[发明专利]基于GPS位移监测的大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法

说明书

技术领域

本发明是一种应用于大跨桥梁钢箱梁损伤预警的方法，涉及桥梁工程的监测与评估领域。

背景技术

钢箱梁作为大跨钢桥的重要组成部分，其健康与否关系到桥梁使用安全及桥梁使用年限。但是在正常运营期间内，钢箱梁由于受到长期的交通荷载、气候与环境作用等将不可避免地发生损伤及病害，导致其承载能力和耐久性能发生退化。因此，采用科学有效的方法对钢箱梁进行结构健康监测、预警、安全性及耐久性评估则显得极为重要和迫切[1]。根据结构监测系统数据与参数，建立大跨桥梁钢箱梁结构状态预警与识别方法是重要的研究方向。

目前关于钢箱梁状态预警和损伤识别方法绝大部分是以结构动力特性参数为基础构建损伤预警指标，建立桥梁的预警系统。然而，受温度、风等噪音及环境因素的影响，准确测量钢箱梁试验模态参数比较困难。

位移和形变是大跨桥梁钢箱梁结构响应的重要参数，它是桥梁受力的宏观反映，通过测量钢箱梁的动态三维位移，可以实时了解桥梁的线型状况和变化规律，从而衡量桥梁是否处于正常营运状态。传统测量方法不仅工作量大周期长，其监测时间和点位也不能更好的实现统一，甚至会加大变形分析难度。近年来，随着科学技术的发展以及空间技术的进步，GPS技术由于其可以实现实时、高动态、高精度位移测量而得到了广泛的应用，并成为变形监测领域内研究的热点^[2]。随着GPS-RTK技术的出现，GPS接收机采样频率的提高，以及GPS解算软件的发展和完善，GPS技术在大型工程结构物动态特性和变形监测中的应用越来越广泛。

通过GPS监测系统对大跨桥梁钢箱梁进行实时监测与数据分析，可以及时捕捉钢箱梁在实际交通负荷与自然蜕化条件下的异常特征信息并发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。同时，相比于文献[3]中以梁端位移作为损伤预警指标，梁端位移仅仅表征了梁端位置主梁轴向变位，而且变化幅值较小，测量误差容易掩盖局部损伤所造成的异常变化。本发明的方法以坐标残差作为损伤预警指标，从多个截面、多方向分析，从而更准确地对钢箱梁结构进行异常状态识别和损伤预警。

参考文献

文献[1]李爱群,缪长青.桥梁结构健康监测[M].北京：人民交通出版社,2009；

文献[2]Mehdi Modares,A.M.ASCEand Natalie Waksmanski.An Overview of Structural Health Monitoring for Steel Bridges[J].Practice Periodical on Structural Design and Construction,October 23,2012；

文献[3]邓扬,李爱群,丁幼亮等.基于长期监测数据的大跨桥梁结构伸缩缝损伤识别[J].东南大学学报自然科学版,2011,41(2):336-341。

发明内容

技术问题：本发明针对现有大跨桥梁结构损伤检测技术的问题，提供了一种运营状态下基于GPS监测的大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法。

技术方案：通过GPS实时监测大桥的三维动态坐标，可以了解桥梁的线型状况和变化规律，从而衡量桥梁是否处于正常营运状态。当钢箱梁发生损伤时，其三维动态坐标就会发生异常变化，基于这种位置坐标的变化即可对大跨桥梁钢箱梁的损伤进行预警分析。

由于环境温度、交通荷载的作用会影响钢箱梁位置坐标的变化，从而掩盖钢箱梁因损伤所造成的坐标变化。因此，本发明的方法首先分析环境温度、交通荷载对钢箱梁位置坐标的影响规律并建立相关性模型，在此基础上剔除交通荷载的影响。然后利用钢箱梁位置坐标与温度的相关性并采用均值控制图法来识别由钢箱梁损伤所引起的位置坐标的异常变化，从而建立大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法。

本发明提供了一种运营状态下基于GPS位移监测的大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：桥梁位移GPS监测装置及温度传感器、加速度传感器的布置

在钢箱梁1/4截面、1/2截面和3/4截面上下游分别布置GPS监测装置和温度传感器、加速度传感器，用以监测钢箱梁各个截面的位置坐标和温度以及由于交通荷载引起的钢箱梁竖向加速度；

步骤2：监测数据的处理

将获得的钢箱梁GPS位置坐标数据利用小波阈值去噪方法进行降噪处理，然后将位置坐标和温度以1小时为计算区间进行平均处理；将获得的加速度响应数据进行低通滤波，再以1小时为时间间距计算加速度响应的均方根值RMS，作为交通荷载的代表值；