将无线数据采集用于桥梁坍塌测试 - 工业/测控 - 电子工程

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挑战：通过起重机升降臂吊装道路填料会使到断裂临界点的桥梁坍塌，需要寻找一种快速安全测量此时填料重量的方法。

解决方案：通过将荷重元传感器附在车载起重机悬挂铲斗的承重索上，并与NI WLS-9237 Wi-Fi数据采集(DAQ)模块连接，轻松读取并记录现场的载重数据，从而测量桥梁路基的重量。

使用NI软硬件开发无线测量系统

Ferguson结构工程实验室拥有一套结构测试工具和各类装载设备,在结构特性领域能够开展广泛研究。2009年实验室的研究人员成功对一座120英尺并带有人为裂面的桥梁进行了坍塌试验,以研究其作为美国国家公路与运输协会制定的临界断裂的分类。在进行了三轮测试后,大桥终于承因承载不了高于360,000磅的重量而坍塌。研究人员通过对其进行测试,以确定桥梁在产生裂面后的损伤特性其大梁断裂后的易损性,结果是该桥承受住了约4.5倍于最大理论负载的重量。

该测试的目的是观察机理失效的顺序，以及确定导致整体桥梁初始坍塌时所需的最大负载。根据双箱形大梁结构桥梁的系统行为，需要进行三轮测试，两次动态和一次静态。在第一轮测试中我们使用爆炸装填物人为破坏了一侧大梁的底部边缘。如果此时桥梁处于临界断裂，则此断裂将导致桥梁坍塌；然而，桥梁在第一轮测试后没有明显损坏。

我们又进行了一次动态测试以引发坍塌，桥梁被从原始位置顶起，断裂大梁的裂纹呈网状扩张，随后被顶起部迅速消除。桥梁又一次在测试后保持原状。

在最后一次测试中，我们不断给桥梁增加载重，直到坍塌。最初加载了1倍的理论载荷，随后通过起重机铲斗倾倒填料不断增加载荷，每次1,500 到3,000 磅（图1）。100多次以后，桥梁负载超过 360,000 磅，并最终坍塌。

由于桥梁坍塌的危险性，测试中最需要关注的问题是安全性。因此，我们采用NI WLS-9237无线数据采集模块，采集荷重元传感器测量的施加到桥梁上路基的重量数据。无线系统在提供快速计算坍塌负载所需的测量精度的同时，消除了线缆可能导致的安全性问题。系统允许使用简单而安全的IEEE 802.11g协议，以无线方式与传感器直接连接。

我们使用LabVIEW 软件来远程监控负载信号。内置的信号调理和最高级别的商用网络安全性使我们能够将数据实时传输到约50 英尺 之外的远程监控地点（图2）。

测试过程

我们通过在桥面上放置箱式结构的混凝土梁来模拟车辆载重，并通过在桥上加载倾倒物来增加重量（图3）。路基因其易于获得、低成本及较高密度被选择作为填料。

为了快速安全地进行测量，我们将荷重元传感器附在车载起重机悬挂铲斗的承重索上。我们还做了一个木盒收纳无线传输器及电源（图4），并将它悬挂在传感器的边上。我们采用简单的笔记本电池来给WLS-9237供电。最后，我们用钢索将荷重元传感器与铲斗连接,从而提供足够的空间，使填料倾倒时不会损坏荷重元传感器或相关的设备。WLS-9237 Wi-Fi DAQ设备与荷重元传感器连接，因此载重数据能够被轻松读取，并直接从现场记录，而不会受到起重机运行的影响。

桥梁数据采集系统

除了安全地制定并执行全程测试，很重要的一点是在实验过程中采集数据，用于未来对桥梁行为的分析。我们设计并实现了一种仪器使用方案来测量变形量及材料应力。我们将应力计与桥梁构件直接连接，以测量材料的变形。

所有硬件来自美国国家仪器公司（NI），包括 244通道的DAQ设备（图5）。两台NI SCXI-1001 12槽机箱内安装了24块 NI SCXI-1520 8通道通用应力模块。我们还使用了两台NI SCXI-1000 4槽机箱，其中插入了5块NI SCXI-1520 8通道通用应力模块和3块NI SCXI-1121 4通道隔离放大器。NI SCXI-1314 8通道接线端模块与所有29块NI SCXI-1520模块连接，3块NI SCXI-1321 4通道接线端模块与NI SCXI-1121隔离放大器连接。所有4个机箱都通过NI PCI-6250 DAQ板与PC连接，我们使用LabVIEW对其进行配置。

测试至坍塌

经过三天的填料添加，当桥梁总负载增加至大约360,000 磅时，中跨延伸段连接外部栏杆处的大部分混凝土开始碎裂。当大量材料开始滑落时，在桥梁塌至底部混凝土床之前又在桥上添加了额外3铲斗填料（图6）。随着桥面负载超过了试验过程的重量，桥梁构件产生了一系列坍塌。随着中部坍塌后，桥梁上的载重重新分布，表明在桥梁损坏加剧的过程中，冗余传力路径对维持桥梁平衡的贡献。随后，我们将通过这些发现开发强度模型来评估双箱形大梁结构桥梁。


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图1


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图2


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图3


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图4


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图5


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图6

NI公司供稿