大跨径拱桥多维位移的光电组合监测技术研究

论文摘要

桥梁结构在服役期间受到各种因素的影响,其可靠性不断下降可能导致结构安全问题甚至桥毁人亡的重大灾害事故,使桥梁结构状态的安全监测一直受到学术界和工程界的高度重视。世界各国皆投入巨资进行研究,取得了一定成果并在各种特大型桥梁陆续试用。但桥梁结构状态监测技术仍然是一个未成熟、正在发展的新技术。而世界上桥梁种类繁多、结构各异,桥梁结构状态监测技术还存在众多亟待解决的科学与技术问题。其中,能较全面反映桥梁结构性能退化与失效的关键参数——变形/位移,是桥梁结构状态监测领域众多亟待解决的科学与技术问题的重要研究热点之一。大跨径拱桥结构外形美观、跨径大,在桥梁世界中占有一席之地。但它结构特殊、受力关系复杂、施工工艺难度大,导致其成为国内外桥梁重大垮塌事件的主要桥型之一。其次,大跨径拱桥其特殊的拱、梁组合结构,使得变形呈现多维度特点,迄今为止还没有一种较为理想的监测方法能够满足这一类桥梁变形/位移监测要求。因此,针对大跨径拱桥多维变形/位移监测技术展开研究,解决其关键技术问题,对于大型桥梁结构状态监测的整体技术发展具有重要的科学价值与应用前景。鉴于此,结合重庆市科技攻关项目重大专项“菜园坝大桥运行状态监测与健康诊断系统研究”,根据大跨径拱桥的结构受力与变形特点,提出了基于光电全站仪和光电式连通管的多维位移组合监测方法。研究了光电自动全站仪在主拱三维变形监测中存在的基准漂移问题与光电式连通管监测主梁的一维静态及准静态变形存在的液位振荡问题。从数学模型与监测系统两个方面进行了相互印证,最后将取得的研究成果实际应用于重庆菜园坝大桥。具体研究内容如下:①以大跨径系杆拱桥为代表,对大跨径拱桥桥拱和主梁等关键部位的结构受力与变形特点进行了分析;结合重庆菜园坝长江大桥的特点,提出了采用光电自动全站仪对桥拱进行三维静态位移变形监测、采用光电式连通管系统对梁体进行一维静态与准静态位移监测的多维位移变形监测的光电组合方法;还提出了利用轻轨列车的自重长期进行桥梁固定荷载条件下的位移监测思路。②为了避免光电全站仪在主拱圈三维位移监测中因通视限制导致的测量基准漂移,建立了全站仪基准漂移的三维模型,分析了全站仪基准漂移及其对观测点精度的影响;提出了采用两台或多台全站仪相互观测,继而实现全站仪基准漂移补偿观测的新方法。结合补偿观测方法的特点,研究了补偿大气条件对变形点观测精度影响的方法。还设计了适当的自动防护装置,使其能够在测量时自动打开,未测量时关闭,有效的防止雨水、粉尘等对棱镜镜头的污染。③为了突破原始连通管挠度监测方法的完全静态监测瓶颈,针对利用光电式连通管方法监测主梁挠度/线形的问题,分析了液位基准对监测精度的影响,重点研究了轻轨或火车等重载通过大跨径拱桥形成的准静态位移测量过程,建立了多连通管内液体振荡的力学模型,分析了液位振荡的内在规律,提出了改进的小波阈值去噪方法对含有液位振荡的位移信号进行滤波,以消除液位振荡对准静态位移测量的影响,并通过仿真计算证明了该方法的可行性。④为了满足大跨径拱桥多点、同步位移/线形监测要求,分析了连通管式光电液位传感器的信号变异问题,改善了硬件响应速度、采集频率;研制出了适用于桥梁静态与准静态位移测量的传感器,将连通管式静态挠度传感器拓展到了准静态测量范围。⑤分别构建了全站仪三维监测、光电式连通管一维位移监测两大物理模拟实验验证系统。通过系列实验,证明了全站仪基准传递及补偿观测方案可行,光电式连通管位移测量系统能够满足轻轨通过桥梁过程中的准静态位移测量要求。⑥将研究成果实际应用于重庆菜园坝长江大桥的荷载实验,获得了满意的数据,为重庆菜园坝长江大桥顺利通车提供了关键数据,且全站仪和连通管系统位移监测结果能够相互验证,达到预期目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 大跨径拱桥多维位移监测的重要性
• 1.1.1 大跨径拱桥的重要作用
• 1.1.2 大跨径拱桥的劣化情况
• 1.1.3 大跨径拱桥的损伤原因分析
• 1.1.4 大跨径拱桥多维位移变形监测的必要性
• 1.2 多维位移变形监测技术的国内外研究现状
• 1.2.1 多维位移变形监测的主要方法
• 1.2.2 多维位移变形监测方法的比较
• 1.3 开展大跨径拱桥多维位移组合监测技术研究的意义
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 大跨径拱桥多维位移监测方案研究
• 2.1 引言
• 2.2 大跨径系杆拱桥的结构受力与变形分析
• 2.2.1 大跨径系杆拱桥桥拱的受力与变形分析
• 2.2.2 大跨径系杆拱桥主梁的受力与变形分析
• 2.3 大跨径拱桥多维位移监测方案研究
• 2.3.1 大跨径拱桥多维位移监测方案研究
• 2.3.2 大跨径拱桥多维位移传感方案研究
• 2.4 本章小结
• 3 光电自动全站仪三维静态变形监测方法
• 3.1 引言
• 3.2 光电自动全站仪基准漂移问题的研究
• 3.2.1 光电自动全站仪的三维位移测测量原理
• 3.2.2 自动全站仪基准漂移三维模型
• 3.2.3 观测点坐标的解算
• 3.2.4 自动全站仪基准漂移补偿观测方法
• 3.3 自动全站仪全天候测量的环境适应性研究
• 3.3.1 自动全站仪全天候实时监测的大气影响补偿方法
• 3.3.2 自动全站仪配套棱镜的实时防护
• 3.4 自动全站仪实时监测技术
• 3.4.1 自动全站仪实时监测技术的硬件实现
• 3.4.2 自动全站仪实时监测技术的软件实现
• 3.5 本章小结
• 4 光电式连通管一维静态与准静态变形监测方法
• 4.1 引言
• 4.2 连通管静态位移测量方法的误差分析
• 4.2.1 连通管静态位移测量方法的基本原理
• 4.2.2 连通管静态位移测量的误差分析
• 4.3 连通管准静态位移测量的液位振荡特性分析
• 4.3.1 多通道连通管内液位振荡的力学分析
• 4.3.2 多通道连通管内液位振荡特性的仿真分析
• 4.3.3 多通道连通管内液位振荡的规律与系统优化准则
• 4.4 连通管准静态位移的信号处理方法研究
• 4.4.1 准静态位移信号的特征分析
• 4.4.2 阶跃位移信号的小波信号处理
• 4.4.3 液位振荡信号的频谱滤波方法
• 4.5 光电式连通管准静态位移测量系统的传感技术研究
• 4.5.1 光电式准静态液位传感器的理论分析
• 4.5.2 光电式准静态液位传感器的设计
• 4.6 本章小结
• 5 多维位移光电组合监测方法的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 光电全站仪三维位移测量的实验研究
• 5.2.1 全站仪基准漂移模型验证实验
• 5.2.2 全站仪基准导线网的观测验证实验
• 5.2.3 全站仪基准测边网的观测验证实验
• 5.2.4 小结
• 5.3 光电式连通管一维位移监测方法的实验研究
• 5.3.1 光电液位传感器的精度实验
• 5.3.2 连通管相关实验
• 5.3.3 小结
• 5.4 本章小结
• 6 多维位移光电组合监测技术的应用
• 6.1 重庆菜园坝长江大桥简介
• 6.2 多维位移监测系统
• 6.2.1 光电全站仪三维变形监测系统
• 6.2.2 光电式连通管一维挠度监测系统
• 6.3 荷载实验及结果分析
• 6.3.1 荷载实验
• 6.3.2 荷载实验结果分析
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 总结
• 7.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录