本發(fā)明涉及橋梁及通信領(lǐng)域，尤其涉及一種基于可設(shè)計(jì)性橋梁模型的橋梁監(jiān)測教學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著我國公橋梁事業(yè)的發(fā)展，橋梁越來越多，同時既有的許多橋梁亦逐漸進(jìn)入了養(yǎng)護(hù)維修階段。而且隨著時間的推移，其數(shù)量還在不斷增長，橋梁管理者對橋梁的養(yǎng)護(hù)已日益重視。橋梁在竣工驗(yàn)收和營運(yùn)使用一段時間后均通過靜、動力荷載試驗(yàn)對其承載能力、技術(shù)狀況等進(jìn)行檢測，大型橋梁在營運(yùn)使用期間也需通過在線健康監(jiān)測隨時了解其使用狀況和安全性。我國前幾年大量投入建設(shè)的公路工程等基礎(chǔ)設(shè)施，近年來已普遍進(jìn)入維護(hù)保養(yǎng)期，對橋梁的檢測評定和健康監(jiān)測成為長期且急迫的社會需求。

目前，在高校的橋梁檢測的教學(xué)過程中，理論教學(xué)無法替代實(shí)踐教學(xué)的作用。上述相關(guān)內(nèi)容的沒有較好的試驗(yàn)教學(xué)方法，難以使學(xué)生對橋梁工程實(shí)體和試驗(yàn)檢測工作有系統(tǒng)、全面地認(rèn)知、理解和掌握，教學(xué)效果普遍較差。原因主要在于：真實(shí)橋梁的靜、動力荷載試驗(yàn)和健康監(jiān)測均需要實(shí)際工程項(xiàng)目作為支撐，需投入巨大的人力、物力資源，試驗(yàn)周期較長，一般不能重復(fù)試驗(yàn)，學(xué)生參加實(shí)踐的機(jī)會很少，即使讓學(xué)生到現(xiàn)場參觀實(shí)習(xí)，除存在安全風(fēng)險外，學(xué)生也只能看到局部的試驗(yàn)工作，而大量的結(jié)構(gòu)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、安全評估等工作都無法參與和了解。由于傳統(tǒng)土工工程實(shí)踐教學(xué)所采用的模型一般為混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件等，難以自行拼裝、搭建，一般以驗(yàn)證性試驗(yàn)為主，相對其他專業(yè)而言學(xué)生難以獨(dú)立完成自主性、創(chuàng)新性試驗(yàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性不高，教學(xué)效果不好。因此，亟需一種新的技術(shù)手段，能夠解決橋梁檢測教學(xué)中存在的現(xiàn)場試驗(yàn)需要以實(shí)際橋梁為依托、現(xiàn)場組織管理困難、成本高、風(fēng)險大的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于可設(shè)計(jì)性橋梁模型的橋梁監(jiān)測教學(xué)系統(tǒng)，以解決上述問題。

本發(fā)明提供的基于可設(shè)計(jì)性橋梁模型的橋梁監(jiān)測教學(xué)系統(tǒng)包括：

橋梁模型，用于仿真搭建模擬橋梁結(jié)構(gòu)，

自動加載控制單元，用于控制模擬橋梁模型荷載變化，

橋梁狀態(tài)檢測分析單元，用于根據(jù)橋梁荷載變化對橋梁狀態(tài)進(jìn)行分析，獲取橋梁檢測結(jié)果，

所述自動加載控制單元包括控制器、模型車以及用于驅(qū)動模型車在橋梁模型上運(yùn)動的驅(qū)動裝置，所述驅(qū)動裝置與控制器連接。

進(jìn)一步，所述橋梁狀態(tài)檢測分析單元包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和評估模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)分析模塊，所述數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出統(tǒng)計(jì)圖表，評估模塊根據(jù)統(tǒng)計(jì)圖表生成評價報告。

進(jìn)一步，所述橋梁模型包括多種橋梁結(jié)構(gòu)，所述模型車的重量可調(diào)，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)類型的橋梁模型、模型車的加載位置及荷載等級，設(shè)置橋梁檢測的加載方案，控制器根據(jù)加載方案控制模型車在橋梁模型上進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動。

進(jìn)一步，還包括報警單元，預(yù)設(shè)橋梁狀態(tài)的安全閾值，當(dāng)橋梁狀態(tài)檢測分析單元檢測的橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)超過安全閾值上限時，控制器控制報警單元發(fā)出報警，并控制驅(qū)動裝置停止工作。

進(jìn)一步，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括應(yīng)變傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器和溫度傳感器，數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)采集的橋梁模型的橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)，獲取橋梁各個部位的應(yīng)力、撓度、裂縫、振動頻率和類型。

進(jìn)一步，還包括外部接口單元，所述數(shù)據(jù)采集模塊與外部接口單元連接。

進(jìn)一步，還包括檢測終端，所述檢測終端至少包括顯示模塊、輸入模塊和中央處理器，所述顯示模塊和輸入模塊分別與中央處理器連接，所述中央處理器與控制器連接。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明中的基于可設(shè)計(jì)性橋梁模型的橋梁監(jiān)測教學(xué)系統(tǒng)，使用可設(shè)計(jì)的橋梁模型，能夠便捷地拼裝各種橋梁，還能通過削弱構(gòu)件間的連接等手段模擬橋梁構(gòu)件的開裂、損傷，或根據(jù)想象將多個構(gòu)件自由組合、拼裝，設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)、新橋型，并對其進(jìn)行加載試驗(yàn)，通過測試得到虛擬的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，評判加載方案是否合理，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析評價橋梁的承載能力和安全性，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，適用于進(jìn)行大面積教學(xué)推廣，能夠很好地用于橋梁靜、動力荷載試驗(yàn)和健康監(jiān)測方面的教學(xué)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明的原理示意圖。

如圖1所示，本實(shí)施例中的基于可設(shè)計(jì)性橋梁模型的橋梁監(jiān)測教學(xué)系統(tǒng)，包括

橋梁模型，用于仿真搭建模擬橋梁結(jié)構(gòu)，

自動加載控制單元，用于控制模擬橋梁模型荷載變化，

橋梁狀態(tài)檢測分析單元，用于根據(jù)橋梁荷載變化對橋梁狀態(tài)進(jìn)行分析，獲取橋梁檢測結(jié)果，

所述自動加載控制單元包括控制器、模型車以及用于驅(qū)動模型車在橋梁模型上運(yùn)動的驅(qū)動裝置，所述驅(qū)動裝置與控制器連接。

在本實(shí)施例中，橋梁模型1不只是采用圖1中的結(jié)構(gòu)，梁可以采用多個T型短梁，多個T型短梁以可拆卸方式首尾連接，梁也可以為箱梁，所述箱梁為多個，多個箱梁之間以可拆卸方式首尾連接，橋梁模型還包括索塔，所述梁設(shè)置有用于與索塔之間通過繩索連接的孔。通過不同的梁的結(jié)構(gòu)，可以搭建出各種類型的橋梁模型，本實(shí)施例中的橋梁模型1可以采用搭積木的方式，通過多個T型短梁4以可拆卸方式首尾連接，形成橋梁，支撐體5設(shè)置有與T型梁尺寸相匹配的凹槽，將T型梁插入凹槽內(nèi)，可以對T型梁進(jìn)行制成固定，當(dāng)使用箱梁時，可以采用寬度凹槽較大的凹槽即可，在本實(shí)施例中，通過拼接板構(gòu)建能夠便捷地拼裝為簡支梁橋、連續(xù)梁橋、連續(xù)鋼構(gòu)橋、斜拉橋、懸索橋等各種橋梁，不僅可以以模擬施工過程，進(jìn)行施工控制教學(xué)，拼接板構(gòu)建可以采用類似樂高積木的結(jié)構(gòu)，也可以采用有機(jī)玻璃、鋁材、細(xì)鋼絲等便于加工的材料，將橋梁的各個構(gòu)件縮小尺寸制作為批量的模塊，模塊上預(yù)留銷接孔、鍵，附圖中未畫出，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過現(xiàn)有技術(shù)了解多種實(shí)現(xiàn)方式，只要能夠滿足拼接成各種類型的橋梁結(jié)構(gòu)即可，在此不再對拼接板構(gòu)建的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行贅述；并對其進(jìn)行加載試驗(yàn)，理解和掌握各種橋型受力體系的差異和優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)想象，結(jié)合力學(xué)、美學(xué)等知識將不同構(gòu)件自由組合、拼裝，設(shè)計(jì)成新型結(jié)構(gòu)，并通過加載試驗(yàn)驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造是否合理，也可以采用開發(fā)的教學(xué)軟件輔助驗(yàn)證。通過多種結(jié)構(gòu)類型的橋梁模型可人為設(shè)置結(jié)構(gòu)病害、缺陷，可以通過削弱構(gòu)件間的連接等手段(如固結(jié)改為鉸接、改變支撐狀況等)模擬橋梁構(gòu)件的開裂、損傷，并通過試驗(yàn)和模擬(模型試驗(yàn)和開發(fā)的軟件模擬)，由實(shí)測數(shù)據(jù)分析不同損傷所造成的結(jié)構(gòu)受力體系、特征的改變，實(shí)現(xiàn)損傷評估和狀態(tài)監(jiān)測。

在本實(shí)施例中，自動加載控制系統(tǒng)由模型車2、驅(qū)動裝置和控制器組成，與可設(shè)計(jì)性橋梁模型積木配合使用，其功能主要是控制模擬車2在橋梁模型上以多種車速前進(jìn)、后退、在任意位置停車等，模擬車2載重量可以改變(如通過增減砝碼改變)。模擬車2采用電力驅(qū)動，控制器發(fā)出指令到數(shù)字輸出模塊并控制驅(qū)動裝置工作，實(shí)現(xiàn)模擬車2的前進(jìn)、后退；紅外線傳感器、超聲測距傳感器探測到邊界、距離信號后通過數(shù)字輸入模塊傳送給控制器，控制器根據(jù)小車的當(dāng)前狀態(tài)自動指令其作出停車或進(jìn)、退等動作。

在本實(shí)施例中，橋梁狀態(tài)檢測分析單元包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和評估模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)分析模塊，所述數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出統(tǒng)計(jì)圖表，評估模塊根據(jù)統(tǒng)計(jì)圖表生成評價報告，通過測試數(shù)據(jù)采集、記錄、橋梁狀態(tài)分析、橋梁安全性評估、預(yù)警等。橋梁狀態(tài)檢測及安全性評估分析具有有限元模型計(jì)算、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、分析等功能，可以采用Labview圖形化編程語言編寫，包含有極為豐富的硬件驅(qū)動接口，可與通用的數(shù)采硬件匹配通訊，并能模擬車2自動加載控制系統(tǒng)保持指令同步，橋梁模型包括多種橋梁結(jié)構(gòu)，所述模型車的重量可調(diào)，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)類型的橋梁模型、模型車的加載位置及荷載等級，設(shè)置橋梁檢測的加載方案，控制器根據(jù)加載方案控制模型車在橋梁模型上進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，生成統(tǒng)計(jì)圖表，繪制荷載作用下的荷載-應(yīng)力圖、荷載-撓度曲線、裂縫分布圖等，學(xué)生進(jìn)行綜合分析后計(jì)算荷載試驗(yàn)的校驗(yàn)系數(shù)，對橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、抗裂性能等進(jìn)行評價，最終評定橋梁的承載力和安全性并編制試驗(yàn)報告。

在本實(shí)施例中，預(yù)設(shè)橋梁狀態(tài)的安全閾值，當(dāng)橋梁狀態(tài)檢測分析單元檢測的橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)超過安全閾值上限時，控制器控制報警單元發(fā)出報警，并控制驅(qū)動裝置停止工作。教學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程中，通過控制模擬車2加載在橋梁模型的不同部位、或以不同車速行駛通過橋梁，同時控制數(shù)采硬件進(jìn)行采集、記錄，得到橋梁各個部位的各種力學(xué)響應(yīng)。當(dāng)荷載作用下虛擬傳感器的輸出量值超過預(yù)設(shè)的安全閾值時，系統(tǒng)預(yù)警或終止加載。加載的橋梁模型可以是無缺陷的，也可以是預(yù)設(shè)缺陷的，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析、評價，學(xué)生編制橋梁承載力、安全性評估等試驗(yàn)報告。

本實(shí)施例中的數(shù)據(jù)采集模塊包括應(yīng)變傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器和溫度傳感器，數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)采集的橋梁模型的橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)，獲取橋梁各個部位的應(yīng)力、撓度、裂縫、振動頻率和類型。通過本實(shí)施例，可完成對橋梁模型不同測試截面的靜力加載試驗(yàn)，以及各種車速跑車、剎車、跳車、環(huán)境激勵等動力加載試驗(yàn)，能夠測試得到橋梁模型的應(yīng)力(應(yīng)變)、位移、撓度、裂縫、加速度、自振頻率、振型、沖擊系數(shù)等一系列物理指標(biāo)，通過分析可得到橋梁承載能力、損傷影響程度、橋型受力是否合理等評估結(jié)論，試驗(yàn)過程中需要系統(tǒng)性地運(yùn)用橋梁工程、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、測試技術(shù)、信號處理等多方面的知識，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力、分析解決問題、報告編寫和團(tuán)隊(duì)意識等綜合能力。

在本實(shí)施例中，還包括檢測終端，所述檢測終端至少包括顯示模塊、輸入模塊和中央處理器，所述顯示模塊和輸入模塊分別與中央處理器連接，所述中央處理器與控制器連接，學(xué)生可以根據(jù)所選橋型的受力特點(diǎn)，在檢測終端中合理確定最不利的控制截面(在截面中點(diǎn)選)，通過檢測終端的顯示模塊輸出相應(yīng)截面的內(nèi)力影響線(預(yù)先由橋型、跨徑等條件計(jì)算得到，根據(jù)學(xué)生選擇調(diào)用)，學(xué)生在內(nèi)力影響線上進(jìn)行最不利布載以確定設(shè)計(jì)控制內(nèi)力、荷載試驗(yàn)內(nèi)力、試驗(yàn)荷載大小及荷載效率等，并編制荷載試驗(yàn)加載方案，例如確定加載車數(shù)量、加載工況、加載位置、荷載分級等，執(zhí)行加載試驗(yàn)時，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生預(yù)定的試驗(yàn)方案，模擬試驗(yàn)加載車輛對橋梁進(jìn)行加載試驗(yàn)，加載過程中結(jié)構(gòu)模型上布設(shè)的傳感器會輸出量值并記錄，學(xué)生可通過圖片、圖表、數(shù)值等形式觀察橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力(應(yīng)變)、撓度、裂縫等變化。軟件預(yù)先針對不同橋型、荷載等級、加載位置等計(jì)算出橋梁各部位的應(yīng)變、撓度、裂縫部位、裂縫長寬等理論結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)過程中，可以采用隨機(jī)變量加以控制，使傳感器的輸出量值在一定范圍內(nèi)隨機(jī)波動，以模擬正常橋梁和不正常橋梁的響應(yīng)，反映工程結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的離散性，當(dāng)荷載作用下虛擬傳感器的輸出量值超過預(yù)設(shè)的安全閾值時，系統(tǒng)報警并暫停試驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)進(jìn)行分析后決定繼續(xù)加載或終止試驗(yàn)；如學(xué)生編制的試驗(yàn)方案不合理(荷載過大、加載位置不合理等)，通過檢測終端會出現(xiàn)橋梁模型垮塌的情況，提示學(xué)生重新編制加載方案。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。