基于光纖光柵傳感技術的裝配式梁橋重載車識別技術

謝 俊

（武漢理工大學信息工程學院，湖北 武漢 430070）

1 引言

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

裝配式梁橋的各預制空心板或T梁間的橫向連接對結構的整體承載能力至關重要，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的一體化實時監測系統，系統的功能很全面，直接目的是監測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，還有一項重要功能就是在不增加橋頭稱重系統等額外投資的前提下實現了對通行的重載車及其重量的識別。許多特大橋橋頭安裝了治超用的車輛稱重系統，但對眾多的中小裝配式梁橋安裝車輛稱重系統顯然是不經濟的[3]。因此，本文中實現的基于光纖光柵傳感技術的裝配式梁橋重載車識別對超載治理及結構安全實時監測具有重要意義，應用實例分析表明，該方法的重載車識別結果是正確的，能達到工程精度要求。

2 基于光纖光柵傳感技術的裝配式梁橋結構實時數據采集與通信

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、耐久性好的優點，并具有很強的串聯復接能力，可以實現對應變以及溫度的直接測量，近年來被廣泛應用于結構健康監測領域[4]。結構健康監測物聯網是現在監測傳感網絡的新形勢，系統通過前端硬件采集數據，借助無線數據傳輸從前端傳輸到監控服務器，并通過服務器實現整個網絡的數據共享和存儲，使用者可以方便地通過網絡、手機等終端設備實時監控，從而實現物物相連的安全監測系統。

圖1 數據采集與通訊系統

現場安裝的光纖光柵應變傳感器與其它光纖光柵傳感器共同通過二次儀表，即光纖光柵解調儀進行數字解調，解調后的數據經過GPRS無線傳輸模塊上傳到云服務器某一物理端口。通過建立高速交換式以太網、服務器、瀏覽站以及網絡各計算機系統間的通訊連接，實現監控室其它子系統設備的通訊連接。而監控室計算機終端設備通過外置網絡或移動上網設備建立與公網服務器的連接。網絡部署結構如圖1所示。

內置于公網服務器的服務程序，實時接收遠端傳來的數據，并對數據進行壓縮、分析、處理后存儲到數據庫內，供其它系統調用。系統能夠提供全平臺（PC電腦、手機、平板電腦、手持移動設備、云端）支持，設備終端通過WLAN(WIFI)或者移動網絡，建立與公網服務器的連接，實現數據與公網服務器共享，從而實現監測對象安全狀況的可測、可視及可控。

3 基于光纖光柵傳感技術的裝配式梁橋重載車識別原理

圖2 重載車引起的動態應變響應

圖3 重載車識別系統解決方案

車輛通過大橋時交通荷載會引起橋梁結構的各種響應，尋找各種響應量與交通荷載間的關系可以為重載車識別提供相應依據。重載車過橋時段內動態應變的變化曲線如圖2所示，在重載車通過時刻動態應變出現了一些脈沖峰值，應變曲線的脈沖高度反映了重載車的載重量，脈沖發生的時間即是重載車通過監測截面的時間，相應傳感器的編號可以判斷重載車通過的車道。由于車輪經過橋梁某一截面的位置是在一定范圍內不斷變化的，所以要準確地測得車輛實際引起的波長變化值，須在各片單梁底都布滿傳感器，這樣根據多點傳感器測出的應變值采用數據融合算法，提取傳感器有用信息濾掉誤差信號，最終得出重載車對應波長變化信息，根據這一信息進行載重的分類識別。

通過觀察分析大量的荷載試驗數據以及MIDAS/Civil有限元模擬計算數據，可以發現：兩輛不同載重的車輛通過同一監測截面時，該截面應變傳感器在兩種荷載工況下的應變的比例非常接近車輛荷載的比例；同一輛重載車從橋面不同的位置通過監測截面時，該跨所有梁板傳感器應變變化量之和相差很小，并且應變變化量之和與重載車的重量是線性關系。在知道重載車通過時傳感器應變和的情況下，只要確定該線性系數，便可求得重載車的重量。

為了提高重載車識別的精度，需對裝有應變傳感器的橋梁進行荷載標定試驗。通過精確稱重的加載車輛對各個應變傳感器的靜態、動態應變響應進行標定，從而對不同荷載位置以及不同結構狀態的監測對象進行重載車識別系數的修正。基于車載試驗的嚴格標定所獲取的指定荷載作用下各傳感器的應變響應，即可定量地設計重車識別方案，整個重載車識別流程如圖3所示。

應當說明的是，這種識別方法對于車型與標定試驗一致的重載車識別效果最佳，對于車型不一致的重載車則存在一定誤差。主要原因為施加于結構上的荷載總重相同，但是荷載分布位置不同，即會給結構造成不同的響應。車型不同，也就意味著軸重分配不同，軸數與輪距也可能不同，因此會帶來一定誤差。且行車速度的不同對結構的響應也會有稍許影響。然而本監測系統的主要目的定位于超重車的分級識別，并非用于對所有車輛進行精確稱重。

4 基于光纖光柵傳感技術的裝配式梁橋重載車識別案例分析

圖4 重載車識別系統解決方案

圖4顯示了象西線西周二橋的一次重載車識別案例。系統記錄了該車經過西周二橋的時間為2015年4月17號早上6點14分，行進方向為從象山方向開往寧海方向，車輛總重約為65噸左右。系統給出了車輛經過大橋時的傳感器數據變化波形圖以及視頻畫面，用以相互映證此次重載車識別事件。

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）的重載車數量統計結果。兩座橋的重載車通過數量的分布趨勢均是一月份最大，二月份有明顯下降，三月份逐漸上升，但總體數量小于一月份；下沈二橋（象西線）所通過的重載車數量小于大旗頭橋（沿海南線）。

2015年春節處于二月中旬，一月份正值歲末各種工業運輸比較繁忙的階段，在兩線運行的重載車數量普遍較大，二月份重載車輛有一明顯的下降趨勢，到了三月份公路運輸又處于一個節后復蘇的階段，車輛負荷迎來一波上升的趨勢。

圖5 2015年第一季度重載車統計

圖6 象西線和沿海南線空間區域分布圖

圖7 大旗頭橋和下沈二橋重載車噸位分布圖

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”石浦鎮，中間連接濱海工業園。其中石浦鎮的支柱產業為工業、漁業和以旅游業為龍頭的第三產業，因此作為縣城通往石浦的主要線路，沿海南線的車流量非常大，且重載車結構多樣化。象西線的下沈二橋主要處于西周工業園的影響范圍，其中西周鎮是象山港西北中心鎮，環杭州灣產業帶象山產業區B區坐落于于此，是以汽車配件、食品機械、消防器材及低壓電器等為支柱的工業產業基地。但其產業結構相比沿海南線比較單一，車流量也不及沿海南線。

進一步分析上述兩座橋梁所通過重載車的噸位分布情況，如圖7所示。沿海南線大旗頭橋雖然車流量大，但重載車噸位以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噸的車輛只占總數的9%左右，而30～50噸的中型噸位占46%，50～75噸的重型噸位占45%，其受附近華翔集團等企業工業運輸的影響顯而易見。

5 結束語

本文基于光纖光柵傳感技術的重載車在線識別系統利用采集到的高速應變數據，通過分析能夠識別重載車輛的時間空間分布。系統實現了對重載車輛的實時、長期、穩定監測，結合應變、裂縫、位移三類傳感器的即時數據，可以對重載車輛經過下橋梁的運行狀況進行監測及評估。此外，其統計記錄數據也有助于完善重載車輛的荷載譜，指導橋梁管理養護部門全面把握大橋荷載狀況，有針對性地制定相關橋梁養護管理措施，把握最佳養護、加固時機。

[1]李宏江.既有裝配式梁橋橫向連接構造評價技術進展[J].中外公路，2014，34（2）：124～128.

[2]衛軍，李沛，徐岳，等.空心板鉸縫協同工作性能影響因素分析[J].中國公路學報，2011，24（2）：29～33.

[3]姜德生，李盛，劉勝春.光纖光柵傳感系統在橋梁重載車識別中的應用[J].中外公路，2007，27（3）：153～155.

[4]李宏男，任梁.結構健康監測光纖光柵傳感技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.