一种基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统及方法

本发明涉及桥梁健康监测，具体涉及一种基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统及方法。

背景技术：

1、正交异性钢桥面板具有自重轻、结构刚度大、承载力高、建造速度快、适用范围广等诸多优点，在现代大跨度悬索桥、斜拉桥和梁桥建设等得到了广泛的应用。

2、正交异性钢桥面板是大跨径钢桥的重要受力构件，通常由顶板、底板、u肋、横隔板及相关焊接构造共同组成；车辆荷载长期反复作用下，u肋与顶板或底板连接焊缝周边区域、横隔板过焊孔附近区域等构造细节处受力较为复杂，容易成为疲劳裂纹萌生和扩展的敏感部位，因此对上述疲劳敏感区域进行有效监测与评估，对于保障钢桥面板结构安全和服役耐久性具有重要意义。

3、然而，电阻应变片或常规光纤光栅传感器，虽然可避免依赖人工经验判断造成的误差问题，但只能获取离散测点处的应变响应，难以反映疲劳敏感构造沿桥梁纵向的连续应变分布特征，故难以对损伤起始位置及其演化过程进行有效地判断。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统及方法，解决现有技术中只能获取离散测点处的应变响应且难以反映疲劳敏感构造沿桥梁纵向的连续应变分布特征，导致难以对损伤起始位置及其演化过程进行有效地判断的技术问题。

2、为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统，配置为连接于正交异性钢桥面板，正交异性钢桥面板具有呈对称布置的上游侧和下游侧，上游侧和下游侧分别包括重车道和小车道，包括：

4、应变传感网络，包括沿正交异性钢桥面板的长度方向设置的第一光缆组、第二光缆组、第三光缆组及第四光缆组，所述第一光缆组布设于所述上游侧的重车道，所述第二光缆组布设于所述上游侧的重车道和小车道之间，第三光缆组布设于所述下游侧的重车道，所述第四光缆组布设于所述下游侧的重车道和小车道之间；

5、解调仪，分别与所述第一光缆组、第二光缆组、第三光缆组及第四光缆组光连接，用于实时采集并转化各个反射光谱变化；以及

6、数据处理单元，连接于所述解调仪，用于接收、存储、显示和分析各个应变监测数据。

7、在一些实施例中，正交异性钢桥面板包括顶板、底板、u肋、横隔板及过焊孔，所述底板和所述顶板相互间隔设置，且所述顶板或底板的表面均匀布置有多个所述u肋，所述横隔板沿正交异性钢桥面板的纵向间隔设置，且横隔板上开设有用于供传感光缆通过的所述过焊孔，所述第一光缆组包括两个第一光缆，两个所述第一光缆相互平行且间隔设置，并均布设于所述上游侧重车道内重车轨迹线对应的u肋与顶板相连接的焊缝周边近焊缝区域，用于获取上游侧重车轮迹区的应变响应。

8、在一些实施例中，所述第二光缆组包括两个第二光缆，一所述第二光缆布设于所述上游侧重车道与小车道交界处对应的u肋与顶板相连接焊缝周边近焊缝区域，另一所述第二光缆位于一所述第二光缆的投影下方，并布设于所述上游侧重车道与小车道交界处对应的u肋与底板相连接焊缝周边近焊缝区域。

9、在一些实施例中，所述第三光缆组包括两个第三光缆，两个所述第三光缆相互平行且间隔设置，并均布设于所述下游侧重车道内重车轨迹线对应的u肋与顶板相连接的焊缝周边近焊缝区域，用于获取下游侧重车轮迹区的应变响应。

10、在一些实施例中，所述第四光缆组包括两个第四光缆，一所述第四光缆布设于所述下游侧重车道与小车道交界处对应的u肋与顶板相连接焊缝周边近焊缝区域，另一所述第四光缆位于一所述第四光缆的投影下方，并布设于所述下游侧重车道与小车道交界处对应的u肋与底板相连接焊缝周边近焊缝区域。

11、在一些实施例中，所述第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆分别依次穿过所述横隔板上的所述过焊孔，以形成能够覆盖重车轮迹区、车道交界参考区和底板对应区域的八测线立体应变监测网络。

12、在一些实施例中，所述解调仪与所述第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆均光连接，用于实时采集所述第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆内光栅传感单元的反射光谱变化，并将其转换为应变监测数据。

13、在一些实施例中，所述数据处理单元能够将所述第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆的应变数据进行时间同步、位置配准和区段划分，并基于桥梁健康阶段的历史监测数据建立多测线协同基准。

14、在一些实施例中，所述基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统还包括多个连接组件，所述连接组件包括结构胶层和覆盖增强层，所述覆盖增强层经所述结构胶层连接于所述顶板或底板或u肋，所述覆盖增强层与所述顶板或底板或u肋之间合围形成有用于容纳所述第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆的容纳腔，且所述结构胶层与所述第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆相连接。

15、第二方面，本发明还提供了一种基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测方法，运用如上所述的基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统，具体步骤如下：

16、根据桥梁结构，依次敷设第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆；

17、第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆通过光纤跳线接入解调仪，且解调仪与数据处理单元相连接；

18、解调仪对各个传感光缆中的各光栅传感单元进行实时同步监测，记录其反射光谱变化，并将其转换为各测线上的应变监测数据；

19、数据处理单元实时接收来自解调仪的监测数据，并按测线类型和空间位置进行存储、显示和分析，从而获得上游侧重车轨迹线、上游侧车道交界参考线、上游侧底板对应线、下游侧重车轨迹线、下游侧车道交界参考线及下游侧底板对应线沿桥梁纵向的应变响应信息；

20、同步获取正交异性钢桥面板重车轮迹区、车道交界参考区和底板对应区域的分布式应变数据，并为后续建立健康基准模式、提取多测线差异特征、识别异常区段及开展劣化时空表征提供基础数据支撑。

21、与现有技术相比，本发明提供的基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统及方法的有益效果包括：相较于现有技术，利用沿正交异性钢桥面板的长度方向设置的第一光缆组、第二光缆组、第三光缆组及第四光缆组可以通过解调仪实时采集并转化各个反射光谱变化，并通过数据处理单元接收、存储、显示和分析各个应变监测数据，由于各个传感光缆均沿预设测线通长布设，且各个光栅传感单元的位置关系已知，使得系统检测到上述多测线协同指标在特定区段发生持续偏离后，可结合异常变化的幅值、空间位置和持续时间，将异常区段对应到桥梁结构模型中的相应u肋、连接焊缝或横隔板附近区域，从而为识别内部刚度变化、疲劳损伤风险或结构异常演化趋势提供依据，能够解决现有技术中只能获取离散测点处的应变响应且难以反映疲劳敏感构造沿桥梁纵向的连续应变分布特征，导致难以对损伤起始位置及其演化过程进行有效地判断的技术问题。

1.一种基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统，配置为连接于正交异性钢桥面板，正交异性钢桥面板具有呈对称布置的上游侧和下游侧，上游侧和下游侧分别包括重车道和小车道，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统，其特征在于，正交异性钢桥面板包括顶板、底板、u肋、横隔板及过焊孔，所述底板和所述顶板相互间隔设置，且所述顶板或底板的表面均匀布置有多个所述u肋，所述横隔板沿正交异性钢桥面板的纵向间隔设置，且横隔板上开设有用于供传感光缆通过的所述过焊孔，所述第一光缆组包括两个第一光缆，两个所述第一光缆相互平行且间隔设置，并均布设于所述上游侧重车道内重车轨迹线对应的u肋与顶板相连接的焊缝周边近焊缝区域，用于获取上游侧重车轮迹区的应变响应。

3.根据权利要求2所述的基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统，其特征在于，所述第二光缆组包括两个第二光缆，一所述第二光缆布设于所述上游侧重车道与小车道交界处对应的u肋与顶板相连接焊缝周边近焊缝区域，另一所述第二光缆位于一所述第二光缆的投影下方，并布设于所述上游侧重车道与小车道交界处对应的u肋与底板相连接焊缝周边近焊缝区域。

4.根据权利要求3所述的基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统，其特征在于，所述第三光缆组包括两个第三光缆，两个所述第三光缆相互平行且间隔设置，并均布设于所述下游侧重车道内重车轨迹线对应的u肋与顶板相连接的焊缝周边近焊缝区域，用于获取下游侧重车轮迹区的应变响应。

5.根据权利要求4所述的基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统，其特征在于，所述第四光缆组包括两个第四光缆，一所述第四光缆布设于所述下游侧重车道与小车道交界处对应的u肋与顶板相连接焊缝周边近焊缝区域，另一所述第四光缆位于一所述第四光缆的投影下方，并布设于所述下游侧重车道与小车道交界处对应的u肋与底板相连接焊缝周边近焊缝区域。

6.根据权利要求5所述的基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统，其特征在于，所述第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆分别依次穿过所述横隔板上的所述过焊孔，以形成能够覆盖重车轮迹区、车道交界参考区和底板对应区域的八测线立体应变监测网络。

7.根据权利要求6所述的基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统，其特征在于，所述解调仪与所述第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆均光连接，用于实时采集所述第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆内光栅传感单元的反射光谱变化，并将其转换为应变监测数据。

8.根据权利要求5所述的基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统，其特征在于，所述数据处理单元能够将所述第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆的应变数据进行时间同步、位置配准和区段划分，并基于桥梁健康阶段的历史监测数据建立多测线协同基准。

9.根据权利要求5所述的基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统，其特征在于，所述基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统还包括多个连接组件，所述连接组件包括结构胶层和覆盖增强层，所述覆盖增强层经所述结构胶层连接于所述顶板或底板或u肋，所述覆盖增强层与所述顶板或底板或u肋之间合围形成有用于容纳所述第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆的容纳腔，且所述结构胶层与所述第一光缆、第二光缆、第三光缆及第四光缆相连接。

10.一种基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测方法，其特征在于，运用如权利要求1至9所述的基于光栅阵列传感的钢桥面板劣化检测系统，具体步骤如下：