挑戰(zhàn)：通過起重機(jī)升降臂吊裝道路填料會使到斷裂臨界點(diǎn)的橋梁坍塌，需要尋找一種快速安全測量此時填料重量的方法。

解決方案：通過將荷重元傳感器附在車載起重機(jī)懸掛鏟斗的承重索上，并與NIWLS-9237Wi-Fi數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊連接，輕松讀取并記錄現(xiàn)場的載重?cái)?shù)據(jù)，從而測量橋梁路基的重量。

“由于橋梁坍塌的危險性，測試中最需要關(guān)注的問題是安全性。因此，采用WLS-9237無線數(shù)據(jù)采集模塊，采集荷重元傳感器所測量的施加到橋梁上路基的重量數(shù)據(jù)。無線系統(tǒng)在提供快速計(jì)算坍塌負(fù)載所需的測量精度的同時，消除了線纜可能導(dǎo)致的安全性問題?！?/p>

使用NI軟硬件開發(fā)無線測量系統(tǒng)

Ferguson結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室擁有一套結(jié)構(gòu)測試工具和各類裝載設(shè)備，在結(jié)構(gòu)特性領(lǐng)域能夠開展廣泛研究。2009年實(shí)驗(yàn)室的研究人員成功對一座120英尺并帶有人為裂面的橋梁進(jìn)行了坍塌試驗(yàn)，以研究其作為美國國家公路與運(yùn)輸協(xié)會制定的臨界斷裂的分類。在進(jìn)行了三輪測試后，大橋終于承因承載不了高于360，000磅的重量而坍塌。研究人員通過對其進(jìn)行測試，以確定橋梁在產(chǎn)生裂面后的損傷特性其大梁斷裂后的易損性，結(jié)果是該橋承受住了約4.5倍于最大理論負(fù)載的重量。

該測試的目的是觀察機(jī)理失效的順序，以及確定導(dǎo)致整體橋梁初始坍塌時所需的最大負(fù)載。根據(jù)雙箱形大梁結(jié)構(gòu)橋梁的系統(tǒng)行為，需要進(jìn)行三輪測試，兩次動態(tài)和一次靜態(tài)。在第一輪測試中我們使用爆炸裝填物人為破壞了一側(cè)大梁的底部邊緣。如果此時橋梁處于臨界斷裂，則此斷裂將導(dǎo)致橋梁坍塌；然而，橋梁在第一輪測試后沒有明顯損壞。

我們又進(jìn)行了一次動態(tài)測試以引發(fā)坍塌，橋梁被從原始位置頂起，斷裂大梁的裂紋呈網(wǎng)狀擴(kuò)張，隨后被頂起部迅速消除。橋梁又一次在測試后保持原狀。

在最后一次測試中，我們不斷給橋梁增加載重，直到坍塌。最初加載了1倍的理論載荷，隨后通過起重機(jī)鏟斗傾倒填料不斷增加載荷，每次1，500到3，000磅（圖1）。100多次以后，橋梁負(fù)載超過360，000磅，并最終坍塌。

由于橋梁坍塌的危險性，測試中最需要關(guān)注的問題是安全性。因此，我們采用NIWLS-9237無線數(shù)據(jù)采集模塊，采集荷重元傳感器測量的施加到橋梁上路基的重量數(shù)據(jù)。無線系統(tǒng)在提供快速計(jì)算坍塌負(fù)載所需的測量精度的同時，消除了線纜可能導(dǎo)致的安全性問題。系統(tǒng)允許使用簡單而安全的IEEE802.11g協(xié)議，以無線方式與傳感器直接連接。

我們使用LabVIEW軟件來遠(yuǎn)程監(jiān)控負(fù)載信號。內(nèi)置的信號調(diào)理和最高級別的商用網(wǎng)絡(luò)安全性使我們能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)郊s50英尺之外的遠(yuǎn)程監(jiān)控地點(diǎn)（圖2）。

測試過程

我們通過在橋面上放置箱式結(jié)構(gòu)的混凝土梁來模擬車輛載重，并通過在橋上加載傾倒物來增加重量（圖3）。路基因其易于獲得、低成本及較高密度被選擇作為填料。

為了快速安全地進(jìn)行測量，我們將荷重元傳感器附在車載起重機(jī)懸掛鏟斗的承重索上。我們還做了一個木盒收納無線傳輸器及電源（圖4），并將它懸掛在傳感器的邊上。我們采用簡單的筆記本電池來給WLS-9237供電。最后，我們用鋼索將荷重元傳感器與鏟斗連接，從而提供足夠的空間，使填料傾倒時不會損壞荷重元傳感器或相關(guān)的設(shè)備。WLS-9237Wi-FiDAQ設(shè)備與荷重元傳感器連接，因此載重?cái)?shù)據(jù)能夠被輕松讀取，并直接從現(xiàn)場記錄，而不會受到起重機(jī)運(yùn)行的影響。

橋梁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

除了安全地制定并執(zhí)行全程測試，很重要的一點(diǎn)是在實(shí)驗(yàn)過程中采集數(shù)據(jù)，用于未來對橋梁行為的分析。我們設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種儀器使用方案來測量變形量及材料應(yīng)力。我們將應(yīng)力計(jì)與橋梁構(gòu)件直接連接，以測量材料的變形。

所有硬件來自美國國家儀器公司（NI），包括244通道的DAQ設(shè)備（圖5）。兩臺NISCXI-100112槽機(jī)箱內(nèi)安裝了24塊NISCXI-15208通道通用應(yīng)力模塊。我們還使用了兩臺NISCXI-10004槽機(jī)箱，其中插入了5塊NISCXI-15208通道通用應(yīng)力模塊和3塊NISCXI-11214通道隔離放大器。NISCXI-13148通道接線端模塊與所有29塊NISCXI-1520模塊連接，3塊NISCXI-13214通道接線端模塊與NISCXI-1121隔離放大器連接。所有4個機(jī)箱都通過NIPCI-6250DAQ板與PC連接，我們使用LabVIEW對其進(jìn)行配置。

測試至坍塌

經(jīng)過三天的填料添加，當(dāng)橋梁總負(fù)載增加至大約360，000磅時，中跨延伸段連接外部欄桿處的大部分混凝土開始碎裂。當(dāng)大量材料開始滑落時，在橋梁塌至底部混凝土床之前又在橋上添加了額外3鏟斗填料（圖6）。隨著橋面負(fù)載超過了試驗(yàn)過程的重量，橋梁構(gòu)件產(chǎn)生了一系列坍塌。隨著中部坍塌后，橋梁上的載重重新分布，表明在橋梁損壞加劇的過程中，冗余傳力路徑對維持橋梁平衡的貢獻(xiàn)。隨后，我們將通過這些發(fā)現(xiàn)開發(fā)強(qiáng)度模型來評估雙箱形大梁結(jié)構(gòu)橋梁。

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