馮敏祎

（上海市閔行區(qū)規(guī)劃設計研究院，上海市 201199）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通運輸在國民經(jīng)濟中發(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，對公路、城市道路和橋梁隧道造成了嚴重的損害。有關研究表明，載重量超限一倍的車輛通過一次對路面損害相當于標準載重車輛連續(xù)通過16次，則公路設計標準需提高6倍多。而行駛于公路的車輛如果軸重超過30%，公路使用壽命就會縮短56%[1]。針對重要橋梁隧道建立的結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要目的就是為了掌握結(jié)構在運營期間的荷載作用和結(jié)構響應狀態(tài)，以便及時調(diào)整橋隧結(jié)構的運營管理策略，保障結(jié)構運行的安全。

動態(tài)稱重系統(tǒng)（Weigh in Motion，簡稱WIM）的出現(xiàn)不僅能夠?qū)Τd車輛進行識別，而且能夠提供較為全面的交通流信息，為橋隧管理單位評估結(jié)構的疲勞剩余壽命、掌握結(jié)構的實際運行情況及制定運營養(yǎng)護策略提供依據(jù)。

1 WIM工作原理及特點

目前動態(tài)稱重產(chǎn)品一般能夠?qū)崿F(xiàn)交通流量檢測、車輛分類和動態(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備。對于有車牌識別需求的系統(tǒng)也會包括視頻設備。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個地感應線圈，當車輛各軸依次通過壓電傳感器和地感線圈時，產(chǎn)生一個信號序列（圖1中右側(cè)的波形曲線為一輛四軸貨車通過時系統(tǒng)所記錄到的信號波形）。由于壓電式傳感器輸出的電壓信號與車輛壓過的壓力存在比例關系（圖1波形圖中表現(xiàn)為尖脈沖信號），控制設備記錄該電壓信號和產(chǎn)生的時間，并換算成相應的軸重數(shù)據(jù)。根據(jù)同一根軸通過兩個壓電傳感器的時間可以測算車速，根據(jù)多根軸通過同一個壓電傳感器的時間，可測算車輛軸距和軸數(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，判定尖脈沖信號序列的歸屬，并計算確定車輛底盤長度和檢測前后車間距。根據(jù)單車的軸距和軸數(shù)數(shù)據(jù)，還可以進一步對車輛進行分類識別。動態(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技術在疲勞評估中的應用

結(jié)構疲勞安全性能評估是橋梁健康監(jiān)測中重要內(nèi)容之一。根據(jù)Miner線性疊加原則，構件疲勞損傷取決于每次荷載作用產(chǎn)生的構件應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計者接受，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)范進行的荷載評估是非常保守的。T.J.Miao用WIM數(shù)據(jù)模擬出橋梁運營荷載要小于英國、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)場交通調(diào)查，采用計數(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），然后查閱車輛技術手冊及調(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，通過對記錄數(shù)據(jù)的修正，得出軸重、車間距等基本參數(shù)，對不同車道荷載參數(shù)進行疊加后，可以建立最現(xiàn)實的荷載譜，反映結(jié)構真實的受載歷史。

顯然，WIM系統(tǒng)統(tǒng)計法能夠模擬出最接近實際工況的荷載譜。在此基礎上，將荷載加載到結(jié)構桿件的應力影響線或影響面，即可得到較為精確的應力譜（或應力歷程），再通過雨流計數(shù)方法統(tǒng)計結(jié)構桿件產(chǎn)生的疲勞應力循環(huán)次數(shù)，結(jié)合結(jié)構疲勞損傷的Miner線性疊加原則和S-N疲勞性能曲線，即可得出結(jié)構桿件的疲勞損傷度，進而評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

當然，在實際應用WIM系統(tǒng)的橋梁結(jié)構中，主要針對鋼結(jié)構尤其是正交異性鋼橋面板的疲勞性能進行監(jiān)測，因此，在后續(xù)的鋼結(jié)構橋面的疲勞性能評估中，十分關心WIM系統(tǒng)統(tǒng)計得到的軸載譜[4]。對WIM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需要做一定的處理，主要包括以下兩個方面：

（1）數(shù)據(jù)傳輸。動態(tài)稱重的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過專用服務傳輸接口控件定期打包后，以文件格式傳送到健康監(jiān)測系統(tǒng)中。專用服務傳輸接口控件是適用于各種信號的，對于非固定時間間隔的動態(tài)稱重數(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)測系統(tǒng)接收端再配置數(shù)據(jù)庫，以表的形式存儲，以便后續(xù)的快速利用。

（2）數(shù)據(jù)表現(xiàn)。動態(tài)稱重數(shù)據(jù)的基本特點是非固定時間間隔的數(shù)據(jù)序列，對于附屬于單車的數(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，以表和統(tǒng)計圖的形式表現(xiàn)比較合適，包括：車輛統(tǒng)計表、各類型車的軸重頻度分布圖和實際通行的軸載譜。

3 WIM技術超載分析實例應用

以某大橋為例，該橋為主跨730 m的雙塔雙索面斜拉橋，主橋為鋼箱梁結(jié)構。在橋面瀝青鋪裝設計時采用設計荷載為公路I級，橋面鋪裝設計年限為15 a，累計軸載次數(shù)為5 200萬次[5]。根據(jù)交通量的預測結(jié)果，2010年、2015年、2020年和2025年預計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，設計超載比例（超載車數(shù)量占同種車總數(shù)的百分比）為20%，設計超載比率為30%（實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車輛通行狀況和超載狀況的前提下，結(jié)合結(jié)構耐久與安全的評估結(jié)論，進行超載比例和比率的雙控。

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

為了輔助疲勞分析，對獲取的車輛數(shù)據(jù)進行分析，并給出相應的統(tǒng)計曲線和二次處理后的數(shù)據(jù)。根據(jù)車輛類型對結(jié)構的影響，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)計資料表中，可選定車道、選定時段，得到所有車型按軸數(shù)的統(tǒng)計值，并對每種車能夠給出總重分布圖、軸重頻度分布圖、超重統(tǒng)計拼圖等。圖3給出了2軸貨車的荷載統(tǒng)計圖。圖4給出了單個車道1個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。

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件的安全性和耐久性，應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

大橋設計采用的交通荷載是基于假定的參數(shù)，WIM系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)，以及二次處理后的數(shù)據(jù)，能提供實際運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等關鍵數(shù)據(jù)與信息，為大橋的運營策略管理與路面預養(yǎng)護提供詳實的數(shù)據(jù)支持。作為健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要監(jiān)測項目，WIM系統(tǒng)為獲得車輛荷載作用下易損結(jié)構（尤其是正交異性鋼橋面板）疲勞分析所需的軸重參數(shù)提供了準確和新的途徑。通過開發(fā)疲勞荷載專項處理和疲勞分析模塊可以滿足結(jié)構疲勞使用壽命的快速分析，為結(jié)構安全和耐久的使用提供技術保障。

[1] Gu,Zhongren.Floating WIM threshold concept for truck weight enforcement.PhD thesis.University of Tennessee.2005.

[2] 賀曙新.車輛動態(tài)稱重技術的歷史、現(xiàn)狀與展望[J].中外公路，2004，(6):104-108.

[3] T.J.Miao,T.H.T.Chan Bridge live load models from WIM data Engineering Structures 24(2002)1071-1084.

[4] 張磊,吳沖.鋼橋面板疲勞載荷譜模擬的一種簡化方法[A].青島海灣大橋國際橋梁論壇論文集[C].2008:169-176.

[5] 吉青克,黃少文,左鋒.上海長江大橋橋面瀝青鋪裝的設計與施工[J].世界橋梁，2009，(S1):50-53.

[6] 楊光.鋼橋面系抗疲勞設計關鍵問題研究[D].上海:同濟大學，2008.