1.一种桥梁冲刷多源监测系统的冲深评定方法,基于桥梁冲刷多源监测系统,其特征在于:系统包括智能监测系统、数据工控机、5G远程通信传输系统以及远程冲刷深度评定中心;
所述智能监测系统由3个子系统组成,包括桥梁动力特性高频实时监测系统、可调声速水下深度监测系统及受冲海床土压力变化测试系统,且3个子系统能够相互偶联进行触发式控制采集桩侧数据,形成多源监测数据,对桥梁局部冲刷实时感知监测,实现了时钟同步、冲刷环境条件动态控制、接触式传感器与非接触式传感器一体化集成;
所述数据工控机及5G远程通信系统安装于桥墩顶部,能够把从智能监测系统中获得的多源监测数据通过5G通信进行断点续传,实现远程数据传输,并可远程回访储存于桥梁数据工控机中的数据;
所述远程冲刷深度评定中心从智能监测系统中获得多源监测数据,通过对多源监测数据融合和权值归一化算法对桩基局部冲刷深度进行评定;
所述桥梁动力特性高频实时监测系统,采用高频动态双向加速度传感器及动应变传感器组合,所述高频动态双向加速度传感器安装于桥墩顶部与桩基承台上,动应变传感器安装于桥墩顶部和底部的表面上,其中高频动态双向加速度传感器的双向加速度方向设置为:x为水流方向,y为垂直于水流方向,实现桥梁结构动力响应监测;
所述可调声速水下深度监测系统,采用单波束测深仪,所述单波束测深仪的换能器通过不锈钢杆件安装于不锈钢抱箍上,并保持单波束测深仪的换能器垂直设置在水面以下位置处,所述不锈钢抱箍安装于近年最低潮位桥墩表面上;
所述受冲海床土压力变化测试系统集成压力传感器及渗压传感器,将其从桥墩附近准确下放至桩前指定测点;
方法包括如下步骤:
考虑按照层次分析法进行动态权重选取,将智能监测系统动态权重选取作为目标层,水流速度、水深、泥沙粒径、悬浮质浓度、环境振动大小及冲刷外界环境作为准则层,智能监测系统的3个子系统作为方案层,形成一个多层次智能监测系统动态权值选取结构模型,构造判断矩阵,并进行层次单排序及其一致性检验,层次总排序及其一致性检验步骤,对桥梁桩基冲刷智能监测系统的权值动态选取开展实时分析,得出桥梁动力特性高频实时监测系统、可调声速水下深度监测系统、受冲海床土压力变化测试系统的动态权值为λ1,λ2,λ3;由于3个子系统监测数据最终转换得到的都为冲刷深度值,将各个权值按照下式进行归一化处理:根据权值归一化的结果,对实际桥梁冲刷深度进行多源数据融合:
yb=a1y1+a2y2+a3y3
式中:yb为多源监测数据融合下的冲刷深度,a1,a2,a3为归一化后的桥梁动力特性高频实时监测系统、可调声速水下深度监测系统、受冲海床土压力变化测试系统的动态值,y1,y2,y3为桥梁动力特性高频实时监测系统、可调声速水下深度监测系统、受冲海床土压力变化测试系统各自换算得到的冲刷深度。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁冲刷多源监测系统的冲深评定方法,其特征在于:所述数据工控机通过导线与智能监测系统及电源机箱相连接,控制多源传感器的参数设定,实现桥梁冲刷感知数据链的连续存储和分块调用,并通过5G远程通信传输系统断点续传,向远程冲刷深度评定中心传输监测数据。
3.根据权利要求1‑2任一所述的一种桥梁冲刷多源监测系统的冲深评定方法,其特征在于:系统的监测过程包括如下步骤:
1)在普通天气环境下:
1.1)在不锈钢抱箍位置处的桥墩表面安装渗压传感器,渗压传感器实时工作,数据通过导线上传至数据工控机,数据工控机通过预先设置的算法得到实时潮位数据,按照实时潮位数据是否达到设定的监测阈值来控制单波束测深仪开关,根据声波在实际海域环境的传播速度设置波速大小,避免单波束测深仪因复杂多变的外部环境及长时间工作造成的系统误差影响监测精度,单波束测深仪监测数据显示桥梁桩基测点处冲刷界面深度变化;
设定单波束测深仪采集阈值h′,数据工控机通过安装于不锈钢抱箍位置处桥墩表面的渗压传感器换算而得的潮位高程来自动控制单波束测深仪的开关,当潮位大于h′时,进行测深采样,当潮位小于h′时,停止测深采样,避免单波束测深仪因长时间工作引起的测量误差积累而影响监测精度;为防止单个数据的偶然性,当多个测试数据达到h′时,才自动控制单波束测深仪的开关;通过单波束测深仪的换能器底面距离水底深度监测数据htr可显示出桥墩迎流侧土层界面变化,然后,通过不同时间测得的单波束测深仪的换能器底面距离水底深度监测数据之差即可求得冲刷深度变化Δhtr;相关计算理论如下:h1=Pk/γ1‑h2
式中:h1为潮位高程;Pk为不锈钢抱箍位置处的桥墩表面渗压传感器的实测数据;γ1为海水容重;h2为不锈钢抱箍位置处桥墩表面的渗压传感器与潮位基准面的距离;htr为单波束测深仪的换能器底部与海床面的距离;C为海水实际平均声速;t为声波的双程时间;
1.2)设定单波束测深仪深度数据变化幅值,当测深数据到达变化幅值时,数据工控机自动控制打开桥梁动力特性高频实时监测系统、受冲海床土压力变化测试系统,使其正常工作,获得3个子系统时钟同步的实时监测数据;
设定受冲海床土压力变化测试系统中压力传感器、渗压传感器采样频率,取其平均压力数据P2和P3;其中压力传感器采集的数据包括了土层压力和水压力数值,而渗压传感器采集的数据仅仅包含水压力数值,即通过压力传感器及渗压传感器的数值差可反映泥沙冲刷或回淤压力数值ΔP;通过对海床持力层进行钻孔取样,试验测得海床土壤有效重度γ2,即可以得出桩侧土压力监测系统上泥沙冲刷或回淤厚度h3;
ΔP=P2‑P3
式中:Pi为受冲海床土压力变化测试系统中压力传感器的实测数据,i为不同时刻压力传感器的实测数据点,n为数据个数,Pj为受冲海床土压力变化测试系统中渗压传感器的实测数据,j为不同时刻渗压传感器的实测数据点;
当海床持力层界面发生变化时;通过对受冲海床土压力变化测试系统及不锈钢抱箍位置处的桥墩表面渗压传感器进行进一步分析,判断出系统装置绝对位置是否发生了变化,结合上式泥沙冲刷或回淤情况,综合判断出冲刷深度变化;
h4=(P3‑P1)/γ1
式中:h4为受冲海床土压力变化测试系统距离不锈钢抱箍位置处桥墩表面渗压传感器的深度;Pk为不锈钢抱箍位置处的桥墩表面渗压传感器的实测数据,n为数据点的个数,k为不同时刻不锈钢抱箍位置处桥墩表面渗压传感器的实测数据点;P1为不锈钢抱箍位置处桥墩表面的渗压传感器监测的渗压平均值;
1.3)桥梁动力特性高频实时监测系统对桥墩顶部及桩基承台加速度数据和桥墩顶部及底部的动应变数据进行高频动态监测,在大地脉动的作用下对加速度信号采集,对此信号进行频谱分析,得出响应信号中包含的结构自振频率信息;基于ANSYS有限元软件对桥梁模型进行建模及网格划分,通过在ANSYS有限元软件内设置弹簧单元来模拟桩土相互作用,其中弹簧刚度K由m法来确定,结合安装当日人工水下探摸的冲刷深度及实测加速度数据对数值模型进行修正,建立基准数值模型;将基准数值模型通过删除不同深度处的弹簧单元来模拟桥梁不同的冲刷深度,得到了不同冲刷深度工况下的自振频率;将通过模拟得到的部分自振频率结果和相应的冲刷深度进行人工神经网络训练,用其余的自振频率结果进行检验,确保网络模型的准确性,其中网格模型选择自振频率敏感阶数作为网络输入参数,输出参数为冲刷深度;将实际测量的桥墩顶部及桩基承台加速度数据识别出的相应自振频率输入人工神经网络中,从而得到桥梁冲刷深度数值;通过基于曲率函数的方法,采用应变‑曲率‑挠度关系,将动应变数据换算为桥墩的动挠度数据,评价桥梁运营安全状况;
2)在恶劣的环境下:
2.1)数据工控机控制同时打开智能监测系统的3个子系统,使其同时动态在线工作,获得3个子系统时钟同步的实时监测数据,根据步骤1.1)获得可调声速水下深度监测系统中的单波束测深仪测深数据,根据步骤1.2)获得受冲海床土压力变化测试系统中的压力及渗压数据,根据步骤1.3)的桥梁动力特性高频实时监测系统获得加速度数据及动应变数据;
从而得到桥梁动力特性高频实时监测系统、可调声速水下深度监测系统、受冲海床土压力变化测试系统各自换算得到的冲刷深度。