大件運輸車輛過橋監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

段衛(wèi)黨，鄧澤城，鐘強銘

(1.江西省交通投資集團有限責任公司，江西 南昌 330025； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

大件運輸車輛指承運幾何尺寸超限或質(zhì)量超限貨物的特殊運載車輛。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，隨著國民經(jīng)濟發(fā)展的帶動，運輸貨物的尺寸、重量不斷刷新記錄[1]，大件運輸車輛在公路運輸中的頻率呈現(xiàn)逐年增長的態(tài)勢[2]。橋梁作為公路運輸?shù)年P(guān)鍵節(jié)點，建成后受到環(huán)境等因素的影響，材料的逐漸腐蝕老化和結(jié)構(gòu)損傷的積累，將使橋梁的健康狀況和承載能力隨著時間的推移而逐漸降低。當承受遠超設(shè)計荷載的特殊運營荷載時，橋梁將面臨巨大挑戰(zhàn)，若不加以重視，大件運輸貨物可能會導(dǎo)致橋梁倒塌，將造成嚴重的人身傷亡和財產(chǎn)損失[3-5]。因此，有必要對橋梁結(jié)構(gòu)承載能力進行評估，進而判定橋梁是否滿足大件運輸車輛過橋要求。

周廣利[6]基于荷載效應(yīng)比較法，以多軸液壓軸線車為標準車型，探索建立了裝配式簡支梁橋通行能力的判定標準。鐘杰等[7]以實際項目為依托，提出了一套適用于普通公路大件設(shè)備運輸?shù)臉蛄和ㄟ^性評估體系。李鍵等[8]基于可靠度理論，分析了大件運輸在實際情況中，橋梁技術(shù)狀況等級對大件運輸承載能力的影響。袁陽光等[9]基于安全性與正常使用性能要求形成了大件運輸車輛過橋評估方法框架，并依托可靠度理論研究了評估目標可靠指標、分項系數(shù)校準、臨界荷載效應(yīng)比值確定等問題。邵永軍等[10]結(jié)合對陜西省高速公路橋梁橋型類型和跨徑大小的調(diào)查，提出了適用于大件運輸車輛通行橋梁安全評估的兩階段快速評估方法體系。然而，以上大件運輸車輛過橋安全性評定方法并未考慮橋梁實際運營狀態(tài)對大件運輸車輛通行產(chǎn)生的影響。此外，荷載試驗作為橋梁最可靠的安全性評估方法，雖能對橋梁承載能力進行精確評定，但經(jīng)濟和時間成本較高，還可能對橋梁造成不可逆的損傷。在此情況下，對橋梁進行健康監(jiān)測和安全狀態(tài)評估無疑是一種很好的選擇，為此需在大件運輸車輛通行頻繁的路段建立健康監(jiān)測系統(tǒng)。

目前，有關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究熱點基本都是針對大跨度橋梁[11-13]，對中小跨徑橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)鮮有研究，加之大件運輸車輛荷載特性與普通轎車和貨車的荷載特性差異較大。在此，根據(jù)大件運輸車輛通過中小跨徑橋梁所需監(jiān)測的數(shù)據(jù)，設(shè)計了一套大件運輸車輛過橋監(jiān)測系統(tǒng)，可用于橋梁運營狀態(tài)評估和大件運輸車輛通行時的安全預(yù)警。

1 大件運輸車輛過橋監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

結(jié)合大件運輸車輛過橋需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)和中小跨徑橋梁受力特點，大件運輸車輛過橋監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)包括以下功能：① 撓度監(jiān)測；② 應(yīng)變監(jiān)測；③ 裂縫開展情況監(jiān)測；④ 結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測；⑤ 橋面實時抓拍和監(jiān)控功能；⑥ 數(shù)據(jù)儲存與數(shù)據(jù)傳輸；⑦ 數(shù)據(jù)處理功能。

同時考慮到健康監(jiān)測系統(tǒng)長期的服務(wù)質(zhì)量，健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計還應(yīng)滿足以下要求：① 基于實用、可靠、經(jīng)濟、耐久的設(shè)計原則；② 儀器方便布設(shè)；③ 對結(jié)構(gòu)進行靜力和動力監(jiān)測；④ 以結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)變監(jiān)測為主，以定期振動特性監(jiān)測為輔。

1.2 系統(tǒng)總體框架

基于大件運輸車輛過橋監(jiān)測系統(tǒng)功能需求和設(shè)計原則，設(shè)計大件運輸車輛過橋健康監(jiān)測系統(tǒng)總體框架與其應(yīng)用流程如下：首先選取橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面布設(shè)傳感器，當大件運輸車輛行駛時，通過數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)收集撓度、應(yīng)變等信息，攝像頭同時抓拍車輛過橋全過程，避免大件運輸車輛偏載作用于橋梁結(jié)構(gòu)，然后通過數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)將所有數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫進行存儲、分析，最后，預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)提前設(shè)定的閾值判定橋梁結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)，若某項數(shù)據(jù)超過閾值，則向技術(shù)人員發(fā)送警告信息，技術(shù)人員及時實施相應(yīng)的解決措施，從而保證大件運輸車輛安全通過橋梁。

健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、監(jiān)控中心、預(yù)警系統(tǒng)5個部分組成。其中傳感器模塊包括FTND-4結(jié)構(gòu)體撓度傳感器、BGK-FBG-4000T型光纖應(yīng)變計、BGK-FBG-4420型光纖光柵測縫計和抓拍系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集模塊由BGK-FBG-8600型光纖光柵解調(diào)儀和撓度采集儀組成；數(shù)據(jù)傳輸模塊主要有無線通訊設(shè)備和光纖兩種傳輸方式；監(jiān)控中心是整個健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心，主要控制現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸并且可以對現(xiàn)場故障進行診斷和自處理。預(yù)警系統(tǒng)是通過預(yù)先設(shè)置的閾值，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行安全性判斷。下面將對各個組成模塊采用的儀器進行詳細說明。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.1 傳感器模塊

2.1.1FTND-4結(jié)構(gòu)體撓度傳感器

FTND-4結(jié)構(gòu)體撓度傳感器的基本原理是通過遠距離非接觸光電轉(zhuǎn)換法測量主梁撓度。將撓度傳感器主機安裝在沉降或變形非常小的位置，如圖1所示，被測點應(yīng)指定為需要監(jiān)測的截面，主機通過光學(xué)成像原理確定被測點的位移變化情況。由于主梁底面與傳感器平行，無法直接對被測點進行有效觀測，需要在關(guān)鍵截面測量點處設(shè)置與梁底剛性連接的目標靶，將主梁的撓度測量轉(zhuǎn)化為觀測目標靶的位移。觀測數(shù)據(jù)可以通過有線或無線傳輸，本系統(tǒng)中采用光纜傳輸。FTND-4結(jié)構(gòu)體撓度傳感器參數(shù)如下：質(zhì)量1.5 kg，撓度測量范圍-35～35 mm，分辨率0.01 mm，精度0.1 mm，工作溫度范圍-25 ℃～70 ℃。

圖1 撓度傳感器現(xiàn)場布置圖

2.1.2BGK-FBG-4000T型光纖光柵應(yīng)變計

BGK-FBG-4000T型光纖光柵應(yīng)變計的原理是應(yīng)變的變化會受到光柵波長的影響，儀器通過測量波長的變化來計算應(yīng)變值。該光纖光柵應(yīng)變計可用于監(jiān)測較大范圍的靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變，一般通過錨桿等附加部件固定到各種固體結(jié)構(gòu)表面，如混凝土或金屬表面。此外，為了測量結(jié)構(gòu)表面溫度，本系統(tǒng)在應(yīng)變計中內(nèi)置溫度補償光柵。該光纖光柵式應(yīng)變計可靠性高、傳輸距離長、精度高、設(shè)計壽命長達50 a，滿足健康監(jiān)測系統(tǒng)基本使用要求。BGK-FBG-4000T型光纖光柵應(yīng)變計參數(shù)如下：應(yīng)變測量范圍-1 500×10-6～1 500×10-6，標距1 500 mm，靈敏度0.1%FS(FS表示量程范圍)，精度≤1.0%FS，工作溫度范圍-30 ℃～80 ℃。

BGK-FBG-4000T型光纖光柵應(yīng)變計為一體結(jié)構(gòu)，如圖2所示，將傳感器尾部光纖接入光纖光柵解調(diào)儀即可得到應(yīng)變計的應(yīng)變數(shù)值讀數(shù)。安裝步驟如下：首先利用安裝錨桿作為樣板，保持合適的間距鉆出兩個深度為60 mm的孔，孔的最小直徑為12.5 mm。為了使應(yīng)變計能正確定位，安裝塊用間隔卡裝到安裝桿上，在定位鉆孔打好后，用速凝高強環(huán)氧樹脂或砂漿進行灌漿固定錨桿，如圖3所示。將裝好應(yīng)變計的光纜穿入軟管防止意外破壞，并保持光纜接頭清潔。此外，當光纖光柵解調(diào)儀距離應(yīng)變計較遠時，可通過熔接加長光纜且不影響應(yīng)變計讀數(shù)。

圖2 光纖光柵應(yīng)變計現(xiàn)場布置圖

圖3 光纖光柵應(yīng)變計安裝示意圖

2.1.3BGK-FBG-4420型光纖光柵測縫計

BGK-FBG-4420型光纖光柵式測縫計的工作原理是通過標尺光柵與指示光柵間的相對位移顯示裂縫寬度，即通過裂縫寬度的改變引起波長變化來計算裂縫開展情況，具體構(gòu)造可見圖4。裂縫狀態(tài)通過測縫計實時監(jiān)測并傳入預(yù)警系統(tǒng)，當裂縫值達到預(yù)警系統(tǒng)中的閾值后，預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)信號，以完成裂縫的監(jiān)控。該光纖光柵測縫計適用于長期監(jiān)測結(jié)構(gòu)裂縫或接縫開合度，同樣可在測縫計中內(nèi)置溫度補償光柵測量結(jié)構(gòu)表面溫度。BGK-FBG-4420型光纖光柵式測縫計相關(guān)參數(shù)如下：測量寬100 mm，靈敏度0.1%FS，精度≤1.0%FS，工作溫度范圍-30 ℃～80 ℃。

圖4 測縫計構(gòu)造圖

安裝流程如下：首先將測桿拉到恰當?shù)奈恢靡赃m應(yīng)被測位置裂縫的開合程度，根據(jù)安裝距離和錨桿長度用鉆孔工具在先前確定的位置鉆出兩個孔。然后將錨桿插入鉆孔并與表面齊平后用環(huán)氧樹脂或水泥砂漿灌注鉆孔。最后，等待水泥或環(huán)氧樹脂凝固后使傳感器固定，取掉球形萬向節(jié)末端的卡銷并用螺絲刀擰緊球頭，再重新裝上卡銷以固定球頭，同時放松螺帽。

2.1.4抓拍系統(tǒng)

抓拍系統(tǒng)通過拍攝大件運輸車輛過橋，實時轉(zhuǎn)播到監(jiān)測中心，旨在保證車輛盡可能沿橋梁中心線行駛，避免偏載造成橋梁傾覆。其功能包括：視頻捕捉、拍攝控制、圖像JPEG壓縮、圖像數(shù)據(jù)采集、串口通訊、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)取．敵剀囕v或大件運輸車輛行駛在橋梁上時，抓拍系統(tǒng)實時完成車輛影像采集并傳輸?shù)椒?wù)器，如圖5(a)所示。攝像頭采用JPEG串口攝像頭，采集的視頻和圖片可根據(jù)實際需求選擇多種分辨率，最大可達到1 280×960。其中，串口攝像頭采用標準的JPEG圖像壓縮算法以保證其與常用計算機的兼容性。攝像頭現(xiàn)場布置可見圖5(b)。

(a)拍攝控制和視屏捕捉

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)選用BGK-FBG-8600型光纖光柵解調(diào)儀采集，如圖6所示。BGK-FBG-8600型光纖光柵解調(diào)儀將數(shù)據(jù)采集、激光光源、網(wǎng)絡(luò)通訊、分析模塊等幾大部分集成為一體，并采用TFT彩屏顯示，具有動態(tài)范圍大、長期穩(wěn)定性好、精度高、分辨率高、功耗低等特點。其軟件系統(tǒng)采用實時動態(tài)波長校準技術(shù)、高速數(shù)字濾波技術(shù)、全光譜運算法，能實現(xiàn)100 Hz頻率以下16通道同步的動態(tài)測量并具有全光譜查詢功能和多種視圖顯示功能。軟件系統(tǒng)搭建于Windows XPE平臺上，系統(tǒng)簡潔，操作簡單，便于技術(shù)人員使用。BGK-FBG-8600型光纖光柵解調(diào)儀詳細參數(shù)如下：波長范圍1 525～1 565 nm，分辨率0.1 pm，精度2 pm，動態(tài)范圍>50 dB，掃描頻率1～100 Hz，工作溫度范圍0 ℃～40 ℃。

圖6 BGK-FBG-8600型中速光纖光柵解調(diào)儀

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊之所以采用有線與無線兩種傳輸方式，是因為考慮到健康監(jiān)測系統(tǒng)均采用高頻動態(tài)監(jiān)測，會產(chǎn)生海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，不適宜全程采用無線數(shù)據(jù)傳輸。因此，采用本地或光纖局域網(wǎng)的方式對撓度、應(yīng)變、裂縫等數(shù)據(jù)進行傳輸；采用基于GPRS無線傳輸?shù)姆绞綄⒋蠹\輸車輛通行圖像、視頻數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測中心。

2.4 監(jiān)控中心

監(jiān)測中心的主控制器是整個系統(tǒng)的中心控制單元，內(nèi)置GPS授時模塊和GPRS通訊模塊。該控制器系統(tǒng)內(nèi)采用多源異構(gòu)傳感器同步控制算法，通過FPGA生成硬件同步觸發(fā)信號，進而同時控制整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，所有傳感器采集的數(shù)據(jù)均具備ms級同步精度，使得后期異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)分析和大數(shù)據(jù)融合成為可能。

2.5 預(yù)警系統(tǒng)

預(yù)警系統(tǒng)將安全等級劃分為紅黃綠3個等級，不同顏色代表不同安全性等級，監(jiān)控中心的技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)不同顏色的含義決定如何處理橋梁的安全問題，保證橋梁處于安全狀態(tài)以滿足大件運輸車輛的通行需求。紅色表明橋梁處于危險狀態(tài)，應(yīng)立即停止大件運輸車輛通行并采取相應(yīng)的緊急措施；黃色表明橋梁存在安全隱患，但不影響車輛行駛，之后需要進行及時地檢查與維修；綠色表示橋梁運營狀態(tài)良好，能夠支撐車輛安全通行。為確保預(yù)警結(jié)果的準確性，通過工程實踐經(jīng)驗與專家共同確定各等級所對應(yīng)的閾值。若監(jiān)測值小于綠色等級的閾值，無需采取任何措施，當監(jiān)測值大于紅色等級時，預(yù)警系統(tǒng)立即向監(jiān)控中心發(fā)出消息，技術(shù)人員可及時判斷當前狀況，第一時間進入現(xiàn)場解決問題。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

以某高速一座連續(xù)箱梁橋為例對健康監(jiān)測系統(tǒng)的具體應(yīng)用進行說明。橋梁單跨跨徑為20 m，跨徑組合為3 m×20 m，單幅橋面凈寬為12.5 m。上部結(jié)構(gòu)采用滿堂支架現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力整體箱，混凝土采用C50。該橋建于2008年，根據(jù)其2021年橋梁檢測報告可知，橋梁技術(shù)狀況等級為二級。首先根據(jù)橋梁受力特性設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的撓度傳感器和應(yīng)變計，傳感器布設(shè)可見圖7(a)，然后將傳感器和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連，如圖7(b)所示。通行的大件運輸車輛類型與其荷載形式可參考文獻[14]中提出的C-II型大件運輸車輛，圖7(c)給出了大件運輸車輛通行時抓拍設(shè)備進行實時監(jiān)控的圖像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)處理之后，技術(shù)人員可以直觀地觀察數(shù)據(jù)變化，比如應(yīng)變與撓度數(shù)據(jù)，其時程曲線如圖7(d)和圖7(e)所示。最后，將所有監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)筋A(yù)警系統(tǒng)中進行安全性判定，結(jié)果顯示為綠色，表明橋梁運行狀態(tài)正常，大件運輸車輛可安全通過該橋。

(a)橋型布置與傳感器布設(shè)圖

4 結(jié)語

本文以大件運輸車輛過橋安全性評估的需求為契機，結(jié)合橋梁受力特性和監(jiān)測數(shù)據(jù)要求設(shè)計了一套大件運輸車輛過橋監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用精度較高的傳感器搭配性能較好的數(shù)據(jù)采集儀器，靈活運用無線和有線兩種方式完成橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)由傳感器到數(shù)據(jù)庫的傳輸?，F(xiàn)場的應(yīng)用過程與監(jiān)測結(jié)果表明該系統(tǒng)操作方便簡潔，有較高的精度和較好的穩(wěn)定性，能準確獲取傳感器數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，為大件運輸車輛安全性評估提供數(shù)據(jù)支持。適合于對大件運輸車輛通行頻率最高的橋梁節(jié)點與技術(shù)狀況較差的橋梁進行健康監(jiān)測時使用，其評估結(jié)論能代表整條線路的橋梁整體狀況，以此降低資金投入，便于推廣應(yīng)用。