挑戰：

    通過(guò)起重機升降臂吊裝道路填料會(huì )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(shí)填料重量的方法。

    解決方案：

    通過(guò)將荷重元傳感器附在車(chē)載起重機懸掛鏟斗的承重索上，并與NI WLS-9237 Wi-Fi數據采集(DAQ)模塊連接，輕松讀取并記錄現場(chǎng)的載重數據，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(wèn)題是安全性。因此，采用WLS-9237無(wú)線(xiàn)數據采集模塊，采集荷重元傳感器所測量的施加到橋梁上路基的重量數據。無(wú)線(xiàn)系統在提供快速計算坍塌負載所需的測量精度的同時(shí)，消除了線(xiàn)纜可能導致的安全性問(wèn)題。”

    使用NI軟硬件開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)測量系統

    Ferguson結構工程實(shí)驗室擁有一套結構測試工具和各類(lèi)裝載設備,在結構特性領(lǐng)域能夠開(kāi)展廣泛研究。2009年實(shí)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(jìn)行了坍塌試驗,以研究其作為美國國家公路與運輸協(xié)會(huì )制定的臨界斷裂的分類(lèi)。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(guò)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(guān)察機理失效的順序，以及確定導致整體橋梁初始坍塌時(shí)所需的最大負載。根據雙箱形大梁結構橋梁的系統行為，需要進(jìn)行三輪測試，兩次動(dòng)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大梁的底部邊緣。如果此時(shí)橋梁處于臨界斷裂，則此斷裂將導致橋梁坍塌；然而，橋梁在第一輪測試后沒(méi)有明顯損壞。

    我們又進(jìn)行了一次動(dòng)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(guò)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(guò) 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(wèn)題是安全性。因此，我們采用NI WLS-9237無(wú)線(xiàn)數據采集模塊，采集荷重元傳感器測量的施加到橋梁上路基的重量數據。無(wú)線(xiàn)系統在提供快速計算坍塌負載所需的測量精度的同時(shí)，消除了線(xiàn)纜可能導致的安全性問(wèn)題。系統允許使用簡(jiǎn)單而安全的IEEE 802.11g協(xié)議，以無(wú)線(xiàn)方式與傳感器直接連接。

    我們使用LabVIEW 軟件來(lái)遠程監控負載信號。內置的信號調理和最高級別的商用網(wǎng)絡(luò )安全性使我們能夠將數據實(shí)時(shí)傳輸到約50 英尺 之外的遠程監控地點(diǎn)（圖2）。

    測試過(guò)程

    我們通過(guò)在橋面上放置箱式結構的混凝土梁來(lái)模擬車(chē)輛載重，并通過(guò)在橋上加載傾倒物來(lái)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(chē)載起重機懸掛鏟斗的承重索上。我們還做了一個(gè)木盒收納無(wú)線(xiàn)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(jiǎn)單的筆記本電池來(lái)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(shí)不會(huì )損壞荷重元傳感器或相關(guān)的設備。WLS-9237 Wi-Fi DAQ設備與荷重元傳感器連接，因此載重數據能夠被輕松讀取，并直接從現場(chǎng)記錄，而不會(huì )受到起重機運行的影響。

    橋梁數據采集系統

    除了安全地制定并執行全程測試，很重要的一點(diǎn)是在實(shí)驗過(guò)程中采集數據，用于未來(lái)對橋梁行為的分析。我們設計并實(shí)現了一種儀器使用方案來(lái)測量變形量及材料應力。我們將應力計與橋梁構件直接連接，以測量材料的變形。

    所有硬件來(lái)自美國國家儀器公司（NI），包括 244通道的DAQ設備（圖5）。兩臺NI SCXI-1001 12槽機箱內安裝了24塊 NI SCXI-1520 8通道通用應力模塊。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(xiàn)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(xiàn)端模塊與NI SCXI-1121隔離放大器連接。所有4個(gè)機箱都通過(guò)NI PCI-6250 DAQ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(guò)三天的填料添加，當橋梁總負載增加至大約360,000 磅時(shí)，中跨延伸段連接外部欄桿處的大部分混凝土開(kāi)始碎裂。當大量材料開(kāi)始滑落時(shí)，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(zhù)橋面負載超過(guò)了試驗過(guò)程的重量，橋梁構件產(chǎn)生了一系列坍塌。隨著(zhù)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(guò)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(guò)這些發(fā)現開(kāi)發(fā)強度模型來(lái)評估雙箱形大梁結構橋梁。

               

                                               圖1

                   

                                      圖2

                

                                           圖3

                           

                                              圖4

                    

                                                圖5

                     

                                        圖6