橋梁動態稱重系統作爲公路橋梁結構健康監測工具之一，于20世紀70年代問世。它可以幫助橋梁運營商確定橋梁誘發應變的原因，並收集車輛重量、類別等級和頻率的統計數據。該系統已在全球25個國家安裝了3000多套，這使得在數據後期處理方面有了巨大的進步。然而，現有的系統是基于電阻應變計的，由于耗電量大，無法爲城市橋梁的長期監測提供數據。爲此，研發的一種使用光纖傳感器的新型低功耗橋梁動態稱重系統，已在北愛爾蘭率先應用。
恰當選擇測試橋梁位置
在英國，雖然橋梁結構的總長度占全國道路網的2%，但卻占其總資産價值的30%。據之前美國基礎設施報告單中提到的，每年需要投資200億美元，才能在2028年之前消除美國所有積壓的成本效益高的橋梁需求。需要進行長期的財務規劃，通過對老化的基礎設施進行戰略式管理，最大限度地發揮這項投資的潛力。
結構健康監測系統可提供有關橋梁承載能力的寶貴信息，但目前無法提供有關實際交通頻率和負載的統計數據。動態橋梁稱重(BWIM)系統爲確定橋梁誘發應變的原因和收集車輛重量、類別和頻率的統計數據提供了一種工具。BWIM最初由Moses在1979年提出，隨後由Peters在1986年時發展成爲一種使用涵洞對卡車進行稱重的系統，稱爲Culway。下一個重大進展是20世紀90年代在Wave項目下開發的原型系統(O 'Brien等人，1999年)。其概念是利用現有橋梁作爲稱重秤，在不影響交通流量的情況下確定車輛總重(GVW) 和軸載。收集到的數據可生成有關橋梁負載的統計信息，並可將其作爲一種持續管理工具，對基礎設施資産的安全性進行戰略性評估和管理。除了收集交通統計數據外，BWIM系統還有可能提供一種經濟有效的、必要時可攜帶的信息收集方法，用于確定橋梁結構的全壽命性能。
BWIM系統通過測量橋梁的變化特性，通常是應變，來估算通過車軸的重量。在BWIM中，在現有的橋梁上安裝了一系列應變傳感器。由于車輛通過橋梁最多需要一秒鍾的時間，因此由車軸反彈引起的誤差很小，特別是總重量往往相當准確。
研究的第一步是爲系統的安裝和操作選擇合適的橋梁結構。
爲了選擇最合適的測試地點而需要制定選址標准。標准主要基于相關委員會的建議。在選擇橋址時，重要的是交通流量和跨度，以及路面粗糙度、車道類型、交通便利程度和是否有方便的電力供應。橋齡不超過5年的橋梁被認爲是合適的，因爲有關其建造的信息是很容易獲得的，從而節省了進行全面無損評估的時間。此外，還考慮到新建橋梁的路面損壞可能性較小，而最新的路面輪廓儀讀數也證明了這一點，從而提高了系統的准確性，因爲路面不平整被認爲是獲得准確BWIM結果的主要障礙 (Lavric 等人，2008 年)。其余選擇標准包括地理位置、橋梁傾斜度、道路幾何形狀，以及是否靠近靜態稱重站。
從北愛爾蘭區域發展部獲得了北愛爾蘭近期完成的道路改善計劃清單。從這份清單中，確定了2009年至2012年期間完成的雙車道道路計劃。立交橋結構被排除在外，因爲它們爲交通量低得多的次要道路提供了重量數據。下一個標准是位置，以及是否靠近靜態稱重站。北愛爾蘭共有13座安裝地磅稱重的橋梁。將這些地點與新建橋梁的地點進行交叉比較後發現，位于Co. Down的拉夫布裏克蘭（Loughbrickland）是最合適的安裝地點。這是一條通往繁忙的雙行車道的地下通道，每天有10,000至12,000輛汽車在行車道上行駛，而且距離安裝有靜態地磅的橋梁只有不到3公裏。該橋梁結構是都柏林至貝爾法斯特 A1主路線的一部分，也是連接都柏林、沃倫波因特和貝爾法斯特港口之間的重要紐帶，形成了與愛爾蘭的戰略性跨境經濟聯系。
圖1 實測橋梁
Loughbrickland地區這座橋梁建于2010年，單跨跨度爲19米。上部結構是由27根預應力混凝土Y4梁組成。厚200毫米的現澆混凝土橋面板由永久性非結構性玻璃纖維增強混凝土模板覆蓋和支撐，該模板在主梁之間橫向跨越。標准委員會曾建議斜度小于10°，但對橋梁存量的調查中發現，該地區大多數相對較新的橋梁結構的斜度都在10°以上。然而，人們認爲，大斜度也能解決在斜交橋上應用BWIM系統的難題，並擴展BWIM系統的應用範圍。其他需要考慮的問題還包括供電和路邊機櫃的位置。總的來說，位于Loughbrickland的橋址符合選址標准的要求，被選爲實施下一代 BWIM系統的合適結構。
場地布置與安裝校准
橋上有四條車道，雙向各兩條，還有兩條進出的南北匝道。選擇在北向行駛路段安裝儀器和儀表。並且在橋梁結構上安裝了一個完整的BWIM系統，並在通往結構的路面上嵌入了一個壓電聚合物PWIM系統。PWIM系統的目的是提供一種方法，可以將下一代BWIM系統的結果與現有的結果進行比較。
圖2 Loughbrickland現場示意圖
PWIM系統是一種傳統的、使用閉路電視設備捕捉車輛視覺圖像的裝置。壓電聚合物傳感器用于對車軸進行稱重，環路用于協助對車輛進行分類。由于安裝工作需要關閉一條國道上的車道，因此安裝工作在夜間進行，安裝期間始終保持一條車道開放。
而光纖BWIM傳感系統可以在不同階段進行安裝。根據結構的三維數值模型確定傳感器的最佳位置。Lydon等人在2014年發表的論文中詳細介紹了傳感器的開發和系統的固定方法。該系統的光源和詢問元件位于一個組合裝置中，可對數百個傳感器進行動態測量，掃描頻率高達1kHz。該裝置通過以太網端口向外部計算機輸出傳感器波長數據，所有輸出設置均可通過傳感分析軟件進行定制。爲安全存放設備，還專門定制了一個安全櫃。安全櫃安裝在大橋西南側的支撐牆上，電力由PWIM櫃提供。
圖3 已完成PWIM安裝
BWIM 傳感器有兩種不同的功能——稱重傳感器和軸檢測傳感器。每個稱重傳感器都由一個安裝在5毫米不鏽鋼板上的10毫米非金屬長光纖布拉格光柵(EBG)傳感器組成，它具有放大橋梁應變的作用。這塊鋼板被固定在縱梁的頂板上，測量方向爲縱向應變路面無(NOR)車軸檢測傳感器指的是位于先前研究(Kalin 等人，2006 年)中定義的位置上的傳感器，實際的FBG傳感器類型與稱重時使用的傳感器類型一致。在6根梁上安裝了測量縱向應變變化的儀器，並安裝了8個傳感器用于NOR車軸檢測。另外，還安裝了車軸檢測傳感器，以測試車軸檢測的新策略。這包括在支架附近安裝四個額外的10毫米長的FBG傳感器。在此階段安裝的傳感器的布置方向是爲了測量垂直方向(即車輪負載下的軸承應變) 和與垂直方向成45°的應變變化。
爲了評估進一步放大的可能性，在7號梁的跨中位置放置了3個稱重傳感器。3個傳感器的輸出信號在後處理階段相加，從而獲得更精確的測量結果。最近的研究結果表明，傳統的方法是將橋面板寬度上所有稱重傳感器的輸出信號相加，這種方法會降低系統的潛在精度。這考慮到了計算出的影響線會隨著卡車橫向位置的變化而變化這一事實。
由于BWIM系統是在不同階段安裝的，每個階段之後都有必要確定系統精度的方法。由于這種性質，因此需要一種更具成本效益的校准方法。
通過將校准PWIM系統的結果與校准後的結果進行比較來校准BWIM系統。這種使用非校准測量來評估一個系統准確性的方法，可以在任何一天檢查BWIM系統的准確性，而無須事先安排校准卡車。兩個系統的時間同步，便于比較結果。此外還與北愛爾蘭駕駛員車輛管理局(DVA)合作開發了一項獨立的准確性檢查，將PWIM和BWIM系統的結果與靜態地磅的結果進行比較。兩種移動稱重技術的比較被用作日常監測的誤差“指標”，而北愛爾蘭駕駛車輛管理局的測量則爲評估兩種系統的准確性提供了地面實況數據。
北愛爾蘭車輛管理局定期在北愛爾蘭各地的地磅進行執法檢查。這是爲了確保車輛遵守法定重量限制以及其他各種車輛法規。執法人員從現場交通中隨機挑選車輛，將其分流到稱重站。然後對車輛進行評估，以確定其是否符合所有合規要求。項目團隊與管理局聯系後，在拉夫布裏克蘭地區的橋梁上進行了一系列測試。
圖4 完整的傳感器布置
安裝在拉夫布裏克蘭的BWIM系統可用于對結構和現場交通進行連續監測。詢問系統的掃描頻率設定爲500赫茲。利用現場數據進行的靈敏度分析表明，該掃描頻率能産生最有效的文件大小，同時還能提供足夠數量的數據點以便進行清晰的車軸檢測。現場采集的應變信號通過兩種方式進行分析。首先，使用數據管理軟件包對信號進行可視化處理。這樣做是爲了確定傳感器的靈敏度是否足以提供車軸檢測所需的明顯峰值。其次，對穿越結構的預稱重車輛的應變曆史文件進行選擇，並使用現有的BWIM軟件包對這些文件進行處理。
結果表明，現場安裝的下一代BWIM系統可以提供准確的車軸檢測數據。然而，這種車軸檢測方法在很大程度上取決于車輪的橫向位置。當車輪通過時，板面會發生彎曲，但當車輪直接落在梁上時，板面的彎曲程度要小得多。
這種使用光纖傳感器的新型橋梁動態稱重(BWIM)系統，利用在橋梁上部結構不同位置上的應變輸出來，測量結構在活荷載作用下的響應。其結果也證實了NOR軸檢測策略的可行性，並且與Kalin等人在2006年提出的說法一致，即光纖傳感器將很好地用于BWIM系統。當荷載通過橫梁時，新方法對軸檢測效果很好，但當荷載通過板時，性能會下降。因此，理想的系統應由新型軸檢測傳感器和NOR軸檢測傳感器組合而成。校准BWIM系統時使用了一輛六軸車輛。然後根據校准結果計算出部分過橋車輛的車輛總重和軸重。系統的准確性在很大程度上受到校准方法的影響。理想情況下，校准時應使用範圍更廣的車輛。要確定該BWIMM 系統的真正能力，還需要進行更詳細的研究，包括對影響線進行更精確的估計，以及進行嚴格的測試，以測量多種存在情況和路面粗糙度的影響。
本文刊載 / 《大橋養護與運營》雜志 2023年 第4期 總第24期
作者 / Myra Lydon
作者單位 / 英國貝爾法斯特女王大學
資料來源 / 英國土木工程師學會（ICE）學報
