大件運輸車輛過橋監測系統設計與應用

段衛黨，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 公路學院，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量超限貨物的特殊運載車輛。數據統計表明，隨著國民經濟發展的帶動，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逐年增長的態勢[2]。橋梁作為公路運輸的關鍵節點，建成后受到環境等因素的影響，材料的逐漸腐蝕老化和結構損傷的積累，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。當承受遠超設計荷載的特殊運營荷載時，橋梁將面臨巨大挑戰，若不加以重視，大件運輸貨物可能會導致橋梁倒塌，將造成嚴重的人身傷亡和財產損失[3-5]。因此，有必要對橋梁結構承載能力進行評估，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備運輸的橋梁通過性評估體系。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、分項系數校準、臨界荷載效應比值確定等問題。邵永軍等[10]結合對陜西省高速公路橋梁橋型類型和跨徑大小的調查，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對大件運輸車輛通行產生的影響。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，對橋梁進行健康監測和安全狀態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測系統。

目前，有關健康監測系統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測系統鮮有研究，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，根據大件運輸車輛通過中小跨徑橋梁所需監測的數據，設計了一套大件運輸車輛過橋監測系統，可用于橋梁運營狀態評估和大件運輸車輛通行時的安全預警。

1 大件運輸車輛過橋監測系統設計

1.1 設計原則

結合大件運輸車輛過橋需要監測的數據和中小跨徑橋梁受力特點，大件運輸車輛過橋監測系統應包括以下功能：① 撓度監測；② 應變監測；③ 裂縫開展情況監測；④ 結構動力特性監測；⑤ 橋面實時抓拍和監控功能；⑥ 數據儲存與數據傳輸；⑦ 數據處理功能。

同時考慮到健康監測系統長期的服務質量，健康監測系統設計還應滿足以下要求：① 基于實用、可靠、經濟、耐久的設計原則；② 儀器方便布設；③ 對結構進行靜力和動力監測；④ 以結構位移、應變監測為主，以定期振動特性監測為輔。

1.2 系統總體框架

基于大件運輸車輛過橋監測系統功能需求和設計原則，設計大件運輸車輛過橋健康監測系統總體框架與其應用流程如下：首先選取橋梁結構關鍵截面布設傳感器，當大件運輸車輛行駛時，通過數據采集子系統收集撓度、應變等信息，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構，然后通過數據傳輸子系統將所有數據上傳至數據庫進行存儲、分析，最后，預警系統根據提前設定的閾值判定橋梁結構是否處于安全狀態，若某項數據超過閾值，則向技術人員發送警告信息，技術人員及時實施相應的解決措施，從而保證大件運輸車輛安全通過橋梁。

健康監測系統主要由傳感器模塊、數據采集模塊、數據傳輸模塊、監控中心、預警系統5個部分組成。其中傳感器模塊包括FTND-4結構體撓度傳感器、BGK-FBG-4000T型光纖應變計、BGK-FBG-4420型光纖光柵測縫計和抓拍系統；數據采集模塊由BGK-FBG-8600型光纖光柵解調儀和撓度采集儀組成；數據傳輸模塊主要有無線通訊設備和光纖兩種傳輸方式；監控中心是整個健康監測系統的核心，主要控制現場監測、數據采集、數據處理和數據傳輸并且可以對現場故障進行診斷和自處理。預警系統是通過預先設置的閾值，對監測數據進行安全性判斷。下面將對各個組成模塊采用的儀器進行詳細說明。

2 健康監測系統組成

2.1 傳感器模塊

2.1.1FTND-4結構體撓度傳感器

FTND-4結構體撓度傳感器的基本原理是通過遠距離非接觸光電轉換法測量主梁撓度。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，被測點應指定為需要監測的截面，主機通過光學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，需要在關鍵截面測量點處設置與梁底剛性連接的目標靶，將主梁的撓度測量轉化為觀測目標靶的位移。觀測數據可以通過有線或無線傳輸，本系統中采用光纜傳輸。FTND-4結構體撓度傳感器參數如下：質量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 撓度傳感器現場布置圖

2.1.2BGK-FBG-4000T型光纖光柵應變計

BGK-FBG-4000T型光纖光柵應變計的原理是應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變值。該光纖光柵應變計可用于監測較大范圍的靜態和動態應力應變，一般通過錨桿等附加部件固定到各種固體結構表面，如混凝土或金屬表面。此外，為了測量結構表面溫度，本系統在應變計中內置溫度補償光柵。該光纖光柵式應變計可靠性高、傳輸距離長、精度高、設計壽命長達50 a，滿足健康監測系統基本使用要求。BGK-FBG-4000T型光纖光柵應變計參數如下：應變測量范圍-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型光纖光柵應變計為一體結構，如圖2所示，將傳感器尾部光纖接入光纖光柵解調儀即可得到應變計的應變數值讀數。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，用速凝高強環氧樹脂或砂漿進行灌漿固定錨桿，如圖3所示。將裝好應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，當光纖光柵解調儀距離應變計較遠時，可通過熔接加長光纜且不影響應變計讀數。

圖2 光纖光柵應變計現場布置圖

圖3 光纖光柵應變計安裝示意圖

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，具體構造可見圖4。裂縫狀態通過測縫計實時監測并傳入預警系統，當裂縫值達到預警系統中的閾值后，預警系統發出相應信號，以完成裂縫的監控。該光纖光柵測縫計適用于長期監測結構裂縫或接縫開合度，同樣可在測縫計中內置溫度補償光柵測量結構表面溫度。BGK-FBG-4420型光纖光柵式測縫計相關參數如下：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 測縫計構造圖

安裝流程如下：首先將測桿拉到恰當的位置以適應被測位置裂縫的開合程度，根據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氧樹脂或水泥砂漿灌注鉆孔。最后，等待水泥或環氧樹脂凝固后使傳感器固定，取掉球形萬向節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

抓拍系統通過拍攝大件運輸車輛過橋，實時轉播到監測中心，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、圖像數據采集、串口通訊、無線數據傳輸等。當超重車輛或大件運輸車輛行駛在橋梁上時，抓拍系統實時完成車輛影像采集并傳輸到服務器，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。攝像頭現場布置可見圖5(b)。

(a)拍攝控制和視屏捕捉

2.2 數據采集模塊

光纖光柵傳感器的數據選用BGK-FBG-8600型光纖光柵解調儀采集，如圖6所示。BGK-FBG-8600型光纖光柵解調儀將數據采集、激光光源、網絡通訊、分析模塊等幾大部分集成為一體，并采用TFT彩屏顯示，具有動態范圍大、長期穩定性好、精度高、分辨率高、功耗低等特點。其軟件系統采用實時動態波長校準技術、高速數字濾波技術、全光譜運算法，能實現100 Hz頻率以下16通道同步的動態測量并具有全光譜查詢功能和多種視圖顯示功能。軟件系統搭建于Windows XPE平臺上，系統簡潔，操作簡單，便于技術人員使用。BGK-FBG-8600型光纖光柵解調儀詳細參數如下：波長范圍1 525～1 565 nm，分辨率0.1 pm，精度2 pm，動態范圍>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儀

2.3 數據傳輸模塊

數據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測系統均采用高頻動態監測，會產生海量的監測數據，不適宜全程采用無線數據傳輸。因此，采用本地或光纖局域網的方式對撓度、應變、裂縫等數據進行傳輸；采用基于GPRS無線傳輸的方式將大件運輸車輛通行圖像、視頻數據上傳至監測中心。

2.4 監控中心

監測中心的主控制器是整個系統的中心控制單元，內置GPS授時模塊和GPRS通訊模塊。該控制器系統內采用多源異構傳感器同步控制算法，通過FPGA生成硬件同步觸發信號，進而同時控制整個系統的數據采集，所有傳感器采集的數據均具備ms級同步精度，使得后期異構傳感器數據分析和大數據融合成為可能。

2.5 預警系統

預警系統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，監控中心的技術人員應根據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，應立即停止大件運輸車輛通行并采取相應的緊急措施；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良好，能夠支撐車輛安全通行。為確保預警結果的準確性，通過工程實踐經驗與專家共同確定各等級所對應的閾值。若監測值小于綠色等級的閾值，無需采取任何措施，當監測值大于紅色等級時，預警系統立即向監控中心發出消息，技術人員可及時判斷當前狀況，第一時間進入現場解決問題。

3 監測系統的應用

以某高速一座連續箱梁橋為例對健康監測系統的具體應用進行說明。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。上部結構采用滿堂支架現澆預應力整體箱，混凝土采用C50。該橋建于2008年，根據其2021年橋梁檢測報告可知，橋梁技術狀況等級為二級。首先根據橋梁受力特性設置相應數量的撓度傳感器和應變計，傳感器布設可見圖7(a)，然后將傳感器和相應的數據采集設備相連，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備進行實時監控的圖像數據。數據采集系統采集到的數據通過系統處理之后，技術人員可以直觀地觀察數據變化，比如應變與撓度數據，其時程曲線如圖7(d)和圖7(e)所示。最后，將所有監測數據傳輸到預警系統中進行安全性判定，結果顯示為綠色，表明橋梁運行狀態正常，大件運輸車輛可安全通過該橋。

(a)橋型布置與傳感器布設圖

4 結語

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