基于地脈動(dòng)測量的橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于地脈動(dòng)測量的橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，包括固定式地脈動(dòng)儀探頭，安裝在橋墩頂端；導(dǎo)軌，豎向安裝在橋墩迎水面上且具有位于水面以下的部分；移動(dòng)式地脈動(dòng)儀探頭，沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)；地脈動(dòng)儀主機(jī)，接收固定式地脈動(dòng)儀探頭和移動(dòng)式地脈動(dòng)儀探頭檢測到的地脈動(dòng)信息；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將地脈動(dòng)信息處理成橋墩沖刷深度并對橋墩沖刷預(yù)警。以地脈動(dòng)儀監(jiān)測的地脈動(dòng)信息經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理成橋墩沖刷深度并對橋梁進(jìn)行預(yù)警，準(zhǔn)確度高、服役周期長。本發(fā)明專利技術(shù)還公開了一種基于地脈動(dòng)測量的監(jiān)測方法，本方法基于地脈動(dòng)信息計(jì)算橋墩沖刷深度，計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)、可靠。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于地脈動(dòng)測量的橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法
本專利技術(shù)涉及一種橋梁安全監(jiān)測領(lǐng)域，特別涉及一種基于地脈動(dòng)測量的橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法。
技術(shù)介紹
隨著水文現(xiàn)象的變化，橋梁沖刷對橋梁的破壞呈現(xiàn)突發(fā)性和偶然性，極易造成危及生命財(cái)產(chǎn)的破壞，橋梁服役期間的沖刷分析需要依靠測試手段。傳統(tǒng)的橋梁沖刷深度測量主要依靠人工檢測，但水上作業(yè)嚴(yán)重威脅著檢測人員的生命安全，且測量的準(zhǔn)確性通常依賴檢測人員的操作經(jīng)驗(yàn)。近二十年以來，橋梁沖刷監(jiān)測逐漸受到國內(nèi)外研究人員和學(xué)者的重視，目前正在使用和逐漸發(fā)展的沖刷監(jiān)測方法大致有聲吶、雷達(dá)、超聲波等檢測方法，及電磁波時(shí)域反射(TimeDomainReflectometry,TDR)、光纖光柵等在線監(jiān)測方法。聲吶、雷達(dá)可確定泥沙淤積和沖刷的深度，探測裝置較易安裝，一般用于洪水過后的沖刷檢查，但聲吶和雷達(dá)的信號(hào)質(zhì)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(shí)，監(jiān)測的信號(hào)嚴(yán)重衰減，測量準(zhǔn)確性大大降低，對于超聲波存在同樣的缺點(diǎn)；另一方面，因聲吶和雷達(dá)信號(hào)的測試、編譯非常復(fù)雜，需要熟練的專業(yè)操作人員。TDR應(yīng)用于橋梁沖刷監(jiān)測時(shí)，通過沖刷導(dǎo)致相應(yīng)部位的電纜變形甚至破壞，從而感知沖刷，但容易造成信號(hào)失真，影響測量結(jié)果，另外，將光纖光柵與特定的懸臂梁或其他桿件組合，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沖刷引起的土壓力變化，但這種方法難以在惡劣服役環(huán)境下操作，并在定量方面存在困難。水下浮標(biāo)和磁性定位環(huán)等作為一種沖刷監(jiān)測技術(shù)，由于其監(jiān)測到相應(yīng)位置的沖刷后即告失效，缺乏一個(gè)長期有效、主動(dòng)的服役周期。針對上述之不足，有必要研究一種測量準(zhǔn)確度高、服役周期長的可在線監(jiān)測橋墩沖刷的監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為克服上述監(jiān)測方法和系統(tǒng)所存在的問題，本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題在于提供一種測量準(zhǔn)確度高、在惡劣條件下服役周期時(shí)間長的基于地脈動(dòng)測量的橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)。與其相應(yīng)，本專利技術(shù)另一個(gè)要解決的技術(shù)問題是應(yīng)用上述監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)測量、監(jiān)控橋墩沖刷的方法。就監(jiān)測系統(tǒng)而言，包括-固定式地脈動(dòng)儀探頭，安裝在橋墩頂端；-導(dǎo)軌，豎向安裝在橋墩的迎水面上且具有位于水面以下的部分；-移動(dòng)式地脈動(dòng)儀探頭，沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)；-地脈動(dòng)儀主機(jī)，接收固定式地脈動(dòng)儀探頭和移動(dòng)式地脈動(dòng)儀探頭檢測到的地脈動(dòng)信息；-數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該地脈動(dòng)信息處理成橋墩沖刷深度并對橋墩沖刷預(yù)警。隨著地脈動(dòng)儀的日益發(fā)展，基于地脈動(dòng)微震監(jiān)測信息的安全評價(jià)開始受到有關(guān)研究人員的重視，并已應(yīng)用在地基場地自振頻率等建筑物構(gòu)筑物的動(dòng)力特性監(jiān)測中。地脈動(dòng)測試儀具有布設(shè)方便、測量簡便、不需要人工激振、可在橋梁工程運(yùn)營的同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測、不影響交通等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)具有巨大前景的測試技術(shù)。本專利技術(shù)通過地脈動(dòng)儀監(jiān)測的地脈動(dòng)信息經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理成橋墩沖刷深度并對橋梁進(jìn)行預(yù)警，準(zhǔn)確度高、服役周期長。進(jìn)一步的，所述固定式地脈動(dòng)儀探頭和移動(dòng)式地脈動(dòng)儀探頭均設(shè)有有源射頻識(shí)別標(biāo)簽，所述地脈動(dòng)儀主機(jī)連接有與有源射頻識(shí)別標(biāo)簽相應(yīng)的射頻識(shí)別閱讀器。射頻識(shí)別，RFID(RadioFrequencyIdentification)技術(shù)，又稱無線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。射頻識(shí)別系統(tǒng)最重要的優(yōu)點(diǎn)是非接觸識(shí)別，它能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環(huán)境閱讀標(biāo)簽，并且閱讀速度極快，大多數(shù)情況下不到100毫秒。有源式射頻識(shí)別系統(tǒng)的速寫能力也是重要的優(yōu)點(diǎn)。可用于流程跟蹤和維修跟蹤等交互式業(yè)務(wù)。射頻識(shí)別包括射頻識(shí)別標(biāo)簽和射頻識(shí)別閱讀器。射頻標(biāo)簽：每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對象，按照預(yù)設(shè)的規(guī)則周期性的進(jìn)行信號(hào)發(fā)射。閱讀器是對標(biāo)簽進(jìn)行讀/寫操作的設(shè)備，主要包括射頻模塊和數(shù)字信號(hào)處理單元兩部分，當(dāng)射頻識(shí)別標(biāo)簽的信號(hào)進(jìn)入閱讀器的作用區(qū)域，閱讀器獲取到標(biāo)簽發(fā)射出來的信息，即完成了對標(biāo)簽的識(shí)別過程。本專利技術(shù)采用有源射頻識(shí)別標(biāo)簽將地脈動(dòng)儀探頭的測量信息傳輸至射頻識(shí)別閱讀器由其接收，再由射頻識(shí)別閱讀器傳輸至地脈動(dòng)儀主機(jī)，相比地脈動(dòng)儀探頭與地脈動(dòng)儀主機(jī)間采用電纜連接，采用有源射頻識(shí)別標(biāo)簽和射頻識(shí)別閱讀器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線傳輸，信號(hào)不失真，而且可以滿足水下惡劣條件下傳輸信息的需求。進(jìn)一步的，所述固定式地脈動(dòng)儀探頭和移動(dòng)式地脈動(dòng)儀探頭均設(shè)有震動(dòng)式充電電池。有源射頻識(shí)別標(biāo)簽需要電源為其供電，本專利技術(shù)以震動(dòng)式充電電池作為有源識(shí)別標(biāo)簽的電源，其優(yōu)點(diǎn)是：震動(dòng)式充電電池可以依靠交通荷載、水流沖擊等不間斷的環(huán)境震動(dòng)(即地脈動(dòng))為電池本身進(jìn)行充電，特別是在橋墩受到?jīng)_刷時(shí)可以對震動(dòng)式充電電池進(jìn)行充電，使有源識(shí)別標(biāo)簽使用周期更長。進(jìn)一步的，還包括無線通訊模塊，將地脈動(dòng)儀主機(jī)的地脈動(dòng)信息無線傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。通過無線通訊模塊提高數(shù)據(jù)傳輸便利性。就監(jiān)測方法而言，包括如下步驟：S1)固定式地脈動(dòng)儀探頭所在橋墩頂端，設(shè)為第0測點(diǎn)，測量橋墩支座下部在車輛荷載、輪船撞擊和水流沖擊作用下的地脈動(dòng)信息Ft0(ωi)和響應(yīng)幅值譜在ωi處的幅值G0(ωi)，其中ωi為橋墩結(jié)構(gòu)體系的第i階固有頻率；S2)將整個(gè)橋墩沿高度分為n段，分別設(shè)n個(gè)測點(diǎn)，通過移動(dòng)式地脈動(dòng)測試儀探頭在導(dǎo)軌上移動(dòng)測量橋墩沿高度方向的第j測點(diǎn)(j＝1，…，n)的地脈動(dòng)信息Ftj(ωi)和響應(yīng)幅值譜在ωi處的幅值Gj(ωi)；S3)計(jì)算頻響函數(shù)向量：式中，φ0i，φ1i，…，φni為橋墩結(jié)構(gòu)體系的第i階模態(tài)；φpi為橋墩結(jié)構(gòu)體系的第i階模態(tài)的第p個(gè)廣義坐標(biāo)；ξi為第i階模態(tài)阻尼，ki為第i階模態(tài)剛度。S4)將式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，消去ξi、φpi和ki，可得：式中，各測點(diǎn)響應(yīng)幅值譜的幅值Gj(ωi)為各測點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)自功率譜密度與0測點(diǎn)自功率譜密度比值的平方根；S5)根據(jù)各測點(diǎn)響應(yīng)譜與第0測點(diǎn)的響應(yīng)譜的峰值頻率判斷固有頻率ωi。S6)對橋墩結(jié)構(gòu)體系建立多自由度的模型，根據(jù)固有頻率ωi和工作模態(tài)，通過迭代計(jì)算橋墩或樁基的嵌固深度，通過嵌固深度的變化計(jì)算橋墩的沖刷深度hsc,根據(jù)沖刷深度hs本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于地脈動(dòng)測量的橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：包括：固定式地脈動(dòng)儀探頭(5)，安裝在橋墩(1)頂端；導(dǎo)軌(3)，豎向安裝在橋墩(1)的迎水面上且具有位于水面以下的部分；移動(dòng)式地脈動(dòng)儀探頭(6)，沿導(dǎo)軌(3)上下移動(dòng)；地脈動(dòng)儀主機(jī)(11)，接收固定式地脈動(dòng)儀探頭(5)和移動(dòng)式地脈動(dòng)儀探頭(6)檢測到的地脈動(dòng)信息；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(13)，該地脈動(dòng)信息處理成橋墩沖刷深度并對橋墩沖刷預(yù)警。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于地脈動(dòng)測量的橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：包括：固定式地脈動(dòng)儀探頭(5)，安裝在橋墩(1)頂端；導(dǎo)軌(3)，豎向安裝在橋墩(1)的迎水面上且具有位于水面以下的部分；移動(dòng)式地脈動(dòng)儀探頭(6)，沿導(dǎo)軌(3)上下移動(dòng)；地脈動(dòng)儀主機(jī)(11)，接收固定式地脈動(dòng)儀探頭(5)和移動(dòng)式地脈動(dòng)儀探頭(6)檢測到的地脈動(dòng)信息；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(13)，該地脈動(dòng)信息處理成橋墩沖刷深度并對橋墩沖刷預(yù)警。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地脈動(dòng)測量的橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述固定式地脈動(dòng)儀探頭(5)和移動(dòng)式地脈動(dòng)儀探頭(6)均設(shè)有有源射頻識(shí)別標(biāo)簽(9)，所述地脈動(dòng)儀主機(jī)(11)連接有與有源射頻識(shí)別標(biāo)簽(9)相應(yīng)的射頻識(shí)別閱讀器(10)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于地脈動(dòng)測量的橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述固定式地脈動(dòng)儀探頭(5)和移動(dòng)式地脈動(dòng)儀探頭(6)均設(shè)有震動(dòng)式充電電池(7)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于地脈動(dòng)測量的橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：還包括無線通訊模塊(12)，將地脈動(dòng)儀主機(jī)(11)的地脈動(dòng)信息無線傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(13)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地脈動(dòng)測量的橋墩沖刷監(jiān)測方法，其特征在于：包括如下步驟：S1)固定式地脈動(dòng)儀探頭所在橋墩(1)頂端，設(shè)為第0測點(diǎn)，測量橋墩頂端在車輛荷載、輪船撞擊和水流沖擊作用下的地脈動(dòng)信息Ft0(ωi)和響應(yīng)幅值譜在ωi處的幅值G0(ωi)，其中ωi為橋墩結(jié)構(gòu)體系的第i階固有頻率；S2)將整個(gè)橋墩沿高度分為n段，分別設(shè)n個(gè)測點(diǎn)，通過移動(dòng)式地脈動(dòng)測試儀探頭在導(dǎo)軌上移動(dòng)測量橋墩沿高度方向的第j測點(diǎn)(j＝1，…，n)的地脈動(dòng)信息Ftj(ωi)和響應(yīng)幅值譜在ωi處的幅值Gj(ωi)；S3)計(jì)算頻響函數(shù)向量：

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：江勝華，呂高，江文華，李偉清，汪時(shí)機(jī)，
申請(專利權(quán))人：西南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：重慶;85