩衝刷的方法。
[0007] 就監測系統而言，包括
[0008] -固定式地脈動儀探頭，安裝在橋墩頂端；
[0009]-導軌，堅向安裝在橋墩的迎水面上且具有位於水面以下的部分；
[0010]-移動式地脈動儀探頭，沿導軌上下移動；
[0011]-地脈動儀主機，接收固定式地脈動儀探頭和移動式地脈動儀探頭檢測到的地脈 動信息；
[0012]-數據處理系統,該地脈動信息處理成橋墩衝刷深度並對橋墩衝刷預警。
[0013] 隨著地脈動儀的日益發展，基於地脈動微震監測信息的安全評價開始受到有關研 究人員的重視，並已應用在地基場地自振頻率等建築物構築物的動力特性監測中。地脈動 測試儀具有布設方便、測量簡便、不需要人工激振、可在橋梁工程運營的同時進行監測、不 影響交通等優點，是一項具有巨大前景的測試技術。本發明通過地脈動儀監測的地脈動信 息經數據處理系統處理成橋墩衝刷深度並對橋梁進行預警，準確度高、服役周期長。
[0014]進一步的，所述固定式地脈動儀探頭和移動式地脈動儀探頭均設有有源射頻識別 標籤，所述地脈動儀主機連接有與有源射頻識別標籤相應的射頻識別閱讀器。
[0015] 射頻識別，RFID(RadioFrequencyIdentification)技術，又稱無線射頻識別，是 一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標並讀寫相關數據，而無需識別系統與特定 目標之間建立機械或光學接觸。射頻識別系統最重要的優點是非接觸識別，它能穿透雪、 霧、冰、塗料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環境閱讀標籤，並且閱讀速度極快，大多數情況 下不到100毫秒。有源式射頻識別系統的速寫能力也是重要的優點。可用於流程跟蹤和維 修跟蹤等交互式業務。射頻識別包括射頻識別標籤和射頻識別閱讀器。射頻標籤：每個標 籤具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象，按照預設的規則周期性的進行信號 發射。閱讀器是對標籤進行讀/寫操作的設備，主要包括射頻模塊和數位訊號處理單元兩 部分，當射頻識別標籤的信號進入閱讀器的作用區域，閱讀器獲取到標籤發射出來的信息， 即完成了對標籤的識別過程。
[0016]本發明採用有源射頻識別標籤將地脈動儀探頭的測量信息傳輸至射頻識別閱讀 器由其接收，再由射頻識別閱讀器傳輸至地脈動儀主機，相比地脈動儀探頭與地脈動儀主 機間採用電纜連接，採用有源射頻識別標籤和射頻識別閱讀器可以實現遠距離無線傳輸， 信號不失真，而且可以滿足水下惡劣條件下傳輸信息的需求。
[0017]進一步的，所述固定式地脈動儀探頭和移動式地脈動儀探頭均設有震動式充電電 池。
[0018]有源射頻識別標籤需要電源為其供電，本發明以震動式充電電池作為有源識別標 籤的電源，其優點是：震動式充電電池可以依靠交通荷載、水流衝擊等不間斷的環境震動 (即地脈動）為電池本身進行充電，特別是在橋墩受到衝刷時可以對震動式充電電池進行 充電，使有源識別標籤使用周期更長。
[0019]進一步的，還包括無線通訊模塊，將地脈動儀主機的地脈動信息無線傳輸給數據 處理系統。通過無線通訊模塊提高數據傳輸便利性。
[0020] 就監測方法而言，包括如下步驟：
[0021] SI)固定式地脈動儀探頭所在橋墩頂端，設為第0測點，測量橋墩支座下部在車 輛荷載、輪船撞擊和水流衝擊作用下的地脈動信息Ftci(Oi)和響應幅值譜在Coi處的幅值 Gtl(Oi),其中Oi為橋墩結構體系的第i階固有頻率；
[0022] S2)將整個橋墩沿高度分為η段，分別設η個測點，通過移動式地脈動測試儀探頭 在導軌上移動測量橋墩沿高度方向的第j測點（j= 1，···，!〇的地脈動信息Fu(Coi)和響 應幅值譜在的幅值(^(COi);
[0023]S3)計算頻響函數向量：
【權利要求】
1. 一種基於地脈動測量的橋墩衝刷監測系統，其特徵在於：包括： 固定式地脈動儀探頭（5)，安裝在橋墩（1)頂端； 導軌（3)，堅向安裝在橋墩（1)的迎水面上且具有位於水面以下的部分； 移動式地脈動儀探頭￠)，沿導軌（3)上下移動； 地脈動儀主機（11)，接收固定式地脈動儀探頭（5)和移動式地脈動儀探頭（6)檢測到 的地脈動信息； 數據處理系統（13)，該地脈動信息處理成橋墩衝刷深度並對橋墩衝刷預警。
2. 根據權利要求1所述的基於地脈動測量的橋墩衝刷監測系統，其特徵在於：所述固 定式地脈動儀探頭（5)和移動式地脈動儀探頭（5)均設有有源射頻識別標籤（9)，所述地脈 動儀主機（11)連接有與有源射頻識別標籤（9)相應的射頻識別閱讀器（10)。
3. 根據權利要求2所述的基於地脈動測量的橋墩衝刷監測系統，其特徵在於：所述固 定式地脈動儀探頭（5)和移動式地脈動儀探頭（5)均設有震動式充電電池（7)。
4. 根據權利要求3所述的基於地脈動測量的橋墩衝刷監測系統，其特徵在於：還包括 無線通訊模塊（12)，將地脈動儀主機（11)的地脈動信息無線傳輸給數據處理系統（13)。
5. 根據權利要求1所述的基於地脈動測量的橋墩衝刷監測方法，其特徵在於：包括如 下步驟： 51) 固定式地脈動儀探頭所在橋墩（1)頂端，設為第0測點，測量橋墩頂端在車輛荷載、 輪船撞擊和水流衝擊作用下的地脈動信息Fttl (ωD和響應幅值譜在ωi處的幅值Gtl (ω^， 其中Coi為橋墩結構體系的第i階固有頻率； 52) 將整個橋墩沿高度分為η段，分別設η個測點，通過移動式地脈動測試儀探頭在導 軌上移動測量橋墩沿高度方向的第j測點（j= 1，···，!〇的地脈動信息Fu(Coi)和響應幅 值譜在％處的幅值Gj (Coi); 53) 計算頻響函數向量：
式中，ΦΜ，φπ，…，φη?為橋墩結構體系的第i階模態；φρ?為橋墩結構體系的第i階 模態的第P個廣義坐標；ξi為第i階模態阻尼，ki為第i階模態剛度； 54) 將式⑴進行轉換，消去ξρΦρ?和I可得：
式中，各測點響應幅值譜的幅值(ωJ為各測點響應信號自功率譜密度與〇測點自功 率譜密度比值的平方根； 55) 根據各測點響應譜與第O測點的響應譜的峰值頻率判斷固有頻率Coi ; 56) 對橋墩結構體系建立多自由度的模型，根據固有頻率Coi和工作模態，通過迭代計 算橋墩或樁基的嵌固深度，通過嵌固深度的變化計算橋墩的衝刷深度hs。，根據衝刷深度hs。 與極限衝刷深度hsdim對比，進行橋墩衝刷預警。
【文檔編號】G01B17/00GK104457634SQ201410827169
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月25日 優先權日:2014年12月25日
【發明者】江勝華, 呂高, 江文華, 李偉清, 汪時機 申請人:西南大學