張工聊測量 | 如何對橋梁結構進行監控和測試


張工說


張工聊測量 | 如何對橋梁結構進行監控和測試的圖1

所有的結構, 無論是橋梁、風力發電設備、水/天然氣/石油管道、隧道、石油鉆塔、人行道、護欄,還是船舶、飛機,火車等都會受到各種外部和內部因素影響,產生磨損甚至故障。 不正確施工,缺乏質量控制或意外事故以及極端外部環境都可能產生嚴重事故。為了能觀察到材料的這些變化,并及時正確處理, 損傷識別系統 是至關重要的。 結構監控 能及時檢查到這些異常狀況,及時維護和保養,可以降低運營成本。

今天通過下面的案例,來聊一聊如何對橋梁結構進行監控和測試

案例背景

美國陸軍工程兵團(USACE)雇用了大約37,000名文職和軍事人員,他們在130多個國家提供廣泛的工程服務。這使其成為世界上最大的公共工程、設計和施工管理機構之一。USACE的工程師研究與發展中心(ERDC)提供工程和環境科學方面的科學、技術和專業知識,以解決民用和軍事工程、地理空間科學、水資源和環境科學領域的一系列重大問題。


ERDC的土工和結構實驗室的機場和路面部分是ERDC在密西西比州維克斯堡的四個實驗室之一,負責新材料研發和設計。作為電子技術員,Tommy CarrTony Brogdon為他們分部的任何需要數據采集或測量系統的項目提供儀器支持,幫助主要研究人員(PI)和工程師設計配置必要的儀器和傳感器系統,用于收集其所需數據。Carr指出:“幫助他們設計儀器系統后,我們會自己操作,或者培訓其他人操作,以便收集他們的實驗所需的數據。”


毫不奇怪,CarrBrogdon在一個相當不穩定的研究環境中工作,他們會同時從事多個項目,而每個項目都有自己的一套數據采集或測量要求以及挑戰。這些研究項目需要數天到一年的時間才能完成。而且,鑒于他們項目的設備預算有限,他們選擇的數據采集和控制設備必須在尺寸、功能和兼容的傳感器類型方面具有高度的靈活性,以便能夠隨時適應新的研究項目。


2016年夏天開始,一個新的研究階段開始了,那就是設計用于軍事人員快速部署的便攜式橋梁。正如Brogdon所說:“這是一個多層次的項目,比較特別的一點在于使用了我們的重型車輛模擬器(圖1)來測試橋面。他們修建了一個測試路段,HVS讓我們在六個月內模擬20年的交通流量對人行道和鋪面的影響。”

張工聊測量 | 如何對橋梁結構進行監控和測試的圖2
ERDC Vicksburg園區的重型車輛模擬器可以模擬從重型卡車到滿載貨機的各種交通工具的輪載,并且可以晝夜不停地模擬高達500次通行/小時的流量。隔熱、可移動面板和空調動力裝置的組合允許將被測表面加熱到130或冷卻到30

建造“到不了任何地方的橋”

該項目的目的旨在通過將其施加到故障點來評估橋面設計的耐久性,然后評估隨時間推移橋段中發生的結構變化。通過加速測試過程,HVS允許首席科學家或工程師更快地進行不同材料或工程結構的實驗。除HVS之外,該項目還需要測試和測量能力,而當時他們設備庫中老舊的數據采集硬件無法處理。為了保持進度需要開始測試,這成為選擇新設備的一個重要因素。

為該項目測試的橋段大約15英尺(4.57米)寬,51英尺長(15.55米),測試區域長40英尺(12.5米)。測試是在ERDC路面測試設施(圖 2)中進行的,這是一個大型的飛機庫狀結構,允許在實際條件下建造多個全深度路面段和綜合評估路面性能。
張工聊測量 | 如何對橋梁結構進行監控和測試的圖3
2 ERDC路面測試設施長375英尺(約114米),寬145英尺(約44米),其規模足以確保同時施工、交通測試并進行多個測試段分析。它還包括CarrBrogdon的辦公室,以及施工材料、工具、設備和數據采集儀器的存儲空間。

該系統通過用粘貼或焊接到主支架上和橋面下方大梁上的全橋應變計獲取18個通道的傳感器數據,用以監測和記錄橋面結構上的應力。一旦完成了應變數據的還原和分析過程,就被用來與后續研究項目結果相結合,以形成下一次的橋面設計迭代。

數據采集系統配置

橋上的應變計直接連接到數據采集系統上。位于路面測試設施外的玻璃纖維外殼可防止數據采集硬件受到灰塵影響。CarrBrogdon用兩個HBM QuantumX  MX1615B 16通道應變橋路放大器模塊來配置他們的系統(圖3)。Carr指出,“我們有一個老的傳統硬件,是由HBM收購的公司制造的,所以當我開始尋求支持時,我最終選擇了與當地的HBM銷售工程師Kevin Elliott合作。Kevin的工作關系幫助我們找到了現在使用的型號。”CarrBrogdon之所以選擇QuantumX系統,主要是由于其耐用性、模塊化結構、應用靈活性、能夠承受高濕度,并且兼容多種傳感器類型。

張工聊測量 | 如何對橋梁結構進行監控和測試的圖4
3 QuantumX  MX1615B 16通道應變橋路放大器模塊(左)和QuantumX CX22B獨立數據記錄儀(右)

數據最初存儲在QuantumX數據記錄儀上,通過 catman? AP 軟件進行數據采集、可視化、存儲、分析并生成報告。可在數據記錄儀上進行本地記錄,或通過以太網將數據傳輸到運行catman AP的電腦上。這臺遠程電腦位于路面測試設施的控制室中,方便研究團隊在獲取數據時進行可視化監控。

CarrBrogdon選擇了catman AP軟件與QuantumX系統對接,因為它不需要什么編程知識就能有效使用;catmanHVS移動時自動觸發,進行采集數據,然后在車輛停止時也會自動停止。在幾個月的時間里,他們使用18個應變計以300 S/s 采樣率進行數據采集,已經收集了大量的數據,目前仍在進行分析。

鑒于新儀器開發項目的不斷需求,即使橋梁項目的數據采集部分已經完成,QuantumX硬件仍然在正常使用。最近,它與一系列加速度傳感器一起被用于監測由氣錘等混凝土破碎設備產生的振動水平。為了簡化設備維護和提高長期靈活性,CarrBrogdon目前正在努力規范其數據采集硬件解決方案。



官網:

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