鐵路橋梁靜載試驗(yàn)自動(dòng)控制裝置的研制

孫金更

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 北京 100081)

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鐵路橋梁靜載試驗(yàn)自動(dòng)控制裝置的研制

孫金更

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 北京 100081)

靜載試驗(yàn)是鐵路預(yù)制梁在產(chǎn)品認(rèn)證、批量生產(chǎn)中的重要檢驗(yàn)手段，試驗(yàn)需多臺(tái)千斤頂同時(shí)加載運(yùn)行，需要的工作人員多、千斤頂同步加載精度控制困難。介紹一種集加載、檢測(cè)、記錄等功能為一體的自動(dòng)控制系統(tǒng)，并具備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)圖像實(shí)時(shí)上傳等功能；大量節(jié)省試驗(yàn)人員數(shù)量的同時(shí)，提高試驗(yàn)的精度，具有一鍵啟動(dòng)完成計(jì)算、加載試驗(yàn)、出具試驗(yàn)報(bào)告等功能，實(shí)現(xiàn)鐵路橋梁靜載試驗(yàn)的全過程自動(dòng)化、數(shù)據(jù)化和信息化，滿足橋梁質(zhì)量控制和鐵路建設(shè)信息化管理需求。

鐵路橋梁；預(yù)應(yīng)力混凝土梁；靜載試驗(yàn)；自控裝置

1 概述

截至2015年底，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)12.1萬km，高鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)1.9萬km。高速鐵路橋梁所占線路全長(zhǎng)比例在55%以上，隨著“十三五”高速鐵路建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，橋梁用量將大幅增加。以京滬高鐵為例，橋梁占線路全長(zhǎng)的80%以上，正線橋梁244座，總長(zhǎng)1 061 km。其中最常用的跨度32 m雙線整孔簡(jiǎn)支梁共計(jì)27 973孔，全線簡(jiǎn)支梁橋總長(zhǎng)達(dá)956 km，占橋梁總里程的90%以上[1-3]。高鐵采用“以橋代路”是為了保證線路的高平順性、高穩(wěn)定性、高精度、小殘變及少維修等特性，不僅避免了路基沉降周期、大大縮短建設(shè)工期，而且減少耕地的占用，節(jié)約了土地資源。高架立交保證了高速通行，以滿足高速鐵路運(yùn)營(yíng)密度大、運(yùn)行速度高、舒適度要求高的需要。

目前我國(guó)正加緊“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)建設(shè)，高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)使用年限為100年，橋梁質(zhì)量直接關(guān)系到鐵路運(yùn)營(yíng)安全。因此，橋梁技術(shù)是鐵路建設(shè)的核心，橋梁質(zhì)量是線路質(zhì)量安全的基本保障，其安全性及不易更換性至關(guān)重要，故我國(guó)鐵路橋梁生產(chǎn)實(shí)行國(guó)家生產(chǎn)許可證制度管理，而靜載試驗(yàn)是評(píng)定橋梁使用性能的唯一技術(shù)手段[4-6]。目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)還停留在加載、讀數(shù)、檢測(cè)、判定均為人工操控的落后狀態(tài)，存在因裝備技術(shù)落后導(dǎo)致的人為因素大、加載及判定偏差大、占用人數(shù)多等問題[7-8]。

因此，研制鐵路橋梁靜載試驗(yàn)自動(dòng)控制裝置，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)全過程自動(dòng)化、數(shù)據(jù)化和信息化，推進(jìn)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，對(duì)高鐵橋梁質(zhì)量監(jiān)控意義重大[9-11]。故納入中國(guó)鐵路總公司2015年重點(diǎn)科研課題。

2 總體方案設(shè)計(jì)

靜載試驗(yàn)自動(dòng)控制裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，分為主控、加載、校核、撓度測(cè)量、荷載測(cè)量、裂縫檢測(cè)、鐵路工程管理平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸、安全應(yīng)急及報(bào)警8個(gè)模塊。組成結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 總體組成結(jié)構(gòu)示意

2.1 主控模塊

主控模塊是依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡(jiǎn)支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》 (TB/T2092—2003)(以下簡(jiǎn)稱：《靜載試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主控模塊是自控裝置的核心，通過通訊接口與各模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，按照自動(dòng)生成的計(jì)算單及預(yù)設(shè)程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)流程控制、數(shù)據(jù)檢測(cè)及計(jì)算處理、結(jié)果合格判定、試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳及下載、安全應(yīng)急報(bào)警等功能。

主控模塊自動(dòng)遠(yuǎn)程下載或讀取系統(tǒng)預(yù)存的試驗(yàn)梁參數(shù)，并根據(jù)試驗(yàn)梁參數(shù)自動(dòng)計(jì)算生成《靜載試驗(yàn)計(jì)算單》；一鍵“開始”后，自動(dòng)完成靜載試驗(yàn)全過程。加載過程中，荷載、撓度、裂縫檢測(cè)及校核模塊將采集的檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到主控模塊；主控模塊按照預(yù)定算法進(jìn)行計(jì)算、分析、判斷和輸出顯示，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至本地?cái)?shù)據(jù)庫、上傳到遠(yuǎn)程鐵路工程管理平臺(tái)，試驗(yàn)完畢時(shí)自動(dòng)打印完整的試驗(yàn)報(bào)告。主控模塊結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 主控模塊結(jié)構(gòu)示意

2.2 加載模塊

加載模塊是為整個(gè)靜載試驗(yàn)提供加載力的機(jī)電一體化裝置，按照主控模塊發(fā)送的加載指令進(jìn)行自動(dòng)加載，為測(cè)量各加載等級(jí)下的撓度、裂縫、校核數(shù)據(jù)提供條件。確保加載的同步、平衡和準(zhǔn)確、穩(wěn)定，是靜載試驗(yàn)檢驗(yàn)的先決條件。

本裝置以電動(dòng)機(jī)械千斤頂代替了傳統(tǒng)的液壓千斤頂。由電動(dòng)機(jī)、減速器、機(jī)械千斤頂、底墊板、萬向壓帽組合為一體構(gòu)成加載機(jī)械部分；變頻器、加載程序構(gòu)成加載控制部分；加載控制部分安裝在主控機(jī)柜。機(jī)械部分、控制部分與荷載測(cè)量設(shè)備構(gòu)成一個(gè)完整的自動(dòng)加載閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

課題組最新研制的電動(dòng)機(jī)械千斤頂不但避免了液壓系統(tǒng)的高壓泄漏，而且解決了各試驗(yàn)等級(jí)靜停結(jié)束時(shí)，在靜止?fàn)顟B(tài)下的高荷載啟動(dòng)；課題組最新研制的荷載傳感器采用輪輻式壓力傳感器，具有荷載檢測(cè)與校核/監(jiān)控雙功能；電動(dòng)機(jī)械千斤與雙功能荷載傳感器組合為一體機(jī)，減小了其安裝高度，增大了抗傾覆性，并滿足既有試驗(yàn)臺(tái)反力架的設(shè)計(jì)安裝高度。

加載開始由加載程序發(fā)送控制指令給變頻器，變頻器輸出一定頻率的工作電壓給電動(dòng)機(jī)械千斤頂，電動(dòng)機(jī)械千斤頂開始加載；加載程序同時(shí)讀取所有測(cè)力傳感器的荷載值，并計(jì)算各傳感器荷載值與理論加載值之間的差值；根據(jù)差值發(fā)送不同參數(shù)的控制指令給變頻器，變頻器根據(jù)指令的不同調(diào)整輸出電壓頻率，進(jìn)而調(diào)整電動(dòng)機(jī)械千斤頂?shù)募虞d速度，保證加載過程的同步、平衡。加載模塊工作原理見圖3。

圖3 加載模塊結(jié)構(gòu)原理示意

2.3 荷載檢測(cè)模塊

荷載檢測(cè)模塊由數(shù)字式測(cè)力傳感器、數(shù)字儀表、RS485串口集線器組成。壓力傳感器位于加載模塊機(jī)械部分底部。因輪輻式剪力傳感器的外加荷載作用在輪轂的頂部和輪緣的底部，在輪緣和輪轂的輪輻上受到純剪切力，故具有線性好、對(duì)力作用點(diǎn)不敏感、抗側(cè)向和過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。壓力傳感器的精度應(yīng)不低于C級(jí)，顯示儀表最小分度值不大于加載最大量值的1%，示值誤差應(yīng)為±0.5%F.S。電動(dòng)機(jī)械千斤頂與輪輻式雙功能傳感器組合體如圖4所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)械千斤頂及輪輻式傳感器

在加載過程中，荷載檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)采集、處理、顯示壓力傳感器的實(shí)時(shí)荷載檢測(cè)值并發(fā)送給加載模塊和主控模塊。加載模塊以接收到的實(shí)時(shí)荷載值作為調(diào)整加載速度、加載量的計(jì)算參考數(shù)據(jù)；判斷加載模塊提供的實(shí)際加載值與《靜載試驗(yàn)計(jì)算單》所計(jì)算的理論加載值之間的誤差是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，保證各加載點(diǎn)對(duì)跨中產(chǎn)生的總彎矩值與理論計(jì)算彎矩值之差小于等于1%；主控模塊將實(shí)時(shí)加載值及對(duì)應(yīng)誤差值輸出到顯示屏顯示。

圖6 荷載校核結(jié)構(gòu)原理示意

2.4 撓度測(cè)量模塊

位移測(cè)量設(shè)備由光柵位移計(jì)+數(shù)字顯示表組成。其測(cè)量分辨率可達(dá)到0.005 mm，具有實(shí)時(shí)性、直觀性，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、數(shù)據(jù)化，不但節(jié)省了人工，且減少了視讀誤差及計(jì)算量。

撓度測(cè)量是采用光柵位移計(jì)對(duì)試驗(yàn)梁的跨中的豎向位移值和兩端支座的沉降值進(jìn)行測(cè)量。按《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡(jiǎn)支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(TB/T2092—2003)要求，共計(jì)6個(gè)光柵位移計(jì)，分別安裝在跨中(量程50 mm的2個(gè))及兩支座處(量程10 mm的4個(gè))。并將實(shí)時(shí)測(cè)得的豎向位移值和支座沉降值傳輸?shù)綌?shù)值顯示表及工控機(jī)的主界面上顯示。在每一級(jí)加載結(jié)束時(shí)自動(dòng)計(jì)算出各加載級(jí)的撓度值及撓跨比，并自動(dòng)作出靜活載下的撓跨比合格判定。并自動(dòng)繪制彎矩-撓度曲線圖，實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上。如圖5所示。

圖5 撓度測(cè)量模塊選用光柵位移計(jì)

2.5 校核模塊

本校核模塊分荷載校核和撓度校核兩部分。

2.5.1 荷載校核

為防止最大試驗(yàn)荷載超載，確保加載的安全性，以及加載數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，配置一套與荷載檢測(cè)模塊相獨(dú)立的、可靠的荷載校核模塊，對(duì)試驗(yàn)荷載進(jìn)行偏離校核和監(jiān)測(cè)。校核模塊檢測(cè)值與相應(yīng)加載等級(jí)理論荷載值進(jìn)行比較，判斷荷載檢測(cè)模塊工作狀態(tài)是否正常、實(shí)際加載值是否在1%的誤差范圍內(nèi)。如若超差，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。

本裝置所研發(fā)的雙功能輪輻式傳感器是在同一彈性體的多個(gè)輪輻上，安裝2組交錯(cuò)分布的、具有獨(dú)立輸出的應(yīng)變片，形成一個(gè)傳感器有2套完全獨(dú)立的壓力檢測(cè)系統(tǒng)，一組作為荷載檢測(cè)模塊，另一組作為荷載校核模塊(圖6)。雙功能輪輻式傳感器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、校核一體化集成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠。

2.5.2 撓度校核

為了防止光柵位移計(jì)失準(zhǔn)或偏離，需配置一套可靠的、獨(dú)立的位移檢測(cè)儀表，以對(duì)光柵位移計(jì)的撓度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行偏離校核。位移檢測(cè)儀表采用機(jī)械百分表。其型號(hào)規(guī)格、數(shù)量、安裝位置見圖7，并應(yīng)符合《靜載試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》。

圖7 光柵位移計(jì)及百分表安裝示意

2.6 裂縫檢測(cè)模塊

橋梁靜載試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)橋梁的使用性能，即抗裂性。裂縫自動(dòng)檢測(cè)儀由以下三大系統(tǒng)組成：行走系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、裂縫分析系統(tǒng)。程控自動(dòng)巡航式行走系統(tǒng)背負(fù)著高清相機(jī)組成的圖像采集系統(tǒng)，對(duì)所采集的“裂紋”圖像由裂縫分析系統(tǒng)進(jìn)行分析比較、去偽存真、甄別判斷，并作出開裂判定[12-15]。

裂縫檢測(cè)分為圖像法與振弦法兩種。受篇幅所限，本文僅介紹圖像裂縫檢測(cè)法。

2.6.1 行走系統(tǒng)

走行機(jī)構(gòu)主要用于承載圖像數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)梁體底板和下翼緣底角的重要區(qū)域進(jìn)行圖像采集。檢測(cè)范圍：梁體跨中左右各2 m底面和下翼緣底角處向上15 cm的弧面。

走行機(jī)構(gòu)通過4個(gè)負(fù)壓吸盤吸附在梁體底板平面上，如圖8紅框處所示。走行架由縱、橫向2組軌道組成，2根縱向軌道與負(fù)壓吸盤聯(lián)結(jié)，2根橫向軌道相互平行聯(lián)成一體，共同安裝在縱向軌道之上，同步行進(jìn)。詳見圖9。

圖8 負(fù)壓吸附裝置將走行機(jī)構(gòu)吸附到底板上

應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成指定的檢測(cè)范圍。故當(dāng)導(dǎo)軌上的步進(jìn)小車行走速度較快時(shí)，其抖動(dòng)幅度也相對(duì)較大，將導(dǎo)致相機(jī)采集到的圖像模糊。因此，試驗(yàn)摸索行走速度與圖像清晰度的最佳契合點(diǎn)，保持走行裝置在快速行走時(shí)的穩(wěn)定性，對(duì)圖像清晰度至關(guān)重要。

走行機(jī)構(gòu)單元共搭載2套圖像數(shù)據(jù)采集裝置，安裝位置如圖9所示。軟件控制單元將控制走行小車以“弓形”走遍梁底檢測(cè)區(qū)域，通過對(duì)步進(jìn)脈沖計(jì)數(shù)，及時(shí)向圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集。

圖9 圖像數(shù)據(jù)采集單元的安裝位置(單位：m)

2.6.2 圖像采集系統(tǒng)

圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為高清低畸變面陣相機(jī)組成的集成設(shè)備。每一設(shè)備由2個(gè)千兆網(wǎng)工業(yè)相機(jī)、2套機(jī)器視覺LED光源、2個(gè)工業(yè)鏡頭、光源亮度調(diào)節(jié)裝置及自動(dòng)調(diào)焦裝置組成。如圖10所示。

圖10 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)的調(diào)試主要包括：

(1)調(diào)整光源亮度，使所測(cè)物體表面光強(qiáng)度適中；

(2)調(diào)整工業(yè)鏡頭的光圈、軟件控制單元控制焦距自動(dòng)調(diào)整，以使圖像呈最佳清晰度；

(3)相機(jī)的曝光時(shí)間調(diào)整適度，防止圖像采集過程中的圖像拖影造成的圖像模糊。

圖像采集系統(tǒng)在特制的機(jī)械走行機(jī)構(gòu)上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)規(guī)定的檢測(cè)范圍及部位進(jìn)行掃描，單次采集用時(shí)小于每級(jí)持荷時(shí)間5 min。1.20級(jí)持荷20 min內(nèi)掃描4次。實(shí)現(xiàn)圖像采集面積全覆蓋，嚴(yán)格控制漏檢率。

在試驗(yàn)開始前，首先由圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)區(qū)域掃描、檢測(cè)一次，并自動(dòng)記錄梁底板的初始裂縫的坐標(biāo)。試驗(yàn)過程中，圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)梁體檢測(cè)區(qū)域再次進(jìn)行掃描，并將所掃描的圖像實(shí)時(shí)傳輸至圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，檢測(cè)并提取裂縫坐標(biāo)。每5 min持荷時(shí)間內(nèi)可完成1次圖像數(shù)據(jù)的采集、處理、甄別和判定。

2.6.3 裂縫分析系統(tǒng)

裂縫分析系統(tǒng)主要完成圖像裂縫分析、甄別和判定。其中裂縫甄別包括：

(1)排除已檢測(cè)到并未變化的初始裂紋；

(2)裂縫走向超過截面45°角；

(3)成片的麻面等缺陷；

(4)短而粗的裂縫。

據(jù)此，對(duì)圖像采集到的裂縫進(jìn)行去偽存真，剔除非受力裂縫，嚴(yán)格控制裂縫自動(dòng)檢測(cè)儀自身的誤判率。

在每個(gè)識(shí)別周期內(nèi)總共需要處理2 000張左右的高清圖片，因而圖像分析處理系統(tǒng)的特點(diǎn)在于其處理性能高、支持多機(jī)并聯(lián)處理，方便擴(kuò)展。裂縫檢測(cè)算法是圖像處理單元的核心，采用基于方向二值化的裂縫檢測(cè)算法對(duì)采集圖像進(jìn)行判別。首先對(duì)圖像中的高頻成分進(jìn)行提取，利用各點(diǎn)方向上像素動(dòng)態(tài)選取二值化閾值進(jìn)行圖像分割，最終通過啟發(fā)式算法進(jìn)行裂縫篩選。

圖像分析系統(tǒng)將檢測(cè)到且經(jīng)分析甄別的裂縫通過軟件控制單元進(jìn)行自動(dòng)定位，經(jīng)技術(shù)主管人員對(duì)該處裂縫進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)(含卸載閉合)無誤后作出最終開裂判定，然后上傳該裂縫所在位置及裂縫圖像信息，并出具裂縫檢測(cè)報(bào)告。

2.7 鐵路工程管理平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸模塊

按中國(guó)鐵路總公司要求，鐵路工程管理平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸模塊具備信息上傳、瀏覽和下載功能，通過與鐵路工程管理平臺(tái)(下簡(jiǎn)稱平臺(tái))網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)橋梁靜載試驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)化管理及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，確保試驗(yàn)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠和試驗(yàn)過程的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.7.1 傳輸通道

傳輸模塊配置無線網(wǎng)卡，通過Internet連接在互聯(lián)網(wǎng)中有固定IP的平臺(tái)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)靜載試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、試驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)視頻的數(shù)據(jù)交互，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)圖像自動(dòng)實(shí)時(shí)傳輸。如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷導(dǎo)致某階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)未能上傳，則在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)通暢后，工控機(jī)將本地?cái)?shù)據(jù)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行對(duì)比，并把未能上傳的數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)完整。

2.7.2 數(shù)據(jù)下載、瀏覽和上傳

通過數(shù)據(jù)下載、上傳接口，實(shí)現(xiàn)靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)下載、瀏覽和上傳。實(shí)時(shí)上傳各級(jí)加載荷載參數(shù)、彎矩參數(shù)、撓跨比、應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖信息，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性。業(yè)主及工程管理相關(guān)部門通過平臺(tái)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)瀏覽試驗(yàn)進(jìn)程、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)視頻。梁場(chǎng)信息、試驗(yàn)梁信息、歷史靜載試驗(yàn)計(jì)算單、靜載試驗(yàn)報(bào)告等可在平臺(tái)下載獲得。

2.7.3 視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控

現(xiàn)場(chǎng)配置2路網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，分別對(duì)梁頂(加載千斤頂安裝位置)和梁底(撓度測(cè)量設(shè)備安裝位置)進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在局域網(wǎng)經(jīng)域名映射變?yōu)楣W(wǎng)地址，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)狡脚_(tái)數(shù)據(jù)中心，工程建設(shè)管理部門、工程甲方、監(jiān)理等終端用戶通過平臺(tái)訪問攝像機(jī)并可控制其轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

2.8 安全應(yīng)急及報(bào)警模塊

2.8.1 安全防護(hù)采取的5種技術(shù)措施

(1)增設(shè)UPS不間斷電源防止靜載試驗(yàn)過程中斷電、加載異常等突發(fā)情況；

(2)主控機(jī)柜上設(shè)置急停按鈕，作為故障應(yīng)急處理；

(3)設(shè)置“設(shè)備自診斷”可在靜載試驗(yàn)前，檢查設(shè)備有無異常；

(4)設(shè)置“暫停”、“卸載”、“手動(dòng)調(diào)整”按鈕，通過主控程序軟件控制加載、異常處理及故障排除；

(5)在網(wǎng)絡(luò)安全方面設(shè)置了病毒查殺及黑客侵入的防范措施。

2.8.2 報(bào)警分類

(1)設(shè)備儀器報(bào)警：加載千斤頂及測(cè)力傳感器、撓度測(cè)量?jī)x、裂縫檢測(cè)儀、控制程序等出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警；

(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)警：出現(xiàn)試驗(yàn)荷載偏差超限，撓跨比、梁體開裂等試驗(yàn)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。

對(duì)兩類情況分別采用不同的報(bào)警信號(hào)進(jìn)行區(qū)別。且不同的設(shè)備故障采用不同的報(bào)警方式。報(bào)警信號(hào)分為顯示屏數(shù)據(jù)閃爍，聲音報(bào)警和聲光報(bào)警。報(bào)警情況見表1。

表1 報(bào)警方式區(qū)別

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)分為試驗(yàn)室模擬驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體梁驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)是對(duì)科研設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證的基本技術(shù)手段。試驗(yàn)應(yīng)在測(cè)力傳感器及光柵位移計(jì)示值誤差滿足精度條件下進(jìn)行。

3.1.1 加載模塊測(cè)試

(1)加載力測(cè)試

為確保荷載測(cè)量的準(zhǔn)確性，將被測(cè)千斤頂和測(cè)力傳感器置于千斤頂試驗(yàn)架上進(jìn)行單獨(dú)加載。疲勞測(cè)試共進(jìn)行了210次往復(fù)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：電動(dòng)機(jī)械千斤頂具備不同行程的2 000 kN最大加載能力，具備1 200、1 400、1 600 kN及對(duì)應(yīng)20、40、60 min自鎖持荷能力，滿足鐵路橋梁靜載試驗(yàn)最大加載及持荷需要。疲勞試驗(yàn)結(jié)束后解體檢測(cè)，千斤頂各部件基本完好，滿足耐用需要。經(jīng)過修改完善變速器速比及調(diào)試變頻器的反復(fù)測(cè)試試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在1.0級(jí)及以上持荷結(jié)束后，在靜止?fàn)顟B(tài)下的電機(jī)高負(fù)荷啟動(dòng)。

(2)加載速度測(cè)試

在仿真試驗(yàn)架(圖11)上進(jìn)行單個(gè)及10個(gè)千斤頂加載測(cè)試，手動(dòng)控制變頻器逐級(jí)加載，記錄荷載值，加載時(shí)間和千斤頂行程。

在電源頻率50 Hz條件下，隨著荷載值的增加，加載速度逐漸增大，當(dāng)荷載值超過1 100 kN，加載速度又有下降的趨勢(shì)。因?yàn)轭l率不變，千斤頂?shù)妮斎朕D(zhuǎn)矩不變，而隨著荷載值的增加，造成千斤頂實(shí)際需要扭矩的不足，造成加載速度下降。因?yàn)榉抡嬖囼?yàn)架為彈性結(jié)構(gòu)，所以加載速度和荷載、行程之間滿足線性關(guān)系。

圖11 加載速度、加載值、行程與電源頻率研究仿真試驗(yàn)架

(3)多頂同步加載測(cè)試

模擬加載試驗(yàn)按照TB/T2092標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行第二循環(huán)加載，試驗(yàn)研究不同等級(jí)加載下的荷載值偏差、同步加載過程數(shù)據(jù)及持荷數(shù)據(jù)偏差。測(cè)試表明，10個(gè)頂同步加載過程同步偏差小于10 kN，各級(jí)荷載值及持荷偏差率小于±1%，且加載速度不大于3 kN/s，滿足預(yù)期目標(biāo)。

3.1.2 圖像檢測(cè)模塊

走行機(jī)構(gòu)兩側(cè)采用平行于翼圓角處的弧面導(dǎo)軌，保證采集平面與梁底面始終保持平行，且其距離控制在相機(jī)的景深范圍之內(nèi)。通過控制步進(jìn)電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)，采集多幅模型中梁底與翼圓角處的條紋圖像。采集到的底面和底角圓弧處的條紋放大圖像如圖12所示。在圖12中，左圖為靠近底面的條紋像素寬度，右圖為翼圓角處的條紋像素寬度。觀察發(fā)現(xiàn)所有采集梁底部、底角圓弧處的圖像清晰度符合要求，表明走行機(jī)構(gòu)單元搭載圖像采集單元在檢測(cè)區(qū)域能夠保證采集圖像的一致性。

圖12 底面與倒角處采集的條紋圖像

通過多次到梁場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)采集圖像，來編制圖像分析處理程序，裂縫檢測(cè)裝置能夠在5 min內(nèi)完成檢測(cè)范圍(跨中左右各2 m的底板及底角圓弧處)內(nèi)裂縫檢測(cè)，識(shí)別的最小裂縫寬度為0.02 mm；裂縫檢測(cè)裝置報(bào)警率在1.3%～5.2%區(qū)間內(nèi)；多次檢測(cè)的一致性較高，能夠滿足裂縫檢測(cè)需求。

3.1.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試

采用仿真試驗(yàn)架模擬試驗(yàn)梁體和反力架，測(cè)力傳感器與機(jī)械千斤頂栓結(jié)后安置于仿真試驗(yàn)架上。仿真試驗(yàn)表明，電動(dòng)機(jī)械千斤頂?shù)募虞d性能可滿足靜載試驗(yàn)在加載行程和荷載范圍等方面的需求，自控裝置能夠?qū)崿F(xiàn)全過程的自動(dòng)加載控制與剛度(撓跨比)、抗裂性(裂縫)檢測(cè)，具備到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行橋梁靜載試驗(yàn)的能力。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)樣品梁隨機(jī)抽選，試驗(yàn)嚴(yán)格按照TB/T2092—2003標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用跨度31.5 m箱梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。加載設(shè)備的布置與安裝、光柵位移計(jì)與機(jī)械百分表的布置與安裝如圖7、圖13所示。現(xiàn)場(chǎng)走行機(jī)構(gòu)單元導(dǎo)軌的安裝如圖9所示。

圖13 靜載試驗(yàn)加載和光柵測(cè)量位置示意(單位：m)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開機(jī)后主控程序進(jìn)行運(yùn)行環(huán)境和程序自行開機(jī)自診斷，錄入梁號(hào)、設(shè)計(jì)圖號(hào)、終張拉日期、靜載試驗(yàn)日期，終張拉強(qiáng)度、彈模，28 d強(qiáng)度、彈模，讀取預(yù)存的橋梁靜載試驗(yàn)15個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，自動(dòng)生成靜載試驗(yàn)計(jì)算單，根據(jù)靜載試驗(yàn)計(jì)算單的各級(jí)荷載值實(shí)現(xiàn)了一鍵完成 “全自動(dòng)”全過程靜載試驗(yàn)，并自動(dòng)出具靜載試驗(yàn)報(bào)告(含裂縫圖像)。

按照TB/T2092標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行兩個(gè)循環(huán)加載試驗(yàn)，對(duì)主控、加載、荷載、撓度、圖像識(shí)別裂縫檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗M(jìn)行了系統(tǒng)性測(cè)試。

加載控制按計(jì)算單計(jì)算的荷載值進(jìn)行加載，并實(shí)現(xiàn)了荷載偏差率小于 1 %和加載同步偏差小于10 kN的目標(biāo)；并且加載過程中，10套千斤頂?shù)募虞d速度范圍為0.5～1.2 kN/s，均不超過3 kN/s，滿足加載速度的要求。

逐級(jí)對(duì)比3項(xiàng)撓度值測(cè)量記錄：在各級(jí)加載的記錄數(shù)據(jù)中，主控程序自動(dòng)記錄的光柵位移計(jì)的位移數(shù)據(jù)、人工記錄的光柵位移計(jì)二次儀表顯示值、人工記錄校核用百分表讀數(shù)測(cè)量值三者基本一致；實(shí)測(cè)撓跨比與計(jì)算值基本一致； 撓跨比自動(dòng)判定與人工記錄、計(jì)算、判定結(jié)果一致。驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)靜活載級(jí)撓跨比匯總見表2。

表2 主控程序和人工記錄數(shù)據(jù)計(jì)算的撓跨比驗(yàn)證比較

裂縫識(shí)別模塊能夠與走行裝置在程序統(tǒng)控下配合完成掃描任務(wù)，行走速度能滿足在限定時(shí)間內(nèi)掃描完檢測(cè)范圍要求；所采集圖像清晰度滿足識(shí)別要求；裂縫識(shí)別模塊最高識(shí)別出寬度為0.02 mm的裂縫；裂縫定位模塊能夠準(zhǔn)確和快速的定位裂縫坐標(biāo)位置；裂縫識(shí)別為實(shí)時(shí)識(shí)別，單次檢測(cè)區(qū)域的掃描和識(shí)別裂縫用時(shí)為5 min。現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)開裂裂縫，圖14為編號(hào)Grade0-Cam2-187的裂縫自動(dòng)檢測(cè)儀初始裂縫檢測(cè)圖像及試驗(yàn)觀察圖像。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明圖像識(shí)別算法準(zhǔn)確有效。單幅圖像的處理時(shí)間約為300 ms，圖像處理的速度大于圖像采集的速度，可以滿足裂縫識(shí)別與圖像采集結(jié)果同步輸出的要求。對(duì)于裂縫的定位，可以做到快速準(zhǔn)確，定位誤差不超過5 mm。

圖14 梁底、裂縫觀測(cè)寬度、裂縫識(shí)別效果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了手動(dòng)操作加載及功能有效；驗(yàn)證了試驗(yàn)樣機(jī)具有安全應(yīng)急(急停)和自動(dòng)報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)安全等功能；各級(jí)加載、持荷語音播報(bào)功能；試驗(yàn)對(duì)鐵路工程管理平臺(tái)接口的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)圖像實(shí)時(shí)上傳到鐵路工程管理平臺(tái)系統(tǒng)的功能，以及各工程管理方可在遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 結(jié)論

試驗(yàn)驗(yàn)證表明，本鐵路橋梁靜載試驗(yàn)自動(dòng)控制裝置實(shí)現(xiàn)了鐵路橋梁靜載試驗(yàn)的自動(dòng)化和信息化，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求和鐵路建設(shè)信息化管理要求，主要特點(diǎn)如下。

(1)電動(dòng)機(jī)械千斤頂智能加載、雙功能輪輻式傳感器荷載檢測(cè)與校核一體化。

(2)實(shí)現(xiàn)了橋梁靜載試驗(yàn)的自動(dòng)化和信息化，可節(jié)省大量人力、物力，有效消除試驗(yàn)過程中人為干擾因素，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

(3)適用各類預(yù)制梁、現(xiàn)澆梁，滿足不同跨度梁試驗(yàn)要求。

(4)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用，安全可靠。

(5)滿足平臺(tái)接口要求。

5 有待于進(jìn)一步深入研究與完善的問題

現(xiàn)有裂縫自動(dòng)檢測(cè)儀的走行裝置，安裝要求高且不便于攜帶。隨著無人機(jī)、爬壁機(jī)器人等高性能機(jī)器人日新月異的開發(fā)、推廣，將引導(dǎo)本走行裝置進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，向科學(xué)先進(jìn)、簡(jiǎn)便實(shí)用發(fā)展，使其能夠更好地適應(yīng)既有預(yù)制梁、現(xiàn)澆梁等的裂縫檢測(cè)。

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The Development of Automatic Control Device for Railway Bridge Static Test

SUN Jin-geng

(Quality Supervision and Inspection Center for Railway Products， Standard and Metrology Research Institute， China Academy of Railway Science， Beijing 100081， China)

The static test is an essential test method for railway prestressed concrete beam in product certification and mass production. The test requires multiple jacks to load simultaneously and more staff， and it is difficult to maintain accurate synchronized jack loading. This paper introduces an automatic control system with integrated loading， detecting and recording， and fulfills real-time remote monitoring， test data and site images uploading and other functions. It requires less test personnel， improves test accuracy， and completes calculation， load test and test reporting simply by one-button start. As a result， whole process automation， digitization and informatization in railway bridge static test are realized and the requirements for bridge quality control and railway construction informatization management are satisfied．

Railway bridge; Prestressed concrete beam; Static test; Automatic control device

2016-10-10；

2016-10-19

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(2015D001-A)

孫金更(1956—)，男，高級(jí)工程師，工程碩士，碩士生導(dǎo)師，E-mail：sunjingeng@163.com。

1004-2954(2016)12-0054-07

U446.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.013