鐵路橋梁靜載試驗自動控制裝置的研制

孫金更

(中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心， 北京 100081)

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鐵路橋梁靜載試驗自動控制裝置的研制

孫金更

(中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心， 北京 100081)

靜載試驗是鐵路預(yù)制梁在產(chǎn)品認(rèn)證、批量生產(chǎn)中的重要檢驗手段，試驗需多臺千斤頂同時加載運行，需要的工作人員多、千斤頂同步加載精度控制困難。介紹一種集加載、檢測、記錄等功能為一體的自動控制系統(tǒng)，并具備遠(yuǎn)程實時監(jiān)控、試驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)場圖像實時上傳等功能；大量節(jié)省試驗人員數(shù)量的同時，提高試驗的精度，具有一鍵啟動完成計算、加載試驗、出具試驗報告等功能，實現(xiàn)鐵路橋梁靜載試驗的全過程自動化、數(shù)據(jù)化和信息化，滿足橋梁質(zhì)量控制和鐵路建設(shè)信息化管理需求。

鐵路橋梁；預(yù)應(yīng)力混凝土梁；靜載試驗；自控裝置

1 概述

截至2015年底，中國鐵路營業(yè)里程達(dá)12.1萬km，高鐵運營里程達(dá)1.9萬km。高速鐵路橋梁所占線路全長比例在55%以上，隨著“十三五”高速鐵路建設(shè)規(guī)模擴大，橋梁用量將大幅增加。以京滬高鐵為例，橋梁占線路全長的80%以上，正線橋梁244座，總長1 061 km。其中最常用的跨度32 m雙線整孔簡支梁共計27 973孔，全線簡支梁橋總長達(dá)956 km，占橋梁總里程的90%以上[1-3]。高鐵采用“以橋代路”是為了保證線路的高平順性、高穩(wěn)定性、高精度、小殘變及少維修等特性，不僅避免了路基沉降周期、大大縮短建設(shè)工期，而且減少耕地的占用，節(jié)約了土地資源。高架立交保證了高速通行，以滿足高速鐵路運營密度大、運行速度高、舒適度要求高的需要。

目前我國正加緊“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)建設(shè)，高速鐵路橋梁設(shè)計使用年限為100年，橋梁質(zhì)量直接關(guān)系到鐵路運營安全。因此，橋梁技術(shù)是鐵路建設(shè)的核心，橋梁質(zhì)量是線路質(zhì)量安全的基本保障，其安全性及不易更換性至關(guān)重要，故我國鐵路橋梁生產(chǎn)實行國家生產(chǎn)許可證制度管理，而靜載試驗是評定橋梁使用性能的唯一技術(shù)手段[4-6]。目前國內(nèi)傳統(tǒng)靜載試驗還停留在加載、讀數(shù)、檢測、判定均為人工操控的落后狀態(tài)，存在因裝備技術(shù)落后導(dǎo)致的人為因素大、加載及判定偏差大、占用人數(shù)多等問題[7-8]。

因此，研制鐵路橋梁靜載試驗自動控制裝置，實現(xiàn)試驗全過程自動化、數(shù)據(jù)化和信息化，推進(jìn)試驗的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，對高鐵橋梁質(zhì)量監(jiān)控意義重大[9-11]。故納入中國鐵路總公司2015年重點科研課題。

2 總體方案設(shè)計

靜載試驗自動控制裝置采用模塊化設(shè)計，分為主控、加載、校核、撓度測量、荷載測量、裂縫檢測、鐵路工程管理平臺數(shù)據(jù)傳輸、安全應(yīng)急及報警8個模塊。組成結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 總體組成結(jié)構(gòu)示意

2.1 主控模塊

主控模塊是依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》 (TB/T2092—2003)(以下簡稱：《靜載試驗標(biāo)準(zhǔn)》)進(jìn)行設(shè)計。主控模塊是自控裝置的核心，通過通訊接口與各模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，按照自動生成的計算單及預(yù)設(shè)程序自動實現(xiàn)試驗流程控制、數(shù)據(jù)檢測及計算處理、結(jié)果合格判定、試驗數(shù)據(jù)實時上傳及下載、安全應(yīng)急報警等功能。

主控模塊自動遠(yuǎn)程下載或讀取系統(tǒng)預(yù)存的試驗梁參數(shù)，并根據(jù)試驗梁參數(shù)自動計算生成《靜載試驗計算單》；一鍵“開始”后，自動完成靜載試驗全過程。加載過程中，荷載、撓度、裂縫檢測及校核模塊將采集的檢測數(shù)據(jù)實時傳送到主控模塊；主控模塊按照預(yù)定算法進(jìn)行計算、分析、判斷和輸出顯示，將數(shù)據(jù)存儲至本地數(shù)據(jù)庫、上傳到遠(yuǎn)程鐵路工程管理平臺，試驗完畢時自動打印完整的試驗報告。主控模塊結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 主控模塊結(jié)構(gòu)示意

2.2 加載模塊

加載模塊是為整個靜載試驗提供加載力的機電一體化裝置，按照主控模塊發(fā)送的加載指令進(jìn)行自動加載，為測量各加載等級下的撓度、裂縫、校核數(shù)據(jù)提供條件。確保加載的同步、平衡和準(zhǔn)確、穩(wěn)定，是靜載試驗檢驗的先決條件。

本裝置以電動機械千斤頂代替了傳統(tǒng)的液壓千斤頂。由電動機、減速器、機械千斤頂、底墊板、萬向壓帽組合為一體構(gòu)成加載機械部分；變頻器、加載程序構(gòu)成加載控制部分；加載控制部分安裝在主控機柜。機械部分、控制部分與荷載測量設(shè)備構(gòu)成一個完整的自動加載閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

課題組最新研制的電動機械千斤頂不但避免了液壓系統(tǒng)的高壓泄漏，而且解決了各試驗等級靜停結(jié)束時，在靜止?fàn)顟B(tài)下的高荷載啟動；課題組最新研制的荷載傳感器采用輪輻式壓力傳感器，具有荷載檢測與校核/監(jiān)控雙功能；電動機械千斤與雙功能荷載傳感器組合為一體機，減小了其安裝高度，增大了抗傾覆性，并滿足既有試驗臺反力架的設(shè)計安裝高度。

加載開始由加載程序發(fā)送控制指令給變頻器，變頻器輸出一定頻率的工作電壓給電動機械千斤頂，電動機械千斤頂開始加載；加載程序同時讀取所有測力傳感器的荷載值，并計算各傳感器荷載值與理論加載值之間的差值；根據(jù)差值發(fā)送不同參數(shù)的控制指令給變頻器，變頻器根據(jù)指令的不同調(diào)整輸出電壓頻率，進(jìn)而調(diào)整電動機械千斤頂?shù)募虞d速度，保證加載過程的同步、平衡。加載模塊工作原理見圖3。

圖3 加載模塊結(jié)構(gòu)原理示意

2.3 荷載檢測模塊

荷載檢測模塊由數(shù)字式測力傳感器、數(shù)字儀表、RS485串口集線器組成。壓力傳感器位于加載模塊機械部分底部。因輪輻式剪力傳感器的外加荷載作用在輪轂的頂部和輪緣的底部，在輪緣和輪轂的輪輻上受到純剪切力，故具有線性好、對力作用點不敏感、抗側(cè)向和過載能力強等優(yōu)點。壓力傳感器的精度應(yīng)不低于C級，顯示儀表最小分度值不大于加載最大量值的1%，示值誤差應(yīng)為±0.5%F.S。電動機械千斤頂與輪輻式雙功能傳感器組合體如圖4所示。

圖4 電動機械千斤頂及輪輻式傳感器

在加載過程中，荷載檢測模塊負(fù)責(zé)采集、處理、顯示壓力傳感器的實時荷載檢測值并發(fā)送給加載模塊和主控模塊。加載模塊以接收到的實時荷載值作為調(diào)整加載速度、加載量的計算參考數(shù)據(jù)；判斷加載模塊提供的實際加載值與《靜載試驗計算單》所計算的理論加載值之間的誤差是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，保證各加載點對跨中產(chǎn)生的總彎矩值與理論計算彎矩值之差小于等于1%；主控模塊將實時加載值及對應(yīng)誤差值輸出到顯示屏顯示。

圖6 荷載校核結(jié)構(gòu)原理示意

2.4 撓度測量模塊

位移測量設(shè)備由光柵位移計+數(shù)字顯示表組成。其測量分辨率可達(dá)到0.005 mm，具有實時性、直觀性，實現(xiàn)了自動化、數(shù)據(jù)化，不但節(jié)省了人工，且減少了視讀誤差及計算量。

撓度測量是采用光柵位移計對試驗梁的跨中的豎向位移值和兩端支座的沉降值進(jìn)行測量。按《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》(TB/T2092—2003)要求，共計6個光柵位移計，分別安裝在跨中(量程50 mm的2個)及兩支座處(量程10 mm的4個)。并將實時測得的豎向位移值和支座沉降值傳輸?shù)綌?shù)值顯示表及工控機的主界面上顯示。在每一級加載結(jié)束時自動計算出各加載級的撓度值及撓跨比，并自動作出靜活載下的撓跨比合格判定。并自動繪制彎矩-撓度曲線圖，實時顯示在顯示屏上。如圖5所示。

圖5 撓度測量模塊選用光柵位移計

2.5 校核模塊

本校核模塊分荷載校核和撓度校核兩部分。

2.5.1 荷載校核

為防止最大試驗荷載超載，確保加載的安全性，以及加載數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，配置一套與荷載檢測模塊相獨立的、可靠的荷載校核模塊，對試驗荷載進(jìn)行偏離校核和監(jiān)測。校核模塊檢測值與相應(yīng)加載等級理論荷載值進(jìn)行比較，判斷荷載檢測模塊工作狀態(tài)是否正常、實際加載值是否在1%的誤差范圍內(nèi)。如若超差，系統(tǒng)自動報警。

本裝置所研發(fā)的雙功能輪輻式傳感器是在同一彈性體的多個輪輻上，安裝2組交錯分布的、具有獨立輸出的應(yīng)變片，形成一個傳感器有2套完全獨立的壓力檢測系統(tǒng)，一組作為荷載檢測模塊，另一組作為荷載校核模塊(圖6)。雙功能輪輻式傳感器的應(yīng)用，實現(xiàn)檢測、校核一體化集成，結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠。

2.5.2 撓度校核

為了防止光柵位移計失準(zhǔn)或偏離，需配置一套可靠的、獨立的位移檢測儀表，以對光柵位移計的撓度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行偏離校核。位移檢測儀表采用機械百分表。其型號規(guī)格、數(shù)量、安裝位置見圖7，并應(yīng)符合《靜載試驗標(biāo)準(zhǔn)》。

圖7 光柵位移計及百分表安裝示意

2.6 裂縫檢測模塊

橋梁靜載試驗的主要目的是檢驗橋梁的使用性能，即抗裂性。裂縫自動檢測儀由以下三大系統(tǒng)組成：行走系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、裂縫分析系統(tǒng)。程控自動巡航式行走系統(tǒng)背負(fù)著高清相機組成的圖像采集系統(tǒng)，對所采集的“裂紋”圖像由裂縫分析系統(tǒng)進(jìn)行分析比較、去偽存真、甄別判斷，并作出開裂判定[12-15]。

裂縫檢測分為圖像法與振弦法兩種。受篇幅所限，本文僅介紹圖像裂縫檢測法。

2.6.1 行走系統(tǒng)

走行機構(gòu)主要用于承載圖像數(shù)據(jù)采集設(shè)備對梁體底板和下翼緣底角的重要區(qū)域進(jìn)行圖像采集。檢測范圍：梁體跨中左右各2 m底面和下翼緣底角處向上15 cm的弧面。

走行機構(gòu)通過4個負(fù)壓吸盤吸附在梁體底板平面上，如圖8紅框處所示。走行架由縱、橫向2組軌道組成，2根縱向軌道與負(fù)壓吸盤聯(lián)結(jié)，2根橫向軌道相互平行聯(lián)成一體，共同安裝在縱向軌道之上，同步行進(jìn)。詳見圖9。

圖8 負(fù)壓吸附裝置將走行機構(gòu)吸附到底板上

應(yīng)在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的檢測范圍。故當(dāng)導(dǎo)軌上的步進(jìn)小車行走速度較快時，其抖動幅度也相對較大，將導(dǎo)致相機采集到的圖像模糊。因此，試驗摸索行走速度與圖像清晰度的最佳契合點，保持走行裝置在快速行走時的穩(wěn)定性，對圖像清晰度至關(guān)重要。

走行機構(gòu)單元共搭載2套圖像數(shù)據(jù)采集裝置，安裝位置如圖9所示。軟件控制單元將控制走行小車以“弓形”走遍梁底檢測區(qū)域，通過對步進(jìn)脈沖計數(shù)，及時向圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)信號，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集。

圖9 圖像數(shù)據(jù)采集單元的安裝位置(單位：m)

2.6.2 圖像采集系統(tǒng)

圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為高清低畸變面陣相機組成的集成設(shè)備。每一設(shè)備由2個千兆網(wǎng)工業(yè)相機、2套機器視覺LED光源、2個工業(yè)鏡頭、光源亮度調(diào)節(jié)裝置及自動調(diào)焦裝置組成。如圖10所示。

圖10 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)的調(diào)試主要包括：

(1)調(diào)整光源亮度，使所測物體表面光強度適中；

(2)調(diào)整工業(yè)鏡頭的光圈、軟件控制單元控制焦距自動調(diào)整，以使圖像呈最佳清晰度；

(3)相機的曝光時間調(diào)整適度，防止圖像采集過程中的圖像拖影造成的圖像模糊。

圖像采集系統(tǒng)在特制的機械走行機構(gòu)上往復(fù)運動，對規(guī)定的檢測范圍及部位進(jìn)行掃描，單次采集用時小于每級持荷時間5 min。1.20級持荷20 min內(nèi)掃描4次。實現(xiàn)圖像采集面積全覆蓋，嚴(yán)格控制漏檢率。

在試驗開始前，首先由圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對檢測區(qū)域掃描、檢測一次，并自動記錄梁底板的初始裂縫的坐標(biāo)。試驗過程中，圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對梁體檢測區(qū)域再次進(jìn)行掃描，并將所掃描的圖像實時傳輸至圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，檢測并提取裂縫坐標(biāo)。每5 min持荷時間內(nèi)可完成1次圖像數(shù)據(jù)的采集、處理、甄別和判定。

2.6.3 裂縫分析系統(tǒng)

裂縫分析系統(tǒng)主要完成圖像裂縫分析、甄別和判定。其中裂縫甄別包括：

(1)排除已檢測到并未變化的初始裂紋；

(2)裂縫走向超過截面45°角；

(3)成片的麻面等缺陷；

(4)短而粗的裂縫。

據(jù)此，對圖像采集到的裂縫進(jìn)行去偽存真，剔除非受力裂縫，嚴(yán)格控制裂縫自動檢測儀自身的誤判率。

在每個識別周期內(nèi)總共需要處理2 000張左右的高清圖片，因而圖像分析處理系統(tǒng)的特點在于其處理性能高、支持多機并聯(lián)處理，方便擴展。裂縫檢測算法是圖像處理單元的核心，采用基于方向二值化的裂縫檢測算法對采集圖像進(jìn)行判別。首先對圖像中的高頻成分進(jìn)行提取，利用各點方向上像素動態(tài)選取二值化閾值進(jìn)行圖像分割，最終通過啟發(fā)式算法進(jìn)行裂縫篩選。

圖像分析系統(tǒng)將檢測到且經(jīng)分析甄別的裂縫通過軟件控制單元進(jìn)行自動定位，經(jīng)技術(shù)主管人員對該處裂縫進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)(含卸載閉合)無誤后作出最終開裂判定，然后上傳該裂縫所在位置及裂縫圖像信息，并出具裂縫檢測報告。

2.7 鐵路工程管理平臺數(shù)據(jù)傳輸模塊

按中國鐵路總公司要求，鐵路工程管理平臺數(shù)據(jù)傳輸模塊具備信息上傳、瀏覽和下載功能，通過與鐵路工程管理平臺(下簡稱平臺)網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)橋梁靜載試驗的網(wǎng)絡(luò)化管理及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，確保試驗參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、試驗數(shù)據(jù)的真實可靠和試驗過程的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。

2.7.1 傳輸通道

傳輸模塊配置無線網(wǎng)卡，通過Internet連接在互聯(lián)網(wǎng)中有固定IP的平臺服務(wù)器，實現(xiàn)靜載試驗標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、試驗實時數(shù)據(jù)和現(xiàn)場視頻的數(shù)據(jù)交互，試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)場圖像自動實時傳輸。如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷導(dǎo)致某階段試驗數(shù)據(jù)未能上傳，則在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)通暢后，工控機將本地數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)自動進(jìn)行對比，并把未能上傳的數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，保證試驗數(shù)據(jù)完整。

2.7.2 數(shù)據(jù)下載、瀏覽和上傳

通過數(shù)據(jù)下載、上傳接口，實現(xiàn)靜載試驗數(shù)據(jù)下載、瀏覽和上傳。實時上傳各級加載荷載參數(shù)、彎矩參數(shù)、撓跨比、應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖信息，保證數(shù)據(jù)的真實性和有效性。業(yè)主及工程管理相關(guān)部門通過平臺，遠(yuǎn)程實時瀏覽試驗進(jìn)程、試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場視頻。梁場信息、試驗梁信息、歷史靜載試驗計算單、靜載試驗報告等可在平臺下載獲得。

2.7.3 視頻實時監(jiān)控

現(xiàn)場配置2路網(wǎng)絡(luò)攝像機，分別對梁頂(加載千斤頂安裝位置)和梁底(撓度測量設(shè)備安裝位置)進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)攝像機在局域網(wǎng)經(jīng)域名映射變?yōu)楣W(wǎng)地址，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)狡脚_數(shù)據(jù)中心，工程建設(shè)管理部門、工程甲方、監(jiān)理等終端用戶通過平臺訪問攝像機并可控制其轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視試驗現(xiàn)場。

2.8 安全應(yīng)急及報警模塊

2.8.1 安全防護(hù)采取的5種技術(shù)措施

(1)增設(shè)UPS不間斷電源防止靜載試驗過程中斷電、加載異常等突發(fā)情況；

(2)主控機柜上設(shè)置急停按鈕，作為故障應(yīng)急處理；

(3)設(shè)置“設(shè)備自診斷”可在靜載試驗前，檢查設(shè)備有無異常；

(4)設(shè)置“暫?！薄ⅰ靶遁d”、“手動調(diào)整”按鈕，通過主控程序軟件控制加載、異常處理及故障排除；

(5)在網(wǎng)絡(luò)安全方面設(shè)置了病毒查殺及黑客侵入的防范措施。

2.8.2 報警分類

(1)設(shè)備儀器報警：加載千斤頂及測力傳感器、撓度測量儀、裂縫檢測儀、控制程序等出現(xiàn)異常時系統(tǒng)將自動報警；

(2)試驗數(shù)據(jù)報警：出現(xiàn)試驗荷載偏差超限，撓跨比、梁體開裂等試驗數(shù)據(jù)超標(biāo)時系統(tǒng)自動報警。

對兩類情況分別采用不同的報警信號進(jìn)行區(qū)別。且不同的設(shè)備故障采用不同的報警方式。報警信號分為顯示屏數(shù)據(jù)閃爍，聲音報警和聲光報警。報警情況見表1。

表1 報警方式區(qū)別

3 驗證試驗

驗證試驗分為試驗室模擬驗證和現(xiàn)場實體梁驗證。

3.1 試驗室驗證試驗

試驗室驗證試驗是對科研設(shè)計方案驗證的基本技術(shù)手段。試驗應(yīng)在測力傳感器及光柵位移計示值誤差滿足精度條件下進(jìn)行。

3.1.1 加載模塊測試

(1)加載力測試

為確保荷載測量的準(zhǔn)確性，將被測千斤頂和測力傳感器置于千斤頂試驗架上進(jìn)行單獨加載。疲勞測試共進(jìn)行了210次往復(fù)加載試驗，試驗結(jié)果表明：電動機械千斤頂具備不同行程的2 000 kN最大加載能力，具備1 200、1 400、1 600 kN及對應(yīng)20、40、60 min自鎖持荷能力，滿足鐵路橋梁靜載試驗最大加載及持荷需要。疲勞試驗結(jié)束后解體檢測，千斤頂各部件基本完好，滿足耐用需要。經(jīng)過修改完善變速器速比及調(diào)試變頻器的反復(fù)測試試驗，實現(xiàn)了在1.0級及以上持荷結(jié)束后，在靜止?fàn)顟B(tài)下的電機高負(fù)荷啟動。

(2)加載速度測試

在仿真試驗架(圖11)上進(jìn)行單個及10個千斤頂加載測試，手動控制變頻器逐級加載，記錄荷載值，加載時間和千斤頂行程。

在電源頻率50 Hz條件下，隨著荷載值的增加，加載速度逐漸增大，當(dāng)荷載值超過1 100 kN，加載速度又有下降的趨勢。因為頻率不變，千斤頂?shù)妮斎朕D(zhuǎn)矩不變，而隨著荷載值的增加，造成千斤頂實際需要扭矩的不足，造成加載速度下降。因為仿真試驗架為彈性結(jié)構(gòu)，所以加載速度和荷載、行程之間滿足線性關(guān)系。

圖11 加載速度、加載值、行程與電源頻率研究仿真試驗架

(3)多頂同步加載測試

模擬加載試驗按照TB/T2092標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行第二循環(huán)加載，試驗研究不同等級加載下的荷載值偏差、同步加載過程數(shù)據(jù)及持荷數(shù)據(jù)偏差。測試表明，10個頂同步加載過程同步偏差小于10 kN，各級荷載值及持荷偏差率小于±1%，且加載速度不大于3 kN/s，滿足預(yù)期目標(biāo)。

3.1.2 圖像檢測模塊

走行機構(gòu)兩側(cè)采用平行于翼圓角處的弧面導(dǎo)軌，保證采集平面與梁底面始終保持平行，且其距離控制在相機的景深范圍之內(nèi)。通過控制步進(jìn)電機勻速運動，采集多幅模型中梁底與翼圓角處的條紋圖像。采集到的底面和底角圓弧處的條紋放大圖像如圖12所示。在圖12中，左圖為靠近底面的條紋像素寬度，右圖為翼圓角處的條紋像素寬度。觀察發(fā)現(xiàn)所有采集梁底部、底角圓弧處的圖像清晰度符合要求，表明走行機構(gòu)單元搭載圖像采集單元在檢測區(qū)域能夠保證采集圖像的一致性。

圖12 底面與倒角處采集的條紋圖像

通過多次到梁場現(xiàn)場采集圖像，來編制圖像分析處理程序，裂縫檢測裝置能夠在5 min內(nèi)完成檢測范圍(跨中左右各2 m的底板及底角圓弧處)內(nèi)裂縫檢測，識別的最小裂縫寬度為0.02 mm；裂縫檢測裝置報警率在1.3%～5.2%區(qū)間內(nèi)；多次檢測的一致性較高，能夠滿足裂縫檢測需求。

3.1.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試

采用仿真試驗架模擬試驗梁體和反力架，測力傳感器與機械千斤頂栓結(jié)后安置于仿真試驗架上。仿真試驗表明，電動機械千斤頂?shù)募虞d性能可滿足靜載試驗在加載行程和荷載范圍等方面的需求，自控裝置能夠?qū)崿F(xiàn)全過程的自動加載控制與剛度(撓跨比)、抗裂性(裂縫)檢測，具備到現(xiàn)場進(jìn)行橋梁靜載試驗的能力。

3.2 現(xiàn)場試驗驗證

現(xiàn)場靜載試驗樣品梁隨機抽選，試驗嚴(yán)格按照TB/T2092—2003標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用跨度31.5 m箱梁進(jìn)行現(xiàn)場試驗。加載設(shè)備的布置與安裝、光柵位移計與機械百分表的布置與安裝如圖7、圖13所示?，F(xiàn)場走行機構(gòu)單元導(dǎo)軌的安裝如圖9所示。

圖13 靜載試驗加載和光柵測量位置示意(單位：m)

現(xiàn)場試驗開機后主控程序進(jìn)行運行環(huán)境和程序自行開機自診斷，錄入梁號、設(shè)計圖號、終張拉日期、靜載試驗日期，終張拉強度、彈模，28 d強度、彈模，讀取預(yù)存的橋梁靜載試驗15個設(shè)計參數(shù)，自動生成靜載試驗計算單，根據(jù)靜載試驗計算單的各級荷載值實現(xiàn)了一鍵完成 “全自動”全過程靜載試驗，并自動出具靜載試驗報告(含裂縫圖像)。

按照TB/T2092標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行兩個循環(huán)加載試驗，對主控、加載、荷載、撓度、圖像識別裂縫檢測、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗M(jìn)行了系統(tǒng)性測試。

加載控制按計算單計算的荷載值進(jìn)行加載，并實現(xiàn)了荷載偏差率小于 1 %和加載同步偏差小于10 kN的目標(biāo)；并且加載過程中，10套千斤頂?shù)募虞d速度范圍為0.5～1.2 kN/s，均不超過3 kN/s，滿足加載速度的要求。

逐級對比3項撓度值測量記錄：在各級加載的記錄數(shù)據(jù)中，主控程序自動記錄的光柵位移計的位移數(shù)據(jù)、人工記錄的光柵位移計二次儀表顯示值、人工記錄校核用百分表讀數(shù)測量值三者基本一致；實測撓跨比與計算值基本一致； 撓跨比自動判定與人工記錄、計算、判定結(jié)果一致。驗證試驗現(xiàn)場實測靜活載級撓跨比匯總見表2。

表2 主控程序和人工記錄數(shù)據(jù)計算的撓跨比驗證比較

裂縫識別模塊能夠與走行裝置在程序統(tǒng)控下配合完成掃描任務(wù)，行走速度能滿足在限定時間內(nèi)掃描完檢測范圍要求；所采集圖像清晰度滿足識別要求；裂縫識別模塊最高識別出寬度為0.02 mm的裂縫；裂縫定位模塊能夠準(zhǔn)確和快速的定位裂縫坐標(biāo)位置；裂縫識別為實時識別，單次檢測區(qū)域的掃描和識別裂縫用時為5 min?，F(xiàn)場驗證試驗過程中未發(fā)現(xiàn)開裂裂縫，圖14為編號Grade0-Cam2-187的裂縫自動檢測儀初始裂縫檢測圖像及試驗觀察圖像?，F(xiàn)場試驗證明圖像識別算法準(zhǔn)確有效。單幅圖像的處理時間約為300 ms，圖像處理的速度大于圖像采集的速度，可以滿足裂縫識別與圖像采集結(jié)果同步輸出的要求。對于裂縫的定位，可以做到快速準(zhǔn)確，定位誤差不超過5 mm。

圖14 梁底、裂縫觀測寬度、裂縫識別效果

現(xiàn)場試驗驗證了手動操作加載及功能有效；驗證了試驗樣機具有安全應(yīng)急(急停)和自動報警、網(wǎng)絡(luò)安全等功能；各級加載、持荷語音播報功能；試驗對鐵路工程管理平臺接口的測試，實現(xiàn)了現(xiàn)場試驗過程和試驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)場圖像實時上傳到鐵路工程管理平臺系統(tǒng)的功能，以及各工程管理方可在遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 結(jié)論

試驗驗證表明，本鐵路橋梁靜載試驗自動控制裝置實現(xiàn)了鐵路橋梁靜載試驗的自動化和信息化，滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求和鐵路建設(shè)信息化管理要求，主要特點如下。

(1)電動機械千斤頂智能加載、雙功能輪輻式傳感器荷載檢測與校核一體化。

(2)實現(xiàn)了橋梁靜載試驗的自動化和信息化，可節(jié)省大量人力、物力，有效消除試驗過程中人為干擾因素，確保試驗數(shù)據(jù)真實可靠。

(3)適用各類預(yù)制梁、現(xiàn)澆梁，滿足不同跨度梁試驗要求。

(4)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用，安全可靠。

(5)滿足平臺接口要求。

5 有待于進(jìn)一步深入研究與完善的問題

現(xiàn)有裂縫自動檢測儀的走行裝置，安裝要求高且不便于攜帶。隨著無人機、爬壁機器人等高性能機器人日新月異的開發(fā)、推廣，將引導(dǎo)本走行裝置進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，向科學(xué)先進(jìn)、簡便實用發(fā)展，使其能夠更好地適應(yīng)既有預(yù)制梁、現(xiàn)澆梁等的裂縫檢測。

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The Development of Automatic Control Device for Railway Bridge Static Test

SUN Jin-geng

(Quality Supervision and Inspection Center for Railway Products， Standard and Metrology Research Institute， China Academy of Railway Science， Beijing 100081， China)

The static test is an essential test method for railway prestressed concrete beam in product certification and mass production. The test requires multiple jacks to load simultaneously and more staff， and it is difficult to maintain accurate synchronized jack loading. This paper introduces an automatic control system with integrated loading， detecting and recording， and fulfills real-time remote monitoring， test data and site images uploading and other functions. It requires less test personnel， improves test accuracy， and completes calculation， load test and test reporting simply by one-button start. As a result， whole process automation， digitization and informatization in railway bridge static test are realized and the requirements for bridge quality control and railway construction informatization management are satisfied．

Railway bridge; Prestressed concrete beam; Static test; Automatic control device

2016-10-10；

2016-10-19

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃(2015D001-A)

孫金更(1956—)，男，高級工程師，工程碩士，碩士生導(dǎo)師，E-mail：sunjingeng@163.com。

1004-2954(2016)12-0054-07

U446.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.013