桥梁动态称重系统作为公路桥梁结构健康监测工具之一，于20世纪70年代问世。它可以帮助桥梁运营商确定桥梁诱发应变的原因，并收集车辆重量、类别等级和频率的统计数据。该系统已在全球25个国家安装了3000多套，这使得在数据后期处理方面有了巨大的进步。然而，现有的系统是基于电阻应变计的，由于耗电量大，无法为城市桥梁的长期监测提供数据。为此，研发的一种使用光纤传感器的新型低功耗桥梁动态称重系统，已在北爱尔兰率先应用。
恰当选择测试桥梁位置
在英国，虽然桥梁结构的总长度占全国道路网的2%，但却占其总资产价值的30%。据之前美国基础设施报告单中提到的，每年需要投资200亿美元，才能在2028年之前消除美国所有积压的成本效益高的桥梁需求。需要进行长期的财务规划，通过对老化的基础设施进行战略式管理，最大限度地发挥这项投资的潜力。
结构健康监测系统可提供有关桥梁承载能力的宝贵信息，但目前无法提供有关实际交通频率和负载的统计数据。动态桥梁称重(BWIM)系统为确定桥梁诱发应变的原因和收集车辆重量、类别和频率的统计数据提供了一种工具。BWIM最初由Moses在1979年提出，随后由Peters在1986年时发展成为一种使用涵洞对卡车进行称重的系统，称为Culway。下一个重大进展是20世纪90年代在Wave项目下开发的原型系统(O 'Brien等人，1999年)。其概念是利用现有桥梁作为称重秤，在不影响交通流量的情况下确定车辆总重(GVW) 和轴载。收集到的数据可生成有关桥梁负载的统计信息，并可将其作为一种持续管理工具，对基础设施资产的安全性进行战略性评估和管理。除了收集交通统计数据外，BWIM系统还有可能提供一种经济有效的、必要时可携带的信息收集方法，用于确定桥梁结构的全寿命性能。
BWIM系统通过测量桥梁的变化特性，通常是应变，来估算通过车轴的重量。在BWIM中，在现有的桥梁上安装了一系列应变传感器。由于车辆通过桥梁最多需要一秒钟的时间，因此由车轴反弹引起的误差很小，特别是总重量往往相当准确。
研究的第一步是为系统的安装和操作选择合适的桥梁结构。
为了选择最合适的测试地点而需要制定选址标准。标准主要基于相关委员会的建议。在选择桥址时，重要的是交通流量和跨度，以及路面粗糙度、车道类型、交通便利程度和是否有方便的电力供应。桥龄不超过5年的桥梁被认为是合适的，因为有关其建造的信息是很容易获得的，从而节省了进行全面无损评估的时间。此外，还考虑到新建桥梁的路面损坏可能性较小，而最新的路面轮廓仪读数也证明了这一点，从而提高了系统的准确性，因为路面不平整被认为是获得准确BWIM结果的主要障碍 (Lavric 等人，2008 年)。其余选择标准包括地理位置、桥梁倾斜度、道路几何形状，以及是否靠近静态称重站。
从北爱尔兰区域发展部获得了北爱尔兰近期完成的道路改善计划清单。从这份清单中，确定了2009年至2012年期间完成的双车道道路计划。立交桥结构被排除在外，因为它们为交通量低得多的次要道路提供了重量数据。下一个标准是位置，以及是否靠近静态称重站。北爱尔兰共有13座安装地磅称重的桥梁。将这些地点与新建桥梁的地点进行交叉比较后发现，位于Co. Down的拉夫布里克兰（Loughbrickland）是最合适的安装地点。这是一条通往繁忙的双行车道的地下通道，每天有10,000至12,000辆汽车在行车道上行驶，而且距离安装有静态地磅的桥梁只有不到3公里。该桥梁结构是都柏林至贝尔法斯特 A1主路线的一部分，也是连接都柏林、沃伦波因特和贝尔法斯特港口之间的重要纽带，形成了与爱尔兰的战略性跨境经济联系。
图1 实测桥梁
Loughbrickland地区这座桥梁建于2010年，单跨跨度为19米。上部结构是由27根预应力混凝土Y4梁组成。厚200毫米的现浇混凝土桥面板由永久性非结构性玻璃纤维增强混凝土模板覆盖和支撑，该模板在主梁之间横向跨越。标准委员会曾建议斜度小于10°，但对桥梁存量的调查中发现，该地区大多数相对较新的桥梁结构的斜度都在10°以上。然而，人们认为，大斜度也能解决在斜交桥上应用BWIM系统的难题，并扩展BWIM系统的应用范围。其他需要考虑的问题还包括供电和路边机柜的位置。总的来说，位于Loughbrickland的桥址符合选址标准的要求，被选为实施下一代 BWIM系统的合适结构。
场地布置与安装校准
桥上有四条车道，双向各两条，还有两条进出的南北匝道。选择在北向行驶路段安装仪器和仪表。并且在桥梁结构上安装了一个完整的BWIM系统，并在通往结构的路面上嵌入了一个压电聚合物PWIM系统。PWIM系统的目的是提供一种方法，可以将下一代BWIM系统的结果与现有的结果进行比较。
图2 Loughbrickland现场示意图
PWIM系统是一种传统的、使用闭路电视设备捕捉车辆视觉图像的装置。压电聚合物传感器用于对车轴进行称重，环路用于协助对车辆进行分类。由于安装工作需要关闭一条国道上的车道，因此安装工作在夜间进行，安装期间始终保持一条车道开放。
而光纤BWIM传感系统可以在不同阶段进行安装。根据结构的三维数值模型确定传感器的最佳位置。Lydon等人在2014年发表的论文中详细介绍了传感器的开发和系统的固定方法。该系统的光源和询问元件位于一个组合装置中，可对数百个传感器进行动态测量，扫描频率高达1kHz。该装置通过以太网端口向外部计算机输出传感器波长数据，所有输出设置均可通过传感分析软件进行定制。为安全存放设备，还专门定制了一个安全柜。安全柜安装在大桥西南侧的支撑墙上，电力由PWIM柜提供。
图3 已完成PWIM安装
BWIM 传感器有两种不同的功能——称重传感器和轴检测传感器。每个称重传感器都由一个安装在5毫米不锈钢板上的10毫米非金属长光纤布拉格光栅(EBG)传感器组成，它具有放大桥梁应变的作用。这块钢板被固定在纵梁的顶板上，测量方向为纵向应变路面无(NOR)车轴检测传感器指的是位于先前研究(Kalin 等人，2006 年)中定义的位置上的传感器，实际的FBG传感器类型与称重时使用的传感器类型一致。在6根梁上安装了测量纵向应变变化的仪器，并安装了8个传感器用于NOR车轴检测。另外，还安装了车轴检测传感器，以测试车轴检测的新策略。这包括在支架附近安装四个额外的10毫米长的FBG传感器。在此阶段安装的传感器的布置方向是为了测量垂直方向(即车轮负载下的轴承应变) 和与垂直方向成45°的应变变化。
为了评估进一步放大的可能性，在7号梁的跨中位置放置了3个称重传感器。3个传感器的输出信号在后处理阶段相加，从而获得更精确的测量结果。最近的研究结果表明，传统的方法是将桥面板宽度上所有称重传感器的输出信号相加，这种方法会降低系统的潜在精度。这考虑到了计算出的影响线会随着卡车横向位置的变化而变化这一事实。
由于BWIM系统是在不同阶段安装的，每个阶段之后都有必要确定系统精度的方法。由于这种性质，因此需要一种更具成本效益的校准方法。
通过将校准PWIM系统的结果与校准后的结果进行比较来校准BWIM系统。这种使用非校准测量来评估一个系统准确性的方法，可以在任何一天检查BWIM系统的准确性，而无须事先安排校准卡车。两个系统的时间同步，便于比较结果。此外还与北爱尔兰驾驶员车辆管理局(DVA)合作开发了一项独立的准确性检查，将PWIM和BWIM系统的结果与静态地磅的结果进行比较。两种移动称重技术的比较被用作日常监测的误差“指标”，而北爱尔兰驾驶车辆管理局的测量则为评估两种系统的准确性提供了地面实况数据。
北爱尔兰车辆管理局定期在北爱尔兰各地的地磅进行执法检查。这是为了确保车辆遵守法定重量限制以及其他各种车辆法规。执法人员从现场交通中随机挑选车辆，将其分流到称重站。然后对车辆进行评估，以确定其是否符合所有合规要求。项目团队与管理局联系后，在拉夫布里克兰地区的桥梁上进行了一系列测试。
图4 完整的传感器布置
安装在拉夫布里克兰的BWIM系统可用于对结构和现场交通进行连续监测。询问系统的扫描频率设定为500赫兹。利用现场数据进行的灵敏度分析表明，该扫描频率能产生最有效的文件大小，同时还能提供足够数量的数据点以便进行清晰的车轴检测。现场采集的应变信号通过两种方式进行分析。首先，使用数据管理软件包对信号进行可视化处理。这样做是为了确定传感器的灵敏度是否足以提供车轴检测所需的明显峰值。其次，对穿越结构的预称重车辆的应变历史文件进行选择，并使用现有的BWIM软件包对这些文件进行处理。
结果表明，现场安装的下一代BWIM系统可以提供准确的车轴检测数据。然而，这种车轴检测方法在很大程度上取决于车轮的横向位置。当车轮通过时，板面会发生弯曲，但当车轮直接落在梁上时，板面的弯曲程度要小得多。
这种使用光纤传感器的新型桥梁动态称重(BWIM)系统，利用在桥梁上部结构不同位置上的应变输出来，测量结构在活荷载作用下的响应。其结果也证实了NOR轴检测策略的可行性，并且与Kalin等人在2006年提出的说法一致，即光纤传感器将很好地用于BWIM系统。当荷载通过横梁时，新方法对轴检测效果很好，但当荷载通过板时，性能会下降。因此，理想的系统应由新型轴检测传感器和NOR轴检测传感器组合而成。校准BWIM系统时使用了一辆六轴车辆。然后根据校准结果计算出部分过桥车辆的车辆总重和轴重。系统的准确性在很大程度上受到校准方法的影响。理想情况下，校准时应使用范围更广的车辆。要确定该BWIMM 系统的真正能力，还需要进行更详细的研究，包括对影响线进行更精确的估计，以及进行严格的测试，以测量多种存在情况和路面粗糙度的影响。
本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志 2023年 第4期 总第24期
作者 / Myra Lydon
作者单位 / 英国贝尔法斯特女王大学
资料来源 / 英国土木工程师学会（ICE）学报
