动态称重系统在城市桥梁运营管理中的运用

冯敏祎

（上海市闵行区规划设计研究院，上海市 201199）

0 前言

随着我国经济的快速发展，交通运输在国民经济中发挥着越来越重要的作用。高速公路和城市道路的车流量与日俱增，随之而来的货车超载现象屡见不鲜，对公路、城市道路和桥梁隧道造成了严重的损害。有关研究表明，载重量超限一倍的车辆通过一次对路面损害相当于标准载重车辆连续通过16次，则公路设计标准需提高6倍多。而行驶于公路的车辆如果轴重超过30%，公路使用寿命就会缩短56%[1]。针对重要桥梁隧道建立的结构健康监测系统的主要目的就是为了掌握结构在运营期间的荷载作用和结构响应状态，以便及时调整桥隧结构的运营管理策略，保障结构运行的安全。

动态称重系统（Weigh in Motion，简称WIM）的出现不仅能够对超载车辆进行识别，而且能够提供较为全面的交通流信息，为桥隧管理单位评估结构的疲劳剩余寿命、掌握结构的实际运行情况及制定运营养护策略提供依据。

1 WIM工作原理及特点

目前动态称重产品一般能够实现交通流量检测、车辆分类和动态称重的主要功能，其基本组成包括：地感线圈、轴载称重传感器和控制设备。对于有车牌识别需求的系统也会包括视频设备。轴载称重传感器是WIM系统的核心器件，目前主要有压电式传感器、弯板式传感器、电容式传感器、桥式称重平台和光纤式传感器[2]。以压电式传感器的WIM系统为例，其基本工作原理如图1所示。

图1 动态称重系统工作原理图

通常在每条车道安装2条压电式传感器和1个地感应线圈，当车辆各轴依次通过压电传感器和地感线圈时，产生一个信号序列（图1中右侧的波形曲线为一辆四轴货车通过时系统所记录到的信号波形）。由于压电式传感器输出的电压信号与车辆压过的压力存在比例关系（图1波形图中表现为尖脉冲信号），控制设备记录该电压信号和产生的时间，并换算成相应的轴重数据。根据同一根轴通过两个压电传感器的时间可以测算车速，根据多根轴通过同一个压电传感器的时间，可测算车辆轴距和轴数。而地感线圈受汽车金属底盘的激活作用产生矩形脉冲，用于区分同一车道的不同车辆，判定尖脉冲信号序列的归属，并计算确定车辆底盘长度和检测前后车间距。根据单车的轴距和轴数数据，还可以进一步对车辆进行分类识别。动态称重系统采集的基本信息是矩形脉冲和尖脉冲的信号序列，根据一定的算法，可以得到衍生的数据信息，主要包括总重、轴重、轴数、轴组数、轴距、车速、车型、车道荷载等一系列数据。

2 WIM技术在疲劳评估中的应用

结构疲劳安全性能评估是桥梁健康监测中重要内容之一。根据Miner线性叠加原则，构件疲劳损伤取决于每次荷载作用产生的构件应力幅所造成的损伤度总和。因此，荷载谱的确定是疲劳分析评估的重要环节。目前的荷载谱确定的处理方法主要有三种。

2.1 规范值法

这类方法通常借鉴美国、英国或欧盟荷载规范（如BS5400、DIN1072和Eurocode1）给出的疲劳寿命评估荷载模型。这类方法较为简单和直观，也比较容易被桥梁设计者接受，但是规范考虑通用性，没有考虑具体桥梁所处的特定环境，一般按照规范进行的荷载评估是非常保守的。T.J.Miao用WIM数据模拟出桥梁运营荷载要小于英国、美国和德国等国荷载规范值[3]。

2.2 交通调查法

根据现场交通调查，采用计数器记录各种车型的通过数量及车辆的大致装载情况（空载、半载、满载），然后查阅车辆技术手册及调研，获得各种车型的轴重、车重、车间距及各种车型比例等情况，最后按照假定的统计规律确定轴重、车间距的概率参数，并采用M-C方法模拟车流。该方法模拟的车流效应精度差，人为因素影响大，其轴重和车辆在车道中的横向分布不能够获得较为满意的结果。

2.3 WIM系统统计法

从WIM的记录数据中可以提取不同车流参数的统计，通过对记录数据的修正，得出轴重、车间距等基本参数，对不同车道荷载参数进行叠加后，可以建立最现实的荷载谱，反映结构真实的受载历史。

显然，WIM系统统计法能够模拟出最接近实际工况的荷载谱。在此基础上，将荷载加载到结构杆件的应力影响线或影响面，即可得到较为精确的应力谱（或应力历程），再通过雨流计数方法统计结构杆件产生的疲劳应力循环次数，结合结构疲劳损伤的Miner线性叠加原则和S-N疲劳性能曲线，即可得出结构杆件的疲劳损伤度，进而评估杆件的疲劳剩余寿命（见图2）。

图2 基于WIM的车辆载荷谱建立思路图

当然，在实际应用WIM系统的桥梁结构中，主要针对钢结构尤其是正交异性钢桥面板的疲劳性能进行监测，因此，在后续的钢结构桥面的疲劳性能评估中，十分关心WIM系统统计得到的轴载谱[4]。对WIM系统的数据需要做一定的处理，主要包括以下两个方面：

（1）数据传输。动态称重的实时监测数据通过专用服务传输接口控件定期打包后，以文件格式传送到健康监测系统中。专用服务传输接口控件是适用于各种信号的，对于非固定时间间隔的动态称重数据序列，后期提取和通道定义上十分繁琐。因此，需要在健康监测系统接收端再配置数据库，以表的形式存储，以便后续的快速利用。

（2）数据表现。动态称重数据的基本特点是非固定时间间隔的数据序列，对于附属于单车的数据，其长度的大小不确定，这与健康监测系统中的加速度、GPS等数据差别很大，使用传统的时程曲线来显示车辆数据不能满足专业分析的要求。根据疲劳评估分析或超重车辆管理等特定需求，要求提取的数据类型包括：车流量、轴重、总重、轴数、车型、车间距和速度。其中，轴重、车间距等可以依次区分车道、车型和轴号，以表和统计图的形式表现比较合适，包括：车辆统计表、各类型车的轴重频度分布图和实际通行的轴载谱。

3 WIM技术超载分析实例应用

以某大桥为例，该桥为主跨730 m的双塔双索面斜拉桥，主桥为钢箱梁结构。在桥面沥青铺装设计时采用设计荷载为公路I级，桥面铺装设计年限为15 a，累计轴载次数为5 200万次[5]。根据交通量的预测结果，2010年、2015年、2020年和2025年预计通行的日均交通量双向分别为36 000 pcu/d、47 900 pcu/d、65 400 pcu/d和76 600 pcu/d，设计超载比例（超载车数量占同种车总数的百分比）为20%，设计超载比率为30%（实际超载量占车辆额定载重重量百分比）。超载控制要求在掌握真实车辆通行状况和超载状况的前提下，结合结构耐久与安全的评估结论，进行超载比例和比率的双控。

另外，根据文献[6]，对于正交异性钢桥面板，超载的疲劳破坏效应不仅表现在车辆总重上，更体现在车辆的单轴重量上。因此，建议既要对车辆总重进行限载管理，更需对车辆单轴重量进行限载。

为了辅助疲劳分析，对获取的车辆数据进行分析，并给出相应的统计曲线和二次处理后的数据。根据车辆类型对结构的影响，将车辆总体划分客车和货车，客车包括小客车和大客车，货车包括小货车、中货车、大货车和拖挂车。统计资料表明，客车一般是2轴车，货车则为轴数为2～6轴。在统计资料表中，可选定车道、选定时段，得到所有车型按轴数的统计值，并对每种车能够给出总重分布图、轴重频度分布图、超重统计拼图等。图3给出了2轴货车的荷载统计图。图4给出了单个车道1个典型工作周的通行车辆总数及超重车比例，图5给出了正常工作周全桥的轴重概率密度分布统计。

由图3、图4和图5可见：

（1）通行车辆以2轴车为主，其超重车比例为16%，3轴及3轴以上车的交通量不大，但超重车比例很高，为70%左右；累积频率图显示，该车道超重的车辆中有75%的单车超重量在20 t以下，有96%单车超重量在60 t以下，21%车辆的单车超重量在20 t～60 t之间，所有超重车辆的平均单车超重量为17.8 t。

（2）该桥所有通行车辆的单轴轴重概率密度分布近似服从对数正态分布，轴重累积频率显示，有93%的单轴轴重在10 t以下，7%的单轴轴重超重。

（3）WIM数据的分析显示，该桥实际运营车辆的超载比例和超载比率都较高，可能缩短桥面铺装的疲劳寿命，甚至影响桥梁受力构件的安全性和耐久性，应该引起桥梁管理单位的高度重视，采取必要措施限制超载车辆的比例和比率。

图3 两轴货车荷载数据分析图

图4 单车道的超重车量比例分析曲线图

图5 正常工作周轴重概率密度分布分析曲线图

4 结论

大桥设计采用的交通荷载是基于假定的参数，WIM系统的基础数据，以及二次处理后的数据，能提供实际运营桥梁的不同车道的车辆通行总数及类别、车辆超载数量及比例、超载车的整体比率，以及交通载重变迁趋势等关键数据与信息，为大桥的运营策略管理与路面预养护提供详实的数据支持。作为健康监测系统的重要监测项目，WIM系统为获得车辆荷载作用下易损结构（尤其是正交异性钢桥面板）疲劳分析所需的轴重参数提供了准确和新的途径。通过开发疲劳荷载专项处理和疲劳分析模块可以满足结构疲劳使用寿命的快速分析，为结构安全和耐久的使用提供技术保障。

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

[2] 贺曙新.车辆动态称重技术的历史、现状与展望[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] 张磊,吴冲.钢桥面板疲劳载荷谱模拟的一种简化方法[A].青岛海湾大桥国际桥梁论坛论文集[C].2008:169-176.

[5] 吉青克,黄少文,左锋.上海长江大桥桥面沥青铺装的设计与施工[J].世界桥梁，2009，(S1):50-53.

[6] 杨光.钢桥面系抗疲劳设计关键问题研究[D].上海:同济大学，2008.