現(xiàn)有規(guī)范的車輛荷載一般適用于新橋設(shè)計(jì)，對(duì)于精度要求較高的既有橋梁承載力評(píng)估和疲勞損傷評(píng)估，需在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，建立實(shí)際運(yùn)行車輛荷載模型。實(shí)際車輛荷載的大小和交通量、車重、車流密度、車輛空間分布等參數(shù)有關(guān)，需要通過先進(jìn)的儀器設(shè)備獲得高速行駛車輛的重量、速度等參數(shù)，于是近年來車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，在公路養(yǎng)護(hù)行業(yè)得到越來越多的應(yīng)用。
既有文獻(xiàn)多集中于對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)實(shí)測(cè)車輛數(shù)據(jù)的分析研究，而忽略了對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)本身工作原理、安裝過程的深入探討，不利于保證動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，因此本文以江蘇沿江高速公路錫澄運(yùn)河大橋?yàn)楣こ瘫尘?，介紹車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的工作原理、安裝過程及養(yǎng)護(hù)應(yīng)用。
１．動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)簡(jiǎn)介
1.1系統(tǒng)組成
車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要部件有軸重軸速儀、視頻攝像機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器等。
1.2軸重軸速儀
軸重軸速儀是動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的主要組成部分。軸重軸速儀還可以細(xì)分為控制主機(jī)、稱重傳感器、地感線圈車檢器及溫度傳感器等組成部分。
控制主機(jī)與道路上的稱重、溫度、地感線圈等傳感器連接并獲取軸重、軸數(shù)、軸間距等23個(gè)參數(shù)。軸重軸速儀常用的稱重傳感器類型有彎板式、壓電石英式和壓電薄膜式3種。相比較而言，壓電薄膜式傳感器具有路面破壞程度小、測(cè)速及測(cè)重誤差小、靈敏度高、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
1.3數(shù)據(jù)服務(wù)器
稱重系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，軸重軸速儀將采集的車輛數(shù)據(jù)首先實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在現(xiàn)場(chǎng)的控制主機(jī)中，然后傳輸至具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理和挖掘分析功能的數(shù)據(jù)服務(wù)器上。該數(shù)據(jù)服務(wù)器可以采用實(shí)體服務(wù)器搭建，也可以選擇云服務(wù)器。數(shù)據(jù)服務(wù)器主要用于實(shí)現(xiàn)：①接收存儲(chǔ)軸重軸速儀檢測(cè)到的車輛總重、軸重、軸數(shù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并展示出來；②將軸重軸速儀時(shí)間與服務(wù)器時(shí)間同步，將視頻的時(shí)間與軸重儀的時(shí)間同步；③交通流量視頻的記錄及保存。
2.動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)工作原理
動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是度量車軸重量，是通過埋設(shè)在路面中的稱重傳感器實(shí)現(xiàn)的。稱重傳感器能夠?qū)⒆饔闷渖系能囕v輪軸壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過電壓信號(hào)分析可以計(jì)算車軸作用時(shí)間，通過電壓的大小計(jì)算出相應(yīng)車軸重量。稱重系統(tǒng)常在同一車道間隔一定距離布設(shè)兩根稱重傳感器來得到軸重和軸速。具體工作原理為：同一車道2條稱重傳感器相距L，同一車軸經(jīng)過2條傳感器的時(shí)間分別為t1、t2，兩個(gè)傳感器分別測(cè)得的軸重量為w1、w2，則可根據(jù)式（1）、式（2）分別計(jì)算得出軸重和軸速。
除了度量車軸重量，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)還有一項(xiàng)較為關(guān)鍵的技術(shù)是區(qū)分跟隨車輛。當(dāng)車輛通過地感線圈感應(yīng)區(qū)域時(shí)，地感應(yīng)線圈的感應(yīng)值發(fā)生改變，引起控制主機(jī)內(nèi)部感應(yīng)探測(cè)器振動(dòng)頻率的變化，主機(jī)通過頻率變化判定是否有車輛通過地感線圈。通過金屬底盤激活地感應(yīng)線圈的時(shí)間結(jié)合車速即可計(jì)算得出車輛底盤長(zhǎng)度。感應(yīng)信號(hào)也用來區(qū)別前車及后車。
3.錫澄運(yùn)河大橋動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)安裝
3.1系統(tǒng)安裝流程
根據(jù)需求確定錫澄運(yùn)河大橋動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)建設(shè)規(guī)格為雙向6車道。然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況綜合考慮路面完好狀況、路面縱坡及供電設(shè)施等因素，做好系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的選址工作。確定安裝地點(diǎn)后制定系統(tǒng)傳感器布置方案。單方向3車道約需要兩天時(shí)間完成路面?zhèn)鞲衅靼惭b工作。第1天完成車道的切槽和清理，第2天完成槽體的清洗和傳感器安裝。
3.2系統(tǒng)安裝對(duì)既有路面的影響
系統(tǒng)安裝對(duì)道路狀況、行車舒適性以及行車安全等的影響是道路管養(yǎng)單位需要關(guān)注的重點(diǎn)。其實(shí)，采用壓電薄膜傳感器的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)與高速公路收費(fèi)站常見的靜態(tài)稱重系統(tǒng)存在很大差異。動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)在安裝傳感器時(shí)雖然也需要在路面切槽，但尺寸較小。傳感器槽寬2cm、深2cm，感應(yīng)線圈槽深4cm，寬僅0.5cm，且傳感器埋設(shè)后會(huì)采用瀝青混凝土路面專用的灌注膠對(duì)槽口進(jìn)行封閉填充，該膠具有很好的粘結(jié)性能和力學(xué)強(qiáng)度，對(duì)路面平整度和力學(xué)性能幾乎沒有影響。因此，系統(tǒng)安裝對(duì)既有路面以及行車安全的影響基本可以忽略。
3.3系統(tǒng)檢查與維護(hù)
系統(tǒng)使用期間的運(yùn)維工作影響其長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，因此需要通過外觀檢查來判斷系統(tǒng)技術(shù)狀況。常見的檢查與維護(hù)內(nèi)容有填縫膠、路面、采集機(jī)箱、電線束、地感線圈、稱重傳感等。
4.動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)應(yīng)用
錫澄運(yùn)河大橋動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)位于江蘇沿江高速公路江陰段，系統(tǒng)位于西側(cè)橋頭附近，交通量較大。系統(tǒng)運(yùn)行至今采集了大量車輛數(shù)據(jù)，通過對(duì)交通量、車輛荷載、超載情況等指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析，為道路橋梁管養(yǎng)等工作發(fā)揮了重要的作用。
4.1交通量統(tǒng)計(jì)分析
系統(tǒng)累計(jì)正常運(yùn)行天數(shù)為300天，數(shù)據(jù)總量約1025萬輛，日均交通量約3.4萬輛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，錫澄運(yùn)河大橋的日均車輛數(shù)大體呈現(xiàn)下行略多于上行，且全年車流量起伏不大，2月份上行車流量較大，總體較為平穩(wěn)，無明顯增大趨勢(shì)。
4.2車型統(tǒng)計(jì)分析
在車型分布方面，車輛以二軸車和六軸車為主，各約占70%和15%，其他車型所占的比例約15%。根據(jù)2016年1—12月六軸車在總車流量中所占比例的變化趨勢(shì)，全年六軸車所占比例有明顯增大趨勢(shì)。
4.3超載情況統(tǒng)計(jì)分析
依據(jù)《整治公路貨車違法超限超載行為專項(xiàng)行動(dòng)方案》（公交路發(fā)[2016]124號(hào)）的要求進(jìn)行超載情況的統(tǒng)計(jì)分析。為了量化實(shí)際車流的超重程度，引入超載率和超載比例兩個(gè)指標(biāo)，計(jì)算公式是：
各車型中六軸車的超載比例最大，上行超載比例接近11%，下行接近15%，其他車型超載比例均較小。橋梁下行的超載比例大于上行，但兩個(gè)方向車輛的超載率相差不大。
4.4車輛荷載統(tǒng)計(jì)分析
車輛荷載的統(tǒng)計(jì)分析主要是統(tǒng)計(jì)分析了車輛總重在各區(qū)間的分布情況，結(jié)果表明：①車輛總重的概率密度分布主要呈現(xiàn)三峰分布特征，即在2t、15t、35t附近分布的車輛較多；②上下行車重分布存在明顯差異，上行在50~70t范圍內(nèi)的重車比例大于下行；③各車道車重分布同樣存在明顯差異，行車道內(nèi)車輛的重車比例相比于超車道明顯較大。
5.結(jié)論
（1）采用壓電薄膜傳感器為稱重傳感器的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)具有收費(fèi)站靜態(tài)稱重系統(tǒng)所不能比擬的優(yōu)勢(shì)，值得在高速公路網(wǎng)中推廣使用。
（2）為了發(fā)揮動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的價(jià)值，除了要保證安裝質(zhì)量外，還應(yīng)在日常使用中給予充分的維護(hù)保養(yǎng)。
（3）動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)在高速公路養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)榈缆窢I(yíng)運(yùn)、橋梁精準(zhǔn)管養(yǎng)提供堅(jiān)實(shí)的決策依據(jù)。
（4）錫澄運(yùn)河大橋各車道及兩個(gè)方向的荷載都存在一定差異，對(duì)于橋梁和路面養(yǎng)護(hù)來說可以采取差異化對(duì)待，以期降低全壽命周期成本，并提高養(yǎng)護(hù)效率。
作者：李 寧（江蘇沿江高速公路有限公司）
本文刊發(fā)于《中國(guó)高新科技》雜志2020年第23期
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