動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)在城市橋梁運(yùn)營管理中的運(yùn)用

馮敏祎

（上海市閔行區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，上海市 201199）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。高速公路和城市道路的車流量與日俱增，隨之而來的貨車超載現(xiàn)象屢見不鮮，對(duì)公路、城市道路和橋梁隧道造成了嚴(yán)重的損害。有關(guān)研究表明，載重量超限一倍的車輛通過一次對(duì)路面損害相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)載重車輛連續(xù)通過16次，則公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)需提高6倍多。而行駛于公路的車輛如果軸重超過30%，公路使用壽命就會(huì)縮短56%[1]。針對(duì)重要橋梁隧道建立的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要目的就是為了掌握結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期間的荷載作用和結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)，以便及時(shí)調(diào)整橋隧結(jié)構(gòu)的運(yùn)營管理策略，保障結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全。

動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)（Weigh in Motion，簡稱WIM）的出現(xiàn)不僅能夠?qū)Τd車輛進(jìn)行識(shí)別，而且能夠提供較為全面的交通流信息，為橋隧管理單位評(píng)估結(jié)構(gòu)的疲勞剩余壽命、掌握結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行情況及制定運(yùn)營養(yǎng)護(hù)策略提供依據(jù)。

1 WIM工作原理及特點(diǎn)

目前動(dòng)態(tài)稱重產(chǎn)品一般能夠?qū)崿F(xiàn)交通流量檢測(cè)、車輛分類和動(dòng)態(tài)稱重的主要功能，其基本組成包括：地感線圈、軸載稱重傳感器和控制設(shè)備。對(duì)于有車牌識(shí)別需求的系統(tǒng)也會(huì)包括視頻設(shè)備。軸載稱重傳感器是WIM系統(tǒng)的核心器件，目前主要有壓電式傳感器、彎板式傳感器、電容式傳感器、橋式稱重平臺(tái)和光纖式傳感器[2]。以壓電式傳感器的WIM系統(tǒng)為例，其基本工作原理如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)工作原理圖

通常在每條車道安裝2條壓電式傳感器和1個(gè)地感應(yīng)線圈，當(dāng)車輛各軸依次通過壓電傳感器和地感線圈時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)序列（圖1中右側(cè)的波形曲線為一輛四軸貨車通過時(shí)系統(tǒng)所記錄到的信號(hào)波形）。由于壓電式傳感器輸出的電壓信號(hào)與車輛壓過的壓力存在比例關(guān)系（圖1波形圖中表現(xiàn)為尖脈沖信號(hào)），控制設(shè)備記錄該電壓信號(hào)和產(chǎn)生的時(shí)間，并換算成相應(yīng)的軸重?cái)?shù)據(jù)。根據(jù)同一根軸通過兩個(gè)壓電傳感器的時(shí)間可以測(cè)算車速，根據(jù)多根軸通過同一個(gè)壓電傳感器的時(shí)間，可測(cè)算車輛軸距和軸數(shù)。而地感線圈受汽車金屬底盤的激活作用產(chǎn)生矩形脈沖，用于區(qū)分同一車道的不同車輛，判定尖脈沖信號(hào)序列的歸屬，并計(jì)算確定車輛底盤長度和檢測(cè)前后車間距。根據(jù)單車的軸距和軸數(shù)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)一步對(duì)車輛進(jìn)行分類識(shí)別。動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)采集的基本信息是矩形脈沖和尖脈沖的信號(hào)序列，根據(jù)一定的算法，可以得到衍生的數(shù)據(jù)信息，主要包括總重、軸重、軸數(shù)、軸組數(shù)、軸距、車速、車型、車道荷載等一系列數(shù)據(jù)。

2 WIM技術(shù)在疲勞評(píng)估中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)疲勞安全性能評(píng)估是橋梁健康監(jiān)測(cè)中重要內(nèi)容之一。根據(jù)Miner線性疊加原則，構(gòu)件疲勞損傷取決于每次荷載作用產(chǎn)生的構(gòu)件應(yīng)力幅所造成的損傷度總和。因此，荷載譜的確定是疲勞分析評(píng)估的重要環(huán)節(jié)。目前的荷載譜確定的處理方法主要有三種。

2.1 規(guī)范值法

這類方法通常借鑒美國、英國或歐盟荷載規(guī)范（如BS5400、DIN1072和Eurocode1）給出的疲勞壽命評(píng)估荷載模型。這類方法較為簡單和直觀，也比較容易被橋梁設(shè)計(jì)者接受，但是規(guī)范考慮通用性，沒有考慮具體橋梁所處的特定環(huán)境，一般按照規(guī)范進(jìn)行的荷載評(píng)估是非常保守的。T.J.Miao用WIM數(shù)據(jù)模擬出橋梁運(yùn)營荷載要小于英國、美國和德國等國荷載規(guī)范值[3]。

2.2 交通調(diào)查法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)交通調(diào)查，采用計(jì)數(shù)器記錄各種車型的通過數(shù)量及車輛的大致裝載情況（空載、半載、滿載），然后查閱車輛技術(shù)手冊(cè)及調(diào)研，獲得各種車型的軸重、車重、車間距及各種車型比例等情況，最后按照假定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律確定軸重、車間距的概率參數(shù)，并采用M-C方法模擬車流。該方法模擬的車流效應(yīng)精度差，人為因素影響大，其軸重和車輛在車道中的橫向分布不能夠獲得較為滿意的結(jié)果。

2.3 WIM系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)法

從WIM的記錄數(shù)據(jù)中可以提取不同車流參數(shù)的統(tǒng)計(jì)，通過對(duì)記錄數(shù)據(jù)的修正，得出軸重、車間距等基本參數(shù)，對(duì)不同車道荷載參數(shù)進(jìn)行疊加后，可以建立最現(xiàn)實(shí)的荷載譜，反映結(jié)構(gòu)真實(shí)的受載歷史。

顯然，WIM系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)法能夠模擬出最接近實(shí)際工況的荷載譜。在此基礎(chǔ)上，將荷載加載到結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力影響線或影響面，即可得到較為精確的應(yīng)力譜（或應(yīng)力歷程），再通過雨流計(jì)數(shù)方法統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)桿件產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)疲勞損傷的Miner線性疊加原則和S-N疲勞性能曲線，即可得出結(jié)構(gòu)桿件的疲勞損傷度，進(jìn)而評(píng)估桿件的疲勞剩余壽命（見圖2）。

圖2 基于WIM的車輛載荷譜建立思路圖

當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用WIM系統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)中，主要針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)尤其是正交異性鋼橋面板的疲勞性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此，在后續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)橋面的疲勞性能評(píng)估中，十分關(guān)心WIM系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)得到的軸載譜[4]。對(duì)WIM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需要做一定的處理，主要包括以下兩個(gè)方面：

（1）數(shù)據(jù)傳輸。動(dòng)態(tài)稱重的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過專用服務(wù)傳輸接口控件定期打包后，以文件格式傳送到健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。專用服務(wù)傳輸接口控件是適用于各種信號(hào)的，對(duì)于非固定時(shí)間間隔的動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)序列，后期提取和通道定義上十分繁瑣。因此，需要在健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收端再配置數(shù)據(jù)庫，以表的形式存儲(chǔ)，以便后續(xù)的快速利用。

（2）數(shù)據(jù)表現(xiàn)。動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)的基本特點(diǎn)是非固定時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)序列，對(duì)于附屬于單車的數(shù)據(jù)，其長度的大小不確定，這與健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的加速度、GPS等數(shù)據(jù)差別很大，使用傳統(tǒng)的時(shí)程曲線來顯示車輛數(shù)據(jù)不能滿足專業(yè)分析的要求。根據(jù)疲勞評(píng)估分析或超重車輛管理等特定需求，要求提取的數(shù)據(jù)類型包括：車流量、軸重、總重、軸數(shù)、車型、車間距和速度。其中，軸重、車間距等可以依次區(qū)分車道、車型和軸號(hào)，以表和統(tǒng)計(jì)圖的形式表現(xiàn)比較合適，包括：車輛統(tǒng)計(jì)表、各類型車的軸重頻度分布圖和實(shí)際通行的軸載譜。

3 WIM技術(shù)超載分析實(shí)例應(yīng)用

以某大橋?yàn)槔?，該橋?yàn)橹骺?30 m的雙塔雙索面斜拉橋，主橋?yàn)殇撓淞航Y(jié)構(gòu)。在橋面瀝青鋪裝設(shè)計(jì)時(shí)采用設(shè)計(jì)荷載為公路I級(jí)，橋面鋪裝設(shè)計(jì)年限為15 a，累計(jì)軸載次數(shù)為5 200萬次[5]。根據(jù)交通量的預(yù)測(cè)結(jié)果，2010年、2015年、2020年和2025年預(yù)計(jì)通行的日均交通量雙向分別為36 000 pcu/d、47 900 pcu/d、65 400 pcu/d和76 600 pcu/d，設(shè)計(jì)超載比例（超載車數(shù)量占同種車總數(shù)的百分比）為20%，設(shè)計(jì)超載比率為30%（實(shí)際超載量占車輛額定載重重量百分比）。超載控制要求在掌握真實(shí)車輛通行狀況和超載狀況的前提下，結(jié)合結(jié)構(gòu)耐久與安全的評(píng)估結(jié)論，進(jìn)行超載比例和比率的雙控。

另外，根據(jù)文獻(xiàn)[6]，對(duì)于正交異性鋼橋面板，超載的疲勞破壞效應(yīng)不僅表現(xiàn)在車輛總重上，更體現(xiàn)在車輛的單軸重量上。因此，建議既要對(duì)車輛總重進(jìn)行限載管理，更需對(duì)車輛單軸重量進(jìn)行限載。

為了輔助疲勞分析，對(duì)獲取的車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)曲線和二次處理后的數(shù)據(jù)。根據(jù)車輛類型對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，將車輛總體劃分客車和貨車，客車包括小客車和大客車，貨車包括小貨車、中貨車、大貨車和拖掛車。統(tǒng)計(jì)資料表明，客車一般是2軸車，貨車則為軸數(shù)為2～6軸。在統(tǒng)計(jì)資料表中，可選定車道、選定時(shí)段，得到所有車型按軸數(shù)的統(tǒng)計(jì)值，并對(duì)每種車能夠給出總重分布圖、軸重頻度分布圖、超重統(tǒng)計(jì)拼圖等。圖3給出了2軸貨車的荷載統(tǒng)計(jì)圖。圖4給出了單個(gè)車道1個(gè)典型工作周的通行車輛總數(shù)及超重車比例，圖5給出了正常工作周全橋的軸重概率密度分布統(tǒng)計(jì)。

由圖3、圖4和圖5可見：

（1）通行車輛以2軸車為主，其超重車比例為16%，3軸及3軸以上車的交通量不大，但超重車比例很高，為70%左右；累積頻率圖顯示，該車道超重的車輛中有75%的單車超重量在20 t以下，有96%單車超重量在60 t以下，21%車輛的單車超重量在20 t～60 t之間，所有超重車輛的平均單車超重量為17.8 t。

（2）該橋所有通行車輛的單軸軸重概率密度分布近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，軸重累積頻率顯示，有93%的單軸軸重在10 t以下，7%的單軸軸重超重。

（3）WIM數(shù)據(jù)的分析顯示，該橋?qū)嶋H運(yùn)營車輛的超載比例和超載比率都較高，可能縮短橋面鋪裝的疲勞壽命，甚至影響橋梁受力構(gòu)件的安全性和耐久性，應(yīng)該引起橋梁管理單位的高度重視，采取必要措施限制超載車輛的比例和比率。

圖3 兩軸貨車荷載數(shù)據(jù)分析圖

圖4 單車道的超重車量比例分析曲線圖

圖5 正常工作周軸重概率密度分布分析曲線圖

4 結(jié)論

大橋設(shè)計(jì)采用的交通荷載是基于假定的參數(shù)，WIM系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及二次處理后的數(shù)據(jù)，能提供實(shí)際運(yùn)營橋梁的不同車道的車輛通行總數(shù)及類別、車輛超載數(shù)量及比例、超載車的整體比率，以及交通載重變遷趨勢(shì)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)與信息，為大橋的運(yùn)營策略管理與路面預(yù)養(yǎng)護(hù)提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支持。作為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，WIM系統(tǒng)為獲得車輛荷載作用下易損結(jié)構(gòu)（尤其是正交異性鋼橋面板）疲勞分析所需的軸重參數(shù)提供了準(zhǔn)確和新的途徑。通過開發(fā)疲勞荷載專項(xiàng)處理和疲勞分析模塊可以滿足結(jié)構(gòu)疲勞使用壽命的快速分析，為結(jié)構(gòu)安全和耐久的使用提供技術(shù)保障。

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