（计算机应用技术专业论文）桥梁挠度线形快速测量系统研发.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 1 1 111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 11 1 1 1 1 1 l y 19 0 2 12 7 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：磺逝日期：加f 1 年4 月，日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：1 同盘 日期：加f f 年4 月fs 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：1 氨盘 日期：加f 年年月，se 1 、 桥梁是交通关键枢纽，是国 重要的作用。随着各种结构新、 监测和桥梁安全评估受到了广泛 是评价桥梁安全性的重要指标， 围。 桥梁挠度线形( 即桥梁在竖直方向上的弯曲曲线) 经常应用在新桥验收、现 有桥梁的维护、例行检测等测量上。目前大多数测量桥梁挠度线形的方法是先测 量离散点的挠度，再对测量数据进行拟合，拟合的平滑度与测量点的数量直接相 关。在现有挠度测量技术中，对一座桥梁的挠度测量限于测量时间的限制和操作 的方便性，一般只对少数点进行测量，然后进行粗糙拟合，不能很好的重现桥梁 的连续挠度线形。因此，设计出桥梁挠度线形快速测量系统，具有重要的理论意 义和实用价值。 本文提出一种基于倾角传感器设计的桥梁挠度快速测量系统，其操作过程为： 利用位移传感器控制测点的间距，使用倾角传感器采集每个测点处的倾角，计算 得到挠度数据，使用修正梯度均值滤波算法处理后重绘桥梁线形。本文详细阐述 了该系统的设计方案和测量原理，提出了修正梯度均值滤波算法并对测量数据进 行处理，详细介绍了本系统的系统开发流程，包括倾角传感器测量装置及各模块 的电路设计、滤波算法设计及改进、上层软件系统架构，最后对本系统进行调试 及实验。通过实验室测试( 静态实验及回归实验) 验证了系统的可行性及准确性， 最后将本系统应用到实际桥梁的挠度线形测量中，取得了较好的工程实用效果， 验证了系统的实用性。该系统不仅适用于桥梁挠度线形的快速测量与重现，也适 合于地面、道路沉降的快速测量。系统测量挠度、重现挠度线形的原理简单，不 需要固定安装在桥梁上，设备简单，易于实现，性价比高，操作方便，具有很强 的工程实用价值。 关键词：桥梁；挠度线形；倾角传感器；位移传感器；滤波 、 a b s t r a c t b r i d g e sa r et h ek e yt r a n s p o r th u b s ，t h ec o u n t r i e s c r i t i c a li n f r a s t r u c t u r e sa n d p l a y i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nm o d e mt r a n s p o r t a t i o n s b r i d g eh e a l t h m o n i t o r i n g ( b h m ) i sac r u c i a ll i n kf o rs a f e t yo p e r a t i o nw i t ht h ee m e r g e n c eo ft h e b r i d g e sw h i c ha r en e ws t r u c t u r e ，l o n gs p a n ，c o m p l e xa r c h i t e c t u r e ，e t c b r i d g ed e f l e c t i o n i sak e yf a c t o rf o rb r i d g ec o n d i t i o n sd e t e c t i o n ，a n da ni m p o r t a n ti n d i c a t o rf o rb r i d g e s a f e t ye v a l u a t i o n ，w h i c hc a nr e f l e c tw h e t h e rt h ed e f o r m a t i o no ft h eb r i d g ei sb e y o n di t s e f f e c t i v es a f er a n g e d e f l e c t i o nc u r v e ，i e t h ed e f l e c t e ds h a p eo ft h eb r i d g ei nt h ev e r t i c a l d i r e c t i o n ，i s u s u a l l ym e a s u r e di nn e w - b u i l tb r i d g e s a c c e p t a n c e ，e x i s t i n gb r i d g e s m a i n t e n a n c e ，a n d r o u t i n ei n s p e c t i o n s t h em a j o r i t yo ft h ee x i s t i n gm e t h o d sf o rm e a s u r i n gd e f l e c t i o n c u r v e so fb r i d g e sa r ep e r f o r m e db yc o l l e c t i n ga n df i t t i n gt h ed e f l e c t i o nd a t aa tj u s taf e w d i s c r e t ep o i n t sa l o n gt h eb r i d g e s ，r e s p e c t i v e l y t h es m o o t h n e s so ft h ed e f l e c t e dc u r v e s o fb r i d g e si sr e l a t e dd i r e c t l yt ot h eq u a n t i t yo ft h em e a s u r e dp o i n t s g e n e r a l l y , t h e e x i s t i n gd e f l e c t i o n m e a s u r i n gt e c h n o l o g i e sh a v eb e e ni m p l e m e n t e dm o s t l ya taf e w d i s c r e t ep o i n t sd u et ot h el i m i t a t i o n so ft h em e a s u r i n gt i m ea n d o p e r a t i n gc o n v e n i e n c e s ， f u r t h e r m o r e ，t h ec o n t i n u o u sd e f l e c t i o nc u r v e sc o u l d n tb e r e p r o d u c e ds m o o t h l y t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt od e s i g nan o v e ls y s t e mf o rm e a s u r i n gd e f l e c t i o nc u r v eo f b r i d g e sf a s t ，c o n t i n u o u s l y , a n ds m o o t h l y t h i s p a p e rp r e s e n t s af a s tm e a s u r e m e n t s y s t e mo fb r i d g ed e f l e c t i o n c u r v e r e p r o d u c t i o ns y s t e mb a s e do ni n c l i n o m e t e r , w h i c hc a nr e c o n s t r u c tt h ed e f l e c t e ds h a p e s o fb r i d g e s d i r e c t l y t h eo p e r a t i o no ft h es y s t e mi sp e r f o r m e db yu t i l i z i n gt h e d i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e rt od e t e r m i n et h em e a s u r i n gi n t e r v a l s ，u s i n gi n c l i n o m e t e rt o c o l l e c tt h ea n g l e so ft h em e a s u r e dp o i n t s ，c a l c u l a t i n gt h ed e f l e c t i o nv a l u e s ，f u r t h e r a p p l y i n gt h em o d i f i e dg r a d i e n tm e a nf i l t e r i n ga l g o r i t h mt of i l t e rt h ed e f l e c t i o nd a t a ，a n d f i n a l l yr e p r o d u c i n gt h ed e f l e c t i o nc u r v e so fb r i d g e s i nt h i ss t u d y , t h ed e s i g ns c h e m e a n dm e a s u r i n gp r i n c i p l eo ft h es y s t e ma r ed e v e l o p e ds e p a r a t e l y ；t h ep r o c e d u r eo ft h e m o d i f i e dg r a d i e n tm e a nf i l t e r i n ga l g o r i t h m ，u s e dt op r o c e s st h ed e f l e c t i o nd a t ad u et o t h e i n e s c a p a b l ei n t e r f e r e n c ed u r i n gm e a s u r e m e n t ，i sd e s c r i b e d ；t h ed e v e l o p m e n t p r o c e s s e so ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h em e a s u r i n ge q u i p m e n t ，c i r c u i td e s i g n sa n d s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，a r ed e s c r i b e dd e t a i l e d t h es y s t e mc a nb ep r e c i s ea n dr e l i a b l et o 、 m e a s u r et h ec u r v e t h es y s t e mm a yb e a d v a n t a g e o u sf e a t u r e s ：s i m p l ee q u i p m e n t ， o p e r a t i o n ，h i g ha v a i l a b i l i t y , e t c a p p l i e dg r a d u a l l yw i d e l yb e c a u s eo ft h e e a s yt or e a l i z e ，c o s t - e f f e c t i v e ，c o n v e n i e n t k e yw o r d s ：b r i d g e ；d e f l e c t i o nc u r v e ；i n c l i n o m e t e r ；t r a n s d u c e r ；f i l t e r i n g 第一章绪论 1 1 桥梁挠度测量的重要性 1 2 国内外研究现状 1 3 研究目的和意义 1 4 研究的主要内容及创新 1 5 本章小结7 第二章系统测量原理与设计方案9 2 1 系统测量原理9 2 1 1 传统倾角仪挠度测量原理9 2 1 2 本系统测量原理1 0 2 2 系统设计方案1 l 2 2 1 位移测量装置方案1 2 2 2 2 倾角测量装置方案1 4 2 2 3 上位机软件设计方案1 6 2 3 本章小结1 7 第三章挠度线形快速测量系统开发1 8 3 1 硬件系统开发1 8 3 1 1 倾角传感器模块1 8 3 1 2 滤波电路模块1 9 3 1 3a d 模块2 0 3 1 4 控制芯片与电源模块2 1 3 1 5 串口模块2 1 3 1 6 防雷击电路2 2 3 1 7 单片机软件开发：2 2 3 2 上层软件开发2 4 3 2 1 开发环境2 4 3 2 2 串口通讯2 5 3 2 3 数据采集器2 6 3 2 4 设备控制器2 7 3 2 5 数据处理器2 9 3 2 6 数据持久化模块2 9 3 2 7 人机交互界面3 0 3 3 本章小结3 l 第四章系统调试与实验3 2 4 1 硬件调试3 2 4 2 软件调试3 3 4 2 1 数据传输调试3 3 4 2 2 数据库连接调试3 3 4 2 3e x c e l 导出调试3 4 4 3 校正实验3 6 4 3 1 零点校正3 6 4 3 2 温度校正3 6 4 4 系统综合实验3 7 4 5 本章小结3 8 第五章滤波算法分析与设计3 9 5 1 常用数字滤波算法3 9 5 1 1 算术平均值滤波法3 9 5 1 2 加权平均值滤波法4 0 5 1 3 递推平均值滤波法4 0 5 i 4 中位值滤波法4 1 5 1 5 中位值平均滤波法4 1 5 1 6 程序判断滤波法4 1 5 2 梯度均值滤波算法及改进4 2 5 2 1 梯度均值滤波法：4 2 5 2 2 修正的梯度均值滤波法4 4 5 3 本文所采用的滤波算法及效果4 4 5 3 1 倾角测量与中位值平均滤波4 4 5 3 2 限幅平均滤波法4 5 5 3 3 修正梯度均值滤 5 4 本章小结 第六章实验验证与工程测 6 1 实验验证 6 1 1 静态实验验证 6 1 2 回归实验 6 2 工程测量 6 2 1 工程简介5 2 6 2 2 数据测量与处理5 2 6 3 本章小结5 7 第七章总结与展望5 8 7 1 总结5 8 7 2 未来工作展望5 8 致谢6 0 参考文献6 1 在学期间发表的论著及取得的科研成果6 4 第一章 第一章绪论 1 1 桥梁挠度测量的重要性 桥梁是国家的重要基础设施之一，作为国民经济大动脉交通的关键枢纽 和控制节点，在现代交通中发挥着越来越重要的作用i l 2 】。近几十年来，由于设计、 施工、养护技术手段不足等原因，导致世界范围内桥梁灾难性事故的频发。其中 世界上最具代表性的有：美国的t o k o m a 悬索桥、英国的y u y s - - y g w a s 拱桥、韩国 汉城中央大桥等，这些灾难性事故造成了巨大的财产损失和人员伤亡，社会影响 极大。因此，如何对已投入运营的为国计民生服务的桥梁安全使用状态进行有效 监控，确保人民生命和国家财产安全，是当今桥梁界应用和研究的一个热点方向。 伴随着美国“数字化地球、数字化国家以及数字化城市”理念的诞生，欧、美、 日等技术经济发达国家在核心的国家基础设施( 如大坝、核电站、桥梁、石油管 道、高层建筑等大型构造物) 上，利用飞速发展的信息化技术建立了高效的监管 平台，服务于社会。就国内现状而言，相对大坝等领域，国内大型桥梁信息化、 数字化监管技术，作为2 l 世纪新兴的桥梁技术研究延伸探索领域，只是处于一种 萌芽状态，经验尚不足。而国内原有桥梁常规的监管方式和手段已被这些年来的 实践证明是落后的，不能较好地满足现代化大型桥梁管养的实际需求【3 】。诸如四川1 小南门桥、重庆綦江彩虹桥、辽宁盘锦大桥、江苏武进桥的坍塌，海印大桥、济 南黄河桥、珠海淇澳大桥的拉索锈蚀突发断裂等一系列桥梁灾害，正是因为“只 建不养或养护管理不到位、不得法现状的真实印证，造成很大的资源浪费和不 良的社会效应。因此，在科学技术日新月异的今天，利用日益发展的桥梁计算分 析技术、信息技术以及损伤分析识别等综合技术，为桥梁结构建立运营安全监测 系统，科学管养、掌控桥梁的安全使用状态，避免灾难性事故的发生，显得愈加 迫切与必要【4 书】。 桥梁的健康监测内容广泛全面，影响因素很多，在众多影响桥梁健康安全的 因素中，桥梁挠度监测是一个非常重要的指标，它直接反映桥梁结构形变是否超 出危险范围，是评价桥梁运营的关键。弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向 的线位移称为挠度，按桥梁的挠度的产生原因可将其分为恒载挠度和活载挠度。 恒载挠度是恒久存在的，其产生的挠度与持续时间相关，恒载挠度可分为短期挠 度和长期挠度；活载挠度则是临时出现的，随着活载的移动，挠度也会随之发生 变化。恒载挠度并不表征桥梁结构的刚度特性，它可以通过施工时预设的反向挠 度或预拱度来加以抵消，而活载挠度会使桥梁反复变形，并引起冲击和振动作用， 2 第一章绪论 并影响行车，因此活载挠度可体现桥梁结构刚性度【啦! 3 】。 很多大跨度预应力混凝土梁桥虽然在设计中设有足够的预拱度，但是在建成 通车运营一段时间后，跨中却出现了不同程度的下挠，如：1 9 9 2 年修建的三门峡 黄河公路大桥，其主桥为六跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为 1 0 5 m + 4 x 1 4 0 m + 1 0 5 m 。2 0 0 2 年6 月检查发现，跨中区域下挠最大量已达到2 2 c m 。 1 9 9 4 年建成通车的广一东南海金沙大桥主桥，是三跨预应力混凝土连续刚构桥， 跨径布置为6 6 m + 1 2 0 m + 6 6 m 。2 0 0 0 年底检查发现，主跨跨中挠度达2 2 c m 。1 9 9 5 年建成通车的黄石大桥，是五跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置 为：1 6 2 5 m + 3 x 2 4 5 m + 1 6 2 5 m 。经过7 年，检查发现大桥北岸次边跨2 舟墩和3 静墩之 间主梁跨中下挠已达3 0 c m ，中跨3 撑墩和甜墩之间主梁跨中下挠己达2 1 c m ，南岸 次边跨错墩和5 撑墩之间主梁跨中下挠己达2 2 6 c m 。1 9 9 7 年建成通车的广东虎门 大桥辅航道桥，桥梁设计和施工被行内人士普遍叫好的桥梁，但是经过7 年对桥 梁检查发现，由于混凝土收缩徐变等因素影响下，该桥左幅桥跨中下挠达2 2 2 c m ， 右幅桥跨中累计下挠达2 0 7 c m 。近来对汾江大桥、潭州大桥、九江大桥等检查发 现，这些桥梁跨中呈现“快速一缓和一加速”的发展特点。对比发现：跨中越大， 下挠也越大，而且下挠有进一步加大情况发生【1 4 】。在国外，英国1 9 7 0 年建成通车 的k i n g s t o n 桥是一座跨度为6 2 5 m + 1 4 3 3 m + 6 2 5 m 的预应力混凝土箱梁桥。建成后 跨中挠度缓慢加大，经过1 9 年的观测发现，至1 9 9 8 年跨中下挠已经超过3 0 c m 。 美国1 9 7 9 年建成通车的鹦鹉渡口桥( p a r r o t t s f e r r y b r i d g e ) ，跨径布置为9 9 m 十 1 9 5 m + 9 9 m 。为了减少桥梁下挠，设计者对桥梁上部结构采用轻质混凝土，但是该 桥在使用1 2 年后，主跨跨中下挠也达到了6 3 c m i ”。1 引。 从以上分析可清楚得知，桥梁挠度线形对桥梁结构与桥梁监测而言是一个非 常重要的数据，它直接反映桥梁结构的竖向整体刚度，是桥梁安全性评价的一项 重要指标。 1 2 国内外研究现状 美国在2 0 世纪8 0 年代中后期，开始在多座桥梁上布设监测传感器，如佛罗里 达州的s u n s h i n es k y w a y 斜拉桥安装7 5 0 0 多个各类传感器，用来测量桥梁建设过程 中和建成后桥梁的温度、应变及位移。英国在2 0 世纪8 0 年代后期，开始研制和安 装大型桥梁的检测仪器和设备，研究和比较了多种长期监测系统的方案，并在爱 尔兰f o y l e 钢箱梁桥安装了监测系统。该系统的主要监测项目包括主梁挠度、气象 数据、温度、应变等，试图探索一套有效的、可广泛应用于类似结构的监测系统。 希腊的h a l k i s 桥于1 9 9 4 年安装了有4 8 个通道的振动加速度传感器的测振系统。丹麦 第一章绪论 3 曾对总长17 2 61 t i 的f a r o e 跨海斜拉桥进行施工阶段及通车首年的监测；在大带桥 ( g r e a tb e l tb r i d g e ) 的结构安全监测系统中，安装了近2 0 0 个各类传感器对桥梁结构 的温度分布、结构沉降、位移、挠度、振动等进行监测。英国的f l i n t s h i r e 独塔斜拉 桥、美国的b e n i e i a - - m a r t i n e z 钢桁架桥、挪威的s k a r m s u n d e t 斜拉桥、墨西哥的 t a m p i e o 斜拉桥、加拿大的c o n f e d e r a t i o n 连续钢构桥等也安装了不同规模的结构安 全监测系统。在亚洲，日本的明石海峡大桥、濑户内海大桥、柜石岛桥主要安装 了风速仪、加速度传感器、g p s 、位移计等，对于桥梁结构的气候环境、振动、挠 度、结构沉降等进行监测l 引。 我国国内目前已在包括江阴长江大桥、南京长江二桥、润扬长江大桥、郑州 黄河大桥、钱江四桥、芜湖长江大桥、苏通大桥、阳逻长江大桥、贵州坝陵河大 桥、杭州湾跨海大桥、深圳西部通道等众多桥梁在内的大跨径桥梁上建立了不同 规模的健康监测系统。另外，中国香港青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥上已安 装了目前世界上规模最大的实时安全监测系统，3 座桥梁共安装了8 0 0 多个各类传 感器，对桥梁在各种荷载作用下的结构状况、环境状况进行全面的监测，并对监 测数据进行分析处理。而包含大约1 2 7 1 个各类传感器的昂船洲大桥结构健康监测 系统是世界上最具规模的大桥实时监测系统【3 1 。 纵观国内外桥梁监测，目前对桥梁挠度测量主要有以下方法：百分表或者千 分表法、精密水准仪法、全站仪法、g p s 法和激光图像法等等【r 卜1 8 】。根据国内外桥 梁挠度位移测量研究情况，这些测量方法可以归纳为两大类：静态挠度与动态挠 度测量技术。 静态挠度测量主要是在桥梁无荷载的情况下，在一定的固定周期内，采用一 些测量仪器并辅助以相应的挠度算法，再结合往年的历史数据以及测试人员的知 识与经验，得出桥梁的挠度。目前常用的静态挠度测量方法有悬锤法、水准仪直 接测量法、水准仪逐点测量法、g p s 、连通管传感技术等方法【1 卜2 倒。 ( 1 ) 悬锤法：在桥下或者在桥面上设置带尾叉的圆钢筋，悬挂一个重锤，在 重锤尖所对应地点设置一个固定标志，以此来测量倾斜的方位和距离，以及计算 倾角的变化l l8 。悬锤法由于设备简单、操作方便、费用低廉，所以在桥梁挠度测 量中被广泛采用。但此方法要求在测量现场有静止的基准点，所以一般只适用于 干河床情形；而且，利用悬锤法只能测量某些观测点的静挠度( 一般只测跨中的 静挠度) ，无法实现动态的桥梁挠度检测，也难以给出其他非测点的静挠度值。 ( 2 ) 水准仪直接测量法：水准仪直接测量法采用水准仪( 或经纬仪) 和标尺， 根据加载前后设置在跨中的标尺读数差得到跨中的静挠度【1 8 l 。该方法难以在桥墩 上空问很小的公路桥梁上进行挠度测量。 ( 3 ) 水准仪逐点测量法：水准仪逐点测量法是用高精度水准仪和铟钢塔尺在 4第一章绪论 桥面上沿桥梁轴线对桁架各节点( 或桥面) 进行逐点水准测量【l 引。此方法只能测 量桥梁静挠度曲线，精度较高。但采用该方法测量封桥时间长，效率较低。 ( 4 ) g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) ：图1 1 为g p s 桥梁挠度测量原理图，其基本 原理是：用一台接收机( 基准站) 安在参考点( 岸基) 上固定不动，另一台接收 机( 移动站) 设在桥梁变形较大的点，两台接收机同步观测4 颗及以上的卫星，以确 定变形点相对岸基的位置，实时获取变形点相对参考点的位置，可直接反映出被 测点的空间位置变化，从而得到桥梁结构的挠度值【2 4 j 。g p s 作为新一代卫星导航 与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且 具有良好的抗干扰性和保密性。但存在着精度低、受天气环境影响较大。 接 ( 基 图1 1g p s 测量桥梁挠度原理 f i g 1 1d e f l e c t i o n - m e a s u r i n gp r i n c i p l eb a s e do i lg p s ( 5 ) 连通管传感技术：连通管挠度测量原理图如图1 2 所示，将一个面积相对 较大的容器放置在桥墩固定不变的位置上，连通管固定在桥体侧壁上，液位在玻 璃管内的上升量就是该点的结构下沉量( 挠度值) ，通过读取有刻度玻璃管中液 位的变化值，就得到了桥梁在该点的挠度值。由于连通管法采用全封闭式，因此 其具有不受结构多方位变形及天气影响。利用基于连通管原理的液位传感器测量 桥梁挠度，其测量精度可达到毫米级，且不受天气环境影响，还可方便地增加或 减少监控点，适合于各种桥梁的挠度监测陋j 。但该方法安装困难，且不易于维护。 n 翘羹薹 ：j i 主 k ：k 。 图1 2 连通管挠度测量原理 f i g 1 2d e f l e c t i o n - m e a s u r i n gp r i n c i p l eb a s e do nc o n n e c t i n gp i p e 动态挠度测量，则是将测量仪器直接安放在桥面上或者桥下面，以便随时的 第一章绪论 5 获取监测数据，达到动态实时监测的目的。这种方式可以在桥梁有荷载与无荷载 的情况下同时获得桥梁的静挠度与动挠度，主要方法有：测量机器人( 自动全站 仪) 、激光图像、光电成像、倾角仪等基于传感技术的挠度监测方法。 ( 1 ) 测量机器人( 自动全站仪) 挠度测量技术：测量机器人对单个测点定位 的简化数学模型如图1 3 所示，图中，坐标系以测量机器人为坐标原点，垂直桥梁 轴线为时由，平行于桥梁轴线为y 车由，垂直桥面向上为z 轴。利用机器人测量挠度获 取的主要目标点是在z 轴方向上的变化量，a z 反映的就是桥梁挠度变化大小。高度 的智能化、很快的测量速度、大量程和很高的测量精度是测量机器人独一无二的 特点，可用于各种桥梁的挠度测量【2 3 1 。但该方法价格昂贵，安装使用不便。 图1 3 测量机器人空间定位 f i g 1 3s p a c eo r i e n t a t i o no fg e o r o b o t ( 2 ) 激光图像挠度测量技术：激光图像挠度测量系统原理图如图1 4 所示。利 用激光良好的方向性，固定在桥梁被测点的激光器随着桥梁不同程度的变形，照 射在光电接收器上的激光光斑中心也随之发生等量变化，因此只要获取光斑中心 位置就可得到桥梁挠度【2 川。但该方法存在着安装不便，且精度受天气环境影响。 图1 4 激光图像挠度测量系统原理 f i g 1 4d e f l e c t i o n - m e a s u r i n gp r i n c i p l eb a s e do nl a s e ri m a g e ( 3 ) 倾角仪挠度测量技术：倾角仪是在回转摆上利用电容传感技术和无源伺 服技术构成的高灵敏度抗振动干扰的倾角测量仪器，倾角仪的电压输出与所处平 面的转角大小成正比。其测量原理如图1 5 所示，若将倾角仪所在平面处于水平位 6 第一章绪论 置时，则倾角仪测得的倾角0 = 0 ，如图1 5 0 ) 所示；当倾角仪所在平面发生t o 的倾 斜，此时倾角仪测得的倾角为0 ，如图1 5 ( b ) 所示，可得蛰j o = o 。由此说明倾角仪可 真实地反映所在平面的倾斜大小【2 6 1 。采用倾角仪测量桥梁挠度不需现场测量基准 及不受日光、雨、雾等影响，测量范围较大，可实现一维二维测量，适合大、 中型刚构结构桥梁的挠度测量。但由于单个倾角仪较为昂贵，故采用该方法往往 布点较少。 i ( a ) 水平位置( b ) 倾斜p 7 图1 5 倾角仪测量平面倾斜原理 f i g 1 5a n g l e - m e a s u r i n gp r i n c i p l eo fi n c l i n o m e t e r 1 3 研究目的和意义 桥梁挠度对桥梁结构而言是一个非常重要的数据，它直接反映桥梁结构的竖 向整体刚度，从挠度动态数值分析中可以得出荷载的冲击系数和结构内力分布状 态，判断桥梁的薄弱部位及结构的整体性，在桥梁检定、危桥改造和新桥验收等 方面都需要准确测量桥梁的静、动态挠度值。 虽然现在桥梁挠度监测方法有很多，但还有许多不尽人意之处：有的成本高、 精度低；有的维护困难、不适于长期使用，有的使用条件苛刻、实用性不强；有 的准备工作时间过长，安装不大方便。且现有用于检测及监测桥梁挠度的装置均 不能测量桥梁的连续挠度，只能测量少量观测点的相对高度，测量数据不能平滑 重现实际桥面的挠度情况，也难以同时满足对各种桥型的测量。 通过以上分析，可以看出现有国内外桥梁挠度线形测量方法都存在不足，有 的局限性还很强。为满足大跨度桥梁需要，尽快研制新的、便捷科学的桥梁挠度 线形测量仪器迫在眉睫。为此，必须对桥梁挠度测量方法的基本原理进行分析研 究以及做相应的改进，确保桥梁挠度监测工作正常进行，以便使桥梁能正常健康 安全的运行。 桥梁挠度线形快速测量系统的研发，能快速、客观、智能化的感测与重现桥 梁挠度线形，由于桥梁上表面的线形与其挠度存在一致性，并且通过不同时间的 线形变化能够反映桥梁的整体挠度变化，从而可及时告之桥梁管理工作者目前桥 第一章绪论 7 梁挠度线形、特别是挠度变化状态，从而对分析桥梁的健康、安全状况，能充分 发挥桥梁的承载潜力，减少限载、垮桥，全面提升我国公路桥梁的养护、管理水 平。 由于桥梁数量众多，如果研究结果得到应用，其必然具有广阔的市场应用前 景，对交通运输做出巨大的贡献，具有重要的社会和经济意义。同时，这类研究 所积累的经验和成果，也可转化到其他大型结构的测量、河( 湖) 堤的检测和监 测等领域，因此其研究意义重大，具备良好的应用前景。 1 4 研究的主要内容及创新点 尽管国内外对桥梁挠度开展了广泛的研究，探讨出许多测量方法，但这些方 法都是针对具体的桥梁或适用的范围受到桥梁具体形状和所处环境的限制，对于 测点多，距离差异大的大跨度桥来说都不适用。如果能准确测量与分析桥梁的挠 度值，能充分发挥桥梁的承载潜力，从而推动桥梁监测系统的进一步发展。针对 上述中存在的问题，笔者撰写了此文。 本文主要研究内容： ( 1 ) 对国内外桥梁挠度监测技术的研究现状作了概括，从各方面论述了桥梁 挠度监测的重要性，并对目前国内外的挠度测量技术进行了分析。 ( 2 ) 提出基于倾角传感器的桥梁挠度线形快速测量系统，介绍该系统的设计 方案与测量原理。 ( 3 ) 介绍桥梁挠度线形快速测量系统的硬件与软件设计及详细开发过程。 ( 4 ) 设计了梯度均值滤波算法及修正梯度均值滤波算法对数据进行处理，并 用实验验证算法的有效性。 ( 5 ) 通过实验室实验验证了系统的可行性及可靠性。 ( 6 ) 通过工程测量验证了系统的准确性及有效性。 本文的创新点： ( 1 ) 设计并研发了桥梁挠度线形快速测量系统，并设计实验，验证此系统的 稳定性、准确性；并将此系统用于工程测量，初期测量结果较好，可以实现桥梁 挠度线形测量。 ( 2 ) 设计了梯度均值滤波算法，并对此算法提出了改进，提出修正梯度均值 滤波算法，并将此算法用于本系统，实验结果表明滤波效果较好。 1 5 本章小结 本章阐述了桥梁健康监测的重要性，并对桥梁健康监测的国内外现状进行了分 第一章绪论 度测量在桥梁健康监测中的重要地位，列举了国 以及国内外桥梁挠度测量方法及仪器，通过分析 。1 。 笙三皇墨竺型量堕堡兰堡盐銮窒! 第二章系统测量原理与设计方案 桥梁挠度线形( 即桥梁在竖直方向上的弯曲曲线) 经常应用在新桥验收、现 存桥梁的维护、例行检测等的测量上。目前大多数测量桥梁挠度线形的方法都是 先测量离散点的挠度，再对测量点进行拟合，拟合的平滑度与测量点的数量直接 相关。在现有挠度测量技术中，对一座桥梁的挠度测量限于测量时间的限制和操 作的方便性，一般只对少数点进行测量，然后进行粗糙拟合的方法进行，不能很 好的重现桥梁的连续挠度线形。因此，设计出桥梁挠度线形快速测量系统，对桥 梁挠度进行更精细的拟合，具有重要的理论意义和实用价值。 2 1 系统测量原理 2 1 1 传统倾角仪挠度测量原理 倾角仪可真实地反映所在平面的倾斜大小，利用倾角仪法可以测量桥梁挠度， 且不需现场测量基准及不受日光、雨、雾等影响，测量范围较大，可实现一维 二维测量，适合大、中型刚构结构桥梁的挠度测量【2 7 1 。 倾角仪测量挠度的原理是通过测量桥面纵向多个控制点的倾角值，利用数学 方法即可得到桥梁纵轴线方向的挠度值2 7 1 。如图2 1 所示。k l 、k 2 ，是倾角仪。 当加载前整个桥梁结构处于状态1 ，可以测得此时桥梁所在位置的倾角为0 1 1 ，当 加载后整个桥梁结构处于状态2 ，可以测得此时桥梁所在位置的倾角为秒1 2 ，对应 于每个倾角仪所在的桥梁位置，该位置桥梁挠度的挠度变形量日为： h f = z f ( t a n o l 2 一t a n 0 1 1 ) ( 2 1 ) 式中，x i 为支座处到第f 个测点位置的水平距离。一般认为桥梁未加载时所测的倾 角值为d ，即状态1 情况0 1 1 = d ；加载时为状态2 情况。而桥梁在活载作用时倾角 值较小，故( 1 ) 式可简化为： h i = t b 2 ( 2 2 ) 图2 1 传统倾角仪测量桥梁挠度原理图 f i g2 1c o n v e n t i o n a ld e f l e c t i o n - m e a s u r i n gp r i n c i p l eb a s e do ni n c l i n o m e t e r 1 0第二章系统测量原理与设计方案 利用倾角仪来测量桥梁挠度，在桥梁每一跨支座处及跨中都应该布置倾角仪， 这种布置有利于提高测量结果的准确性【2 8 - 3 。 2 1 2 本系统测量原理 从以上分析可知利用该方法用于实际桥梁挠度测量中，往往只取了为数不多 的几个点，通过数学计算得到桥梁挠度变形。且用倾角仪进行挠度测量时，对各 倾角仪之间的相位差、倾角仪的瞬态反应、倾角仪零漂等的要求较高1 3 引，不能测 量出桥梁挠度线形，故在传统桥梁挠度倾角仪测量方法上加以改进，设计出桥梁 挠度线形快速测量系统。 为满足桥梁挠度测量要求，沿主梁轴向进行多点测量，可将装有倾角系统的 小车从桥梁的一端行驶至另一端，每隔固定的距离进行倾角测量。该系统如图2 2 所示。 ie f hl一i 丫l 霉瞄a a 医司 图2 2 系统示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es y s t e m 一般情况下，桥梁挠度变化缓慢，假设每个测点处的倾角值都在量程范围内。 测量时，将装有倾角测量系统的小车沿桥梁的走向平稳向前运动，每隔固定距离 都进行倾角数据采集，传输并保存到p c 或p d a 中，最后利用本文所设计的滤波 算法处理数据，并最终得到桥梁挠度线形。 假设起始点标定为0 点，系统测点的间距为l ，每个测点处测得的倾角为0i “= 1 ， 2 以) ，该点相对于前一测点的竖直位移为蝎，第所咖= 1 ，2 ，1 ) 个测点相对于起 始点的竖直位移为，整个过程为对桥梁多点连续测量，得到连续挠度测量示意 图如图2 3 所示。 仃 图2 3 连续挠度示意图 f i g2 3c o n t i n u o u sd e f l e c t i o n m e a s u r i n gs c h e m a t i cd i a g r a m 第二章系 根据系统原理可得公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 如下： a h i 。l x s i n o i ( 2 3 ) 虬2 著越 ( 2 4 ) 以起始点为原点0 ，该点所在的水平线为横轴，该点所在的竖直线为纵轴建 立一个直角坐标系，第m 个测点处的挠度值即是。以工为横坐标，风为纵坐 标，绘制l - h m 曲线图，即可重现桥梁挠度线形。在不同时间段测量桥梁挠度线形 图，对同一位置的变形进行比较，即可判断该位置是否存在挠度变化，是否需要 检修。如图2 4 所示即为桥梁挠度线形l 帆示意图。 图2 4 桥梁挠度线耽帆示意图 f i g 2 4i s c h e m a t i cd i a g r a mo fb r i d g ed e f l e c t i o nc u r v e 2 2 系统设计方案 该系统装置由倾角测量装置、小车、位移测量装置构成及上位机软件构成。 在小车从桥梁的一端运动到另一端的过程中，位移测量装置测量小车运动的位移， 倾角测量装置根据小车运动位移大小测量桥梁上待测点的倾角值，通过一定的计 算就可以得到该点竖直位移的大小，通过桥上一系列的点的竖直位移值，即可得 到桥梁挠度线形。其系统设计方案如图2 5 所示，倾角测量装置及位移测量装置均 通过串口进行数据的传输。 图2 5 系统方案图 第二章系统测量原理与设计方案 f i g 2 5s y s t e ms c h e m e 流程如图2 6 所示，位移测量装置根据事先设计好的触发协议，在小 离( l 大小可由上位机界面进行输入) 后向倾角测量装置发送触发信 有触发信号时，倾角测量装置进行数据采集与发送，发送成功后， 信号，等待下一次的操作。 r -。一 f 位移测量装置l 1 。一j 2 2 1 位移测量装置方案 匝釜立 发送信弓b 【j