基于毫米波雷达的桥梁自由流加载结构评估系统和方法与流程

本发明属于桥梁结构监控检测及结构性能评估，具体涉及一种基于毫米波雷达的桥梁自由流加载结构评估系统和方法。

背景技术：

1、桥梁结构的承载能力是通过桥梁静力荷载试验来获得的，需要经过车辆加载试验、变形测量、结构计算、承载能力评估等过程，一般在桥梁建设后期、通车前或运营期结构状况劣化时进行，车辆加载试验时需要中断交通。车辆加载是通过三轴车/四轴车组成的车队进行桥面停留加载，各车辆均完成了过磅称重。变形测量是在车辆加载期间进行的，一般是采用水准仪或全站仪的进行测量，在加载前后分别测量结构位置，前后求差即可获取车辆加载引起的桥梁结构变形。结构计算是按照桥梁结构设计图纸，进行有限元建模，然后在模型上进行工况加载(荷载同现场车辆荷载)，可获取车辆加载的结构挠度理论值。通过理论值与实测值的对比，结合规范要求，以完成桥梁结构承载能力评估。

2、而桥梁通常处于交通要道，一旦开始通车运营，完全断流作业的社会影响巨大，交通各方难以协调，不到万不得已，不得进行断流作业。因此，传统方法中对运营期桥梁结构荷载的试验难以高频率的定期进行，一般5到10年一次或结构状况明显劣化时候才进行，严重影响结构承载力评估的时效性，给桥梁结构运营安全埋下隐患。基于以上现有荷载实验方法介绍，总结有以下几点不足：

3、(1)需要中断交通，社会影响大，难以及时、高效的实施，时效性差。

4、(2)需要人工指挥车辆加载，人工现场测量采集，投入人力物力大，且测量精度底。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种基于毫米波雷达的桥梁自由流加载结构评估系统和方法，在不中断交通的前提下，能够实现对桥梁结构高频定期进行车辆加载试验与承载能力评估，以保障桥梁结构运营期的结构安全，该方法应具有较高的操作性和经济性。需要说明的是，该方法是针对已经构建了桥梁健康监测系统的桥梁结构，桥梁健康监测系统的构建费用不算在荷载试验成本中。

2、本发明所采用的技术方案为：

3、一种基于毫米波雷达的桥梁自由流加载结构评估系统，包括有检测车队和桥梁监测模块；

4、所述检测车队包括有前警示车组、后警示车组和检测车组，所述前警示车组设置于检测车组前方，并与检测车组之间具有一段间隔距离；所述后警示车组设置于检测车组后方，并与检测车组之间也具有一段间隔距离；前警示车组和后警示车组分别设置有预警车，检测车组设置有加载车辆；每辆所述预警车和加载车辆分别设置有gps定位子模块和雷达定距子模块，所述gps定位子模块和雷达定距子模块用于监测采集每辆加载车辆的实时数据信息；

5、所述桥梁监测模块用于通过毫米波雷达技术监测目标监测桥跨的动挠度；所述桥梁监测模块包括有毫米波雷达设备、桥跨区域电子围栏触发子模块、动挠度信号处理子模块、结构承载能力评估分析子模块和动态荷载试验任务管理子模块；

6、所述毫米波雷达设备设置于目标监测桥跨的桥墩底部或者目标监测桥跨的跨中正下方地面；所述毫米波雷达设备用于监测目标监测桥跨的跨中竖向动挠度；

7、所述桥跨区域电子围栏触发子模块在目标监测桥跨的头尾两处设立电子围栏关卡，所述电子围栏关卡用于提供gps触发信号基准点，所述桥梁监测模块根据检测车组经过电子围栏关卡前边界和电子围栏关卡后边界的时间与距离截取动挠度监测数据vd；

8、所述动挠度信号处理子模块用于根据动挠度监测数据vd计算车辆荷载静挠度vj和车辆荷载振动挠度va；

9、所述结构承载能力评估分析子模块用于根据动挠度监测数据vd、车辆荷载静挠度vj和车辆荷载振动挠度va计算得出校验系数，并与国家标准规定值进行比较判断，从而评估试验目标监测桥跨的承载能力；

10、所述动态荷载试验任务管理子模块用于记录并管理每次试验信息。

11、进一步地，所述前警示车组和后警示车组分别设置有一排黄色的预警车，检测车组设置有多排多列加载车辆；每辆加载车辆均为四轴车辆，每辆加载车辆在检测前均需过磅称重。

12、进一步地，每辆所述加载车辆的重量、轴数根据目标监测桥跨的结构类型、桥梁设计图纸和/或设计计算报告的内容进行计算确定。

13、进一步地，所述检测车组的加载车辆的排数、排距、列数和列距也根据目标监测桥跨的结构类型、桥梁设计图纸和/或设计计算报告的内容进行计算确定；

14、所述前警示车组和后警示车组的预警车数量与桥梁的单向车道数量相对应，检测车组的列数与桥梁的单向车道数量相对应。

15、进一步地，所述实时数据信息包括各车辆的位置信息和速度信息，以及各加载车辆间距信息；

16、所述gps定位子模块用于实时获取各加载车辆的位置信息、速度信息，并同步输入至桥梁监测模块；

17、所述雷达定距子模块用于实时反馈检测车队的各加载车辆间距信息，并同步输入至桥梁监测模块；

18、每辆加载车辆还分别设置有手持终端，所述手持终端用于接收并桥梁监测模块分享的各车辆的实时数据信息。

19、进一步地，所述动挠度监测数据包括加载车辆经过电子围栏关卡前边界和电子围栏关卡后边界期间的动挠度监测数据，以及前警示车组与检测车组之间的前空载区和后警示车组与检测车组之间的后空载区的动挠度监测数据。

20、再进一步地，所述动挠度信号处理子模块在动挠度监测数据vd传输到系统平台后，采用经验模态分解法进行初步数据处理，将车辆荷载静挠度vj和车辆荷载振动挠度va不同频段的挠度数据信号进行分离。

21、再进一步地，所述结构承载能力评估分析子模块中提前录入有各桥跨的桥梁设计图纸和/或设计计算报告中的理论设计挠度值，结构承载能力评估分析子模块通过将车辆荷载静挠度vj与各桥跨的设计理论挠度值进行比较计算得出校验系数。

22、再进一步地，所述试验信息包括桥跨信息、车队信息和司机信息；

23、所述桥跨信息包括桥梁跨度、桥梁模型和理论挠度值；

24、所述车队信息包括车辆编号、车辆类型、实时位置和车重。

25、本发明还涉及一种基于毫米波雷达的桥梁自由流加载结构评估方法，使用权利要求上述基于毫米波雷达的桥梁自由流加载结构评估系统，包括有以下步骤：

26、s01，根据动态荷载试验任务，确定目标监测桥跨的结构类型；

27、s02，结合规范要求和类似桥梁的传统荷载试验经验，确定车辆的重量、轴数、横向数量及间距、纵向数量及间距；

28、s03，根据目标监测桥跨的单向车道数量，确定检测车组的排数和列数；

29、s04，在检测车组的前方距离200m处设置一排前警示车组；

30、s05，在检测车组的后方距离200m处设置一排后警示车组；

31、s06，对各加载车辆和预警车进行智能设备改装，添加gps实时位置监测设备和雷达实时距离监测设备，构成gps定位子模块和雷达定距子模块；完成组建检测车队；

32、s07，在目标监测桥跨的起始位置和结尾位置设立电子围栏关卡；

33、s08，各加载车辆和预警车根据设计车速稳定行驶，通过目标监测桥跨；行驶过程中保持设计间距；

34、s09，当加载车辆的gps信号与桥跨起始端的电子围栏关卡前边界位置坐标数据重合时，桥跨区域电子围栏触发子模块触发桥梁监测模块，桥梁监测模块自动截取加载车辆经过电子围栏关卡前边界至电子围栏关卡后边界以及前后200m空载区的动挠度监测数据；

35、s10，动挠度监测数据传输到桥梁监测模块，桥梁监测模块采用经验模态分解法将车辆荷载静挠度vj、车辆荷载振动挠度va不同频段的挠度数据信号进行分离；

36、s11，结构承载能力评估分析子模块将分离后的车辆荷载静挠度vj与理论设计挠度值进行比较，计算得出校验系数；

37、s12，根据校验系数与国家标准规定值进行比较，对试验桥跨的承载能力进行评估；

38、s13，动态荷载试验任务管理子模块刻录当前次加载试验的桥跨信息、车队信息和司机信息。

39、本发明的有益效果为：

40、一种基于毫米波雷达的桥梁自由流加载结构评估系统和方法，在检测车组的前后两侧200m处分别设置前警示车组和后警示车组，形成一个400m的隔离带，可隔离社会车辆与加载车辆，避免社会车辆对动态加载过程的影响；通过桥梁监测模块采用毫米波雷达技术监测桥梁的动挠度，通过桥跨区域电子围栏触发子模块、动挠度信号处理子模块、结构承载能力评估分析子模块和动态荷载试验任务管理子模块采集计算出校验系数，从而可按照国家标准规范要求对试验桥跨的承载能力进行评估。

41、毫米波雷达技术具有变形采集精度高、响应频率高、可全天候实时测量等技术优点；在不中断交通的前提下，能够实现对桥梁结构高频定期进行车辆加载试验与承载能力评估，以保障桥梁结构运营期的结构安全，该方法应具有较高的操作性和经济性。需要说明的是，该方法是针对已经构建了桥梁健康监测系统的桥梁结构，桥梁健康监测系统的构建费用不算在荷载试验成本中。