基于光纖光柵傳感技術(shù)的裝配式梁橋重載車(chē)識(shí)別技術(shù)

謝 俊

（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

裝配式空心板是中國(guó)公路橋梁建設(shè)中常用的上部結(jié)構(gòu)形式，其基本原理是采用橫向連接系（通常為現(xiàn)澆企口混凝土鉸縫和焊接鋼板）將各預(yù)制板梁連成整體，以共同承受車(chē)輛荷載作用，從而有效降低單片板的內(nèi)力[1,2]。

裝配式梁橋的各預(yù)制空心板或T梁間的橫向連接對(duì)結(jié)構(gòu)的整體承載能力至關(guān)重要，浙江象山縣的象西線和沿海南線上的16座橋建立了基于光纖光柵傳感技術(shù)的一體化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的功能很全面，直接目的是監(jiān)測(cè)橫向連接的受力狀況、已有裂縫的寬度變化狀況及伸縮縫變形狀況等，還有一項(xiàng)重要功能就是在不增加橋頭稱(chēng)重系統(tǒng)等額外投資的前提下實(shí)現(xiàn)了對(duì)通行的重載車(chē)及其重量的識(shí)別。許多特大橋橋頭安裝了治超用的車(chē)輛稱(chēng)重系統(tǒng)，但對(duì)眾多的中小裝配式梁橋安裝車(chē)輛稱(chēng)重系統(tǒng)顯然是不經(jīng)濟(jì)的[3]。因此，本文中實(shí)現(xiàn)的基于光纖光柵傳感技術(shù)的裝配式梁橋重載車(chē)識(shí)別對(duì)超載治理及結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要意義，應(yīng)用實(shí)例分析表明，該方法的重載車(chē)識(shí)別結(jié)果是正確的，能達(dá)到工程精度要求。

2 基于光纖光柵傳感技術(shù)的裝配式梁橋結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與通信

光纖光柵作為一種新型的傳感元件，具有體積小、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)，并具有很強(qiáng)的串聯(lián)復(fù)接能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變以及溫度的直接測(cè)量，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[4]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)在監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)的新形勢(shì)，系統(tǒng)通過(guò)前端硬件采集數(shù)據(jù)，借助無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸從前端傳輸?shù)奖O(jiān)控服務(wù)器，并通過(guò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)共享和存儲(chǔ)，使用者可以方便地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)等終端設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)物物相連的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 數(shù)據(jù)采集與通訊系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)安裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器與其它光纖光柵傳感器共同通過(guò)二次儀表，即光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)GPRS無(wú)線傳輸模塊上傳到云服務(wù)器某一物理端口。通過(guò)建立高速交換式以太網(wǎng)、服務(wù)器、瀏覽站以及網(wǎng)絡(luò)各計(jì)算機(jī)系統(tǒng)間的通訊連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控室其它子系統(tǒng)設(shè)備的通訊連接。而監(jiān)控室計(jì)算機(jī)終端設(shè)備通過(guò)外置網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)上網(wǎng)設(shè)備建立與公網(wǎng)服務(wù)器的連接。網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)構(gòu)如圖1所示。

內(nèi)置于公網(wǎng)服務(wù)器的服務(wù)程序，實(shí)時(shí)接收遠(yuǎn)端傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、分析、處理后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，供其它系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)能夠提供全平臺(tái)（PC電腦、手機(jī)、平板電腦、手持移動(dòng)設(shè)備、云端）支持，設(shè)備終端通過(guò)WLAN(WIFI)或者移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，建立與公網(wǎng)服務(wù)器的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與公網(wǎng)服務(wù)器共享，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)對(duì)象安全狀況的可測(cè)、可視及可控。

3 基于光纖光柵傳感技術(shù)的裝配式梁橋重載車(chē)識(shí)別原理

圖2 重載車(chē)引起的動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)

圖3 重載車(chē)識(shí)別系統(tǒng)解決方案

車(chē)輛通過(guò)大橋時(shí)交通荷載會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)的各種響應(yīng)，尋找各種響應(yīng)量與交通荷載間的關(guān)系可以為重載車(chē)識(shí)別提供相應(yīng)依據(jù)。重載車(chē)過(guò)橋時(shí)段內(nèi)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的變化曲線如圖2所示，在重載車(chē)通過(guò)時(shí)刻動(dòng)態(tài)應(yīng)變出現(xiàn)了一些脈沖峰值，應(yīng)變曲線的脈沖高度反映了重載車(chē)的載重量，脈沖發(fā)生的時(shí)間即是重載車(chē)通過(guò)監(jiān)測(cè)截面的時(shí)間，相應(yīng)傳感器的編號(hào)可以判斷重載車(chē)通過(guò)的車(chē)道。由于車(chē)輪經(jīng)過(guò)橋梁某一截面的位置是在一定范圍內(nèi)不斷變化的，所以要準(zhǔn)確地測(cè)得車(chē)輛實(shí)際引起的波長(zhǎng)變化值，須在各片單梁底都布滿(mǎn)傳感器，這樣根據(jù)多點(diǎn)傳感器測(cè)出的應(yīng)變值采用數(shù)據(jù)融合算法，提取傳感器有用信息濾掉誤差信號(hào)，最終得出重載車(chē)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)變化信息，根據(jù)這一信息進(jìn)行載重的分類(lèi)識(shí)別。

通過(guò)觀察分析大量的荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及MIDAS/Civil有限元模擬計(jì)算數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：兩輛不同載重的車(chē)輛通過(guò)同一監(jiān)測(cè)截面時(shí)，該截面應(yīng)變傳感器在兩種荷載工況下的應(yīng)變的比例非常接近車(chē)輛荷載的比例；同一輛重載車(chē)從橋面不同的位置通過(guò)監(jiān)測(cè)截面時(shí)，該跨所有梁板傳感器應(yīng)變變化量之和相差很小，并且應(yīng)變變化量之和與重載車(chē)的重量是線性關(guān)系。在知道重載車(chē)通過(guò)時(shí)傳感器應(yīng)變和的情況下，只要確定該線性系數(shù)，便可求得重載車(chē)的重量。

為了提高重載車(chē)識(shí)別的精度，需對(duì)裝有應(yīng)變傳感器的橋梁進(jìn)行荷載標(biāo)定試驗(yàn)。通過(guò)精確稱(chēng)重的加載車(chē)輛對(duì)各個(gè)應(yīng)變傳感器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定，從而對(duì)不同荷載位置以及不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行重載車(chē)識(shí)別系數(shù)的修正?；谲?chē)載試驗(yàn)的嚴(yán)格標(biāo)定所獲取的指定荷載作用下各傳感器的應(yīng)變響應(yīng)，即可定量地設(shè)計(jì)重車(chē)識(shí)別方案，整個(gè)重載車(chē)識(shí)別流程如圖3所示。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，這種識(shí)別方法對(duì)于車(chē)型與標(biāo)定試驗(yàn)一致的重載車(chē)識(shí)別效果最佳，對(duì)于車(chē)型不一致的重載車(chē)則存在一定誤差。主要原因?yàn)槭┘佑诮Y(jié)構(gòu)上的荷載總重相同，但是荷載分布位置不同，即會(huì)給結(jié)構(gòu)造成不同的響應(yīng)。車(chē)型不同，也就意味著軸重分配不同，軸數(shù)與輪距也可能不同，因此會(huì)帶來(lái)一定誤差。且行車(chē)速度的不同對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也會(huì)有稍許影響。然而本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要目的定位于超重車(chē)的分級(jí)識(shí)別，并非用于對(duì)所有車(chē)輛進(jìn)行精確稱(chēng)重。

4 基于光纖光柵傳感技術(shù)的裝配式梁橋重載車(chē)識(shí)別案例分析

圖4 重載車(chē)識(shí)別系統(tǒng)解決方案

圖4顯示了象西線西周二橋的一次重載車(chē)識(shí)別案例。系統(tǒng)記錄了該車(chē)經(jīng)過(guò)西周二橋的時(shí)間為2015年4月17號(hào)早上6點(diǎn)14分，行進(jìn)方向?yàn)閺南笊椒较蜷_(kāi)往寧海方向，車(chē)輛總重約為65噸左右。系統(tǒng)給出了車(chē)輛經(jīng)過(guò)大橋時(shí)的傳感器數(shù)據(jù)變化波形圖以及視頻畫(huà)面，用以相互映證此次重載車(chē)識(shí)別事件。

圖5給出了2015年第一季度大旗頭橋（沿海南線）以及下沈二橋（象西線）的重載車(chē)數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。兩座橋的重載車(chē)通過(guò)數(shù)量的分布趨勢(shì)均是一月份最大，二月份有明顯下降，三月份逐漸上升，但總體數(shù)量小于一月份；下沈二橋（象西線）所通過(guò)的重載車(chē)數(shù)量小于大旗頭橋（沿海南線）。

2015年春節(jié)處于二月中旬，一月份正值歲末各種工業(yè)運(yùn)輸比較繁忙的階段，在兩線運(yùn)行的重載車(chē)數(shù)量普遍較大，二月份重載車(chē)輛有一明顯的下降趨勢(shì)，到了三月份公路運(yùn)輸又處于一個(gè)節(jié)后復(fù)蘇的階段，車(chē)輛負(fù)荷迎來(lái)一波上升的趨勢(shì)。

圖5 2015年第一季度重載車(chē)統(tǒng)計(jì)

圖6 象西線和沿海南線空間區(qū)域分布圖

圖7 大旗頭橋和下沈二橋重載車(chē)噸位分布圖

象西線和沿海南線如圖6所示。大旗頭橋所在的沿海南線主要連接象山縣城以及“浙洋中路重鎮(zhèn)”石浦鎮(zhèn)，中間連接濱海工業(yè)園。其中石浦鎮(zhèn)的支柱產(chǎn)業(yè)為工業(yè)、漁業(yè)和以旅游業(yè)為龍頭的第三產(chǎn)業(yè)，因此作為縣城通往石浦的主要線路，沿海南線的車(chē)流量非常大，且重載車(chē)結(jié)構(gòu)多樣化。象西線的下沈二橋主要處于西周工業(yè)園的影響范圍，其中西周鎮(zhèn)是象山港西北中心鎮(zhèn)，環(huán)杭州灣產(chǎn)業(yè)帶象山產(chǎn)業(yè)區(qū)B區(qū)坐落于于此，是以汽車(chē)配件、食品機(jī)械、消防器材及低壓電器等為支柱的工業(yè)產(chǎn)業(yè)基地。但其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相比沿海南線比較單一，車(chē)流量也不及沿海南線。

進(jìn)一步分析上述兩座橋梁所通過(guò)重載車(chē)的噸位分布情況，如圖7所示。沿海南線大旗頭橋雖然車(chē)流量大，但重載車(chē)噸位以15～30噸的輕型噸位為主，30～50噸的中型噸位次之；反觀象西線的下沈二橋，其15～30噸的車(chē)輛只占總數(shù)的9%左右，而30～50噸的中型噸位占46%，50～75噸的重型噸位占45%，其受附近華翔集團(tuán)等企業(yè)工業(yè)運(yùn)輸?shù)挠绊戯@而易見(jiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于光纖光柵傳感技術(shù)的重載車(chē)在線識(shí)別系統(tǒng)利用采集到的高速應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過(guò)分析能夠識(shí)別重載車(chē)輛的時(shí)間空間分布。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)重載車(chē)輛的實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期、穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，結(jié)合應(yīng)變、裂縫、位移三類(lèi)傳感器的即時(shí)數(shù)據(jù)，可以對(duì)重載車(chē)輛經(jīng)過(guò)下橋梁的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)及評(píng)估。此外，其統(tǒng)計(jì)記錄數(shù)據(jù)也有助于完善重載車(chē)輛的荷載譜，指導(dǎo)橋梁管理養(yǎng)護(hù)部門(mén)全面把握大橋荷載狀況，有針對(duì)性地制定相關(guān)橋梁養(yǎng)護(hù)管理措施，把握最佳養(yǎng)護(hù)、加固時(shí)機(jī)。

[1]李宏江.既有裝配式梁橋橫向連接構(gòu)造評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)展[J].中外公路，2014，34（2）：124～128.

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