將無線數(shù)據(jù)采集用于橋梁坍塌測試

挑戰(zhàn)：
通過起重機升降臂吊裝道路填料會使到斷裂臨界點的橋梁坍塌，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懸掛鏟斗的承重索上，并與NI WLS-9237 Wi-Fi數(shù)據(jù)采集(DAQ)模塊連接，輕松讀取并記錄現(xiàn)場的載重數(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)在提供快速計算坍塌負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)工程實驗室擁有一套結(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年實驗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行了坍塌試驗,以研究其作為美國國家公路與運輸協(xié)會制定的臨界斷裂的分類。在進行了三輪測試后,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倍于最大理論負載的重量。
該測試的目的是觀察機理失效的順序，以及確定導(dǎo)致整體橋梁初始坍塌時所需的最大負載。根據(jù)雙箱形大梁結(jié)構(gòu)橋梁的系統(tǒng)行為，需要進行三輪測試，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NI WLS-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)在提供快速計算坍塌負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IEEE 802.11g協(xié)議，以無線方式與傳感器直接連接。
我們使用LabVIEW 軟件來遠程監(jiān)控負載信號。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)實時傳輸?shù)郊s50 英尺 之外的遠程監(jiān)控地點（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。
為了快速安全地進行測量，我們將荷重元傳感器附在車載起重機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-9237 Wi-Fi DAQ設(shè)備與荷重元傳感器連接，因此載重數(shù)據(jù)能夠被輕松讀取，并直接從現(xiàn)場記錄，而不會受到起重機運行的影響。
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，很重要的一點是在實驗過程中采集數(shù)據(jù)，用于未來對橋梁行為的分析。我們設(shè)計并實現(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NI SCXI-1001 12槽機箱內(nèi)安裝了24塊 NI SCXI-1520 8通道通用應(yīng)力模塊。我們還使用了兩臺NI SCXI-1000 4槽機箱，其中插入了5塊NI SCXI-1520 8通道通用應(yīng)力模塊和3塊NI SCXI-1121 4通道隔離放大器。NI SCXI-1314 8通道接線端模塊與所有29塊NI SCXI-1520模塊連接，3塊NI SCXI-1321 4通道接線端模塊與NI SCXI-1121隔離放大器連接。所有4個機箱都通過NI PCI-6250 DAQ板與PC連接，我們使用LabVIEW對其進行配置。
測試至坍塌
經(jīng)過三天的填料添加，當橋梁總負載增加至大約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）。隨著橋面負載超過了試驗過程的重量，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。隨后，我們將通過這些發(fā)現(xiàn)開發(fā)強度模型來評估雙箱形大梁結(jié)構(gòu)橋梁。

本文已刊登于《電子測試》2010年6月刊