新桥梁配内运动系统使用压电轴承

摘要

传统的BWIM(桥梁动态称重)系统通过传感器测量桥梁的变形，并利用这些测量结果通过专用算法来估计过往车辆的特征。然而,测点的应用系统服从上层建筑的类型、组成、几何、材料和形状的桥,应变传感器的位置使用的系统,需要校准测量应变曲线和精确模型的结构。为了摆脱这些约束，本文提出了一种更简单的BWIM系统，使用桥梁轴承作为称重秤，测量通过交通产生的反作用力。为了实现这一目标，压电复合材料元件以其耐用性和对外部载荷的响应能力而闻名，它被适当地嵌入到桥梁支座中，以实现压电轴承。本文介绍了由压电轴承构成的BWIM系统，通过一系列试验验证了系统对外界动态激励的响应性，并通过数值算例验证了所提出的BWIM系统的可行性。数值算例表明，基于简单的力学理论，利用测得的反力时程而不是桥梁的变形，可以实现车辆跨桥特性的识别。

1.介绍

已知交通负荷是人行道退化的主要原因。交通的特征在于非常不同类型的车辆，其幅度，轴数和轴分组。制定了卡车重量规定，因为较重的负荷加速了路面损坏的积累，并提高了保持良好状态的花费的成本[1，2］．因此，有必要通过获取适当的交通数据来清楚地了解流量，这将有助于提取适当的维护和控制策略。在评估路面寿命及其完整性方面，了解实际交通负载是至关重要的。

作为道路网络的一部分，桥梁结构上的监控流量是一种有吸引力的方法，因为它可以减少交通负荷评估中的不确定性，并提供能够优化桥梁维护策略的数据。基于同系车（WIM），摩西[3.]是第一个介绍BWIM概念的人在使用桥接本身以全高速公路速度作为称重平台在全高速公路速度行驶时衡量车辆及其轴的概念[4，5］．

传统的BWIM(桥梁动态称重)系统通过传感器测量桥梁的变形，并利用这些测量结果通过专用算法来估计过往车辆的特征[6］．典型的BWIM系统的传感硬件包括应变传感器、测轴传感器、数据采集系统和计算机。安装在桥背上的应变传感器一般为耐电应变计，采用惠斯通电桥结构，以放大测量到的极低应变[7］．虽然目前的BWIM系统开发了精度水平，可以使用静态秤选择车辆称重，Richardson等人[6]报告说，使用这种耐电应变计的BWIM系统无法达到对超载车辆强制执行的足够精度。此外，桥轴检测传感器原本是路面传感器，但考虑到在繁忙的交通条件下，系统的耐久性不足，现在在桥拱上安装了额外的应变传感器来检测桥轴峰值[7］．

传感器布局取决于包括传感器的功能和灵敏度的若干因素，桥梁类型和预期应变水平。传感器通常安装在桥的中跨，其特征在于最明显的响应，测量由车辆负载产生的弯曲应变。此外，应变响应对轴载荷的灵敏度特定于桥接型和传感器布局[2］．Lydon等[7]也强调了桥梁类型的依赖性，不仅涉及桥梁的结构类型和材料，还包括其线形。值得注意的是，BWIM系统尚未应用于预应力混凝土桥梁和斜交桥梁，尽管它们在大多数国家的桥梁库存中都有相当多的存在。

在硬件的同时，BWIM算法的开发也付出了巨大的努力。起初，大多数算法都是基于摩西[3.该算法基于这样一个事实，即应变的测量变化与弯矩有关，而弯矩与桥梁的尺寸和材料特性有关。在这种算法中，识别被视为一个优化问题，使测量响应和使用车辆参数计算的响应之间的误差最小化。后来，移动力识别(MFI)被成功地引入，以解释多车辆在桥上的存在。MFI方法旨在获取车轮荷载通过桥梁的时间历史，但由于昂贵的计算工作，未能实现实时识别[2］．

从这一回顾来看，尽管BWIM系统的成熟度很高，但它仍然存在一些缺点，如依赖于上层建筑类型、组成、几何形状、材料和桥梁形状、系统中使用的应变片的位置、以及校准测量到的应变曲线和手边结构的精确模型的需要[2，6- - - - - -9］．

考虑到轴承是桥梁的天然成分，在硬件和软件方面更简单且易于实现的BWIM系统将使用轴承作为称重尺度来测量由通过交通产生的支撑件处的反作用力．这种BWIM系统将简单地通过测量的反作用力的时间历史代替桥的变形来简单地基于机械理论的车轮载荷的识别。为此，作者建议使用压电陶瓷，而不是传统传感器，由于它们对动态负荷的响应性和敏感性。然而，压电陶瓷表现出脆性和性能差，使它们在具有大负载和影响的特征的公民结构中感应不切实际。因此，设计了专用压电复合电力发电元件（PCGE）以开发嵌入在桥梁轴承中的新BWIM系统，以实现简单且经济高效的流量监控[8，10］．

本文介绍了由压电轴承构成的BWIM系统，在外部动态激励下对系统响应性进行了一系列测试，并通过数值算例验证了该系统的有效性。

2.Piezo-Bearing与d₃₃-Mode PCGE.

２.１.用于桥上流量监控的PCGE

压电效应是指某些材料在机械力作用下产生电荷的能力。其中，锆钛酸铅(PZT)晶体在其原始尺寸变形约0.1%时可以产生可测量的压电。PZT广泛用于能量收集，是一种电陶瓷材料，在冲击或冲击下极其脆弱[11］．考虑到压电元件将采用压电元件的环境，大的压力将在元件上恒定地作用在一起，以及由滚动轮施加的规则冲击。这意味着要开发的压电元件应该抵抗压力和冲击，同时表现出足够的灵敏度，以产生足够大的电压以进行监测目的。

多层压电复合材料提供了一个满足这些要求的合理解决方案(图)1)，因为与传统致密材料相比，它们具有更高的机电耦合系数和更高的压电电压常数。此外，压电复合材料的材料参数可以通过适当调整不同层中的陶瓷-聚合物体积分数来满足特定应用的特定性能[12，13］．因此,多层d₃₃由于施加在桥梁支座上的压力和车轮载荷仅作用于垂直方向，因此考虑了-模态压电复合材料发电元件(PCGE)。

PCGE是在玻璃/环氧布的底层上叠加几层选定的材料，按照铺层设计制作而成。这样组成的陶瓷晶圆是通过顶部和底部的两个铜电极连接的(图)1)．然后在高压釜中进行如下固化:首先在室温至177°C的1小时内逐渐升高温度，然后保持2小时后冷却至室温。在这一过程的最后，PCGE在整个厚度上产生了热残余应力，因为不同的层具有不同的热膨胀系数。设计d₃₃-mode PCGE如图2介绍了六层结合压电陶瓷材料，玻璃/环氧复合材料，碳/环氧复合材料[8，10］．

２.２.压电轴承的组成

选择广泛使用的锅轴承用于实施BWIM系统。如图所示3.在美国，罐体轴承只是一个紧密地密封在钢瓶中的弹性垫。载荷通过附着在上承板上的活塞向下传递到具有多向转动能力的承载介质弹性垫上。注意，这种结构允许在承受外部载荷时在轴承内部产生均匀的压缩。PCGE的尺寸为76 × 76毫米²安装在锅板和弹性阀瓣之间。之前的测试表明，由于弹性体和钢板的变形差异，这种安排导致PCGE产生更高的电压输出[14- - - - - -16］．

２.３.压电轴承性能试验

实验评估了所提出的压电轴承的耐久性和对负载的响应性。首先，使用如图所示的仪器进行循环加载试验4验证是否d₃₃-mode PCGE插入锅式轴承，其寿命与轴承本身一样长。需要注意的是，在疲劳测试中，PCGE并没有插入到锅轴承中，只有一个薄的橡胶垫保护着PCGE，这使得PCGE暴露在更恶劣的环境中。PCGE被击中200多万次，结果表明PCGE在低压力水平下保持了完整性。这表明，选定的PCGE将可靠地履行其测量作用，其耐久性可与轴承相媲美[17］．

对压电轴承进行动态测试，验证施加在轴承上的负载与插入在轴承中的PCGE相应输出电压之间的响应性和关系。所测试的轴承相当于市场上最小的承载能力为500kn的罐体轴承。加载使用的是韩国启明大学KOCED实验室设施的500 kN万能试验机(UTM)。

为了提供各种负载情况并尽可能地模拟真正的桥梁中轴承的负载配置，基本上施加永久载荷，因为上部结构的重量和现场谐波加载以不同的频率施加，以模拟以不同速度运行的车辆上层建筑。考虑到UTM的局限性，将永久性负载设定为100kN，200kn，具有30kn，60kN，90kN，120kn和150kn的振幅的活载在0.5Hz，1.0 Hz的频率下施加。和3.0 Hz，对应于跑步的车辆，分别在18 km /,36km / h和108 km / h。每个载荷盒重复三次以确保测量的一致性。数据采集​​系统（NI CDAQ-9178）连接到电压表（NI-9225）和称重传感器（SM-500L CAS，NI-9237）测量了测试期间的输出电压和施加的负载[18］．

动态测试结果如图所示5对于0.5 Hz, 1.0 Hz, 3.0 Hz的加载频率，以及它们的回归线，证实了无论轴承承受的永久负载如何，PCGE在施加的负载与其输出电压之间保持线性关系。这说明PCGE产生的输出电压足以成为车辆过桥负载的指标。

线性关系的斜率随车速的变化而变化。问题是，由于测试设备的限制和模拟永久负载和流量负载所需的大负载，实际上不可能在其他频率上进行测试。因此，作为第一次尝试，尽管实验数据不多，利用这三种频率情况计算拟合曲线，在假设图中输出电压与负载相关线的斜率的情况下，提供负载输出电压数据的比率(电压负荷线的斜率)与负载频率之间的关系5仅取决于激励的频率（车辆的速度）。

考虑到PCGE对施加荷载响应的线性性质，应用最小二乘法拟合该斜率与频率之间的关系似乎是合理的。关于激励频率的三个点的线性模型的方程(0.5, 1.0, 3.0 Hz)和坡度图中的数据5如图所示，并绘制在图中6： 在哪里=车辆轴载(kN);=轴承（V）测量的输出电压;和=激励频率(Hz)。

方程(1)的最小二乘拟合线6可以用车速表示频率( ）及桥架的跨度( ）并匹配单位： 在哪里=桥梁的跨度长度（m）和=车辆通过大桥的速度(km/h)。

方程(2)提供一种确定轴负载的方法( ）的输出电压( ）PCGE的速度我们知道这辆车的位置。

3.在桥上流量监控，使用具有压电的提出的BWIM系统

为验证该系统的适用性，给出了一个数值算例。所考虑的桥梁为单跨桥梁，长40米，宽10.98米，桥板为混凝土，由4根钢梁支撑。该桥支撑3条单向车道，三维模型如图所示7用于应用程序。假设每个梁的两端由建议的BWIM支座支撑，其位置由图中的节点编号表示7．

考虑的车载负荷是韩国公路桥梁设计代码的DB-24卡车负荷。它是一个三轴卡车，具有图中所示的特性8．在数值例子中，中轴和后轴之间的距离设置为4200 mm。对2号车道上车速分别为20 km/h和80 km/h的货车进行移动荷载分析。假设压电轴承的线性模型为2）适用。这意味着可以识别轴载一旦桥梁的跨度长度和通过车辆的速度是已知的。

从机械角度来看，每当车辆的一个轴通过轴承时，轴承测量的负荷的时间历史将显示峰值。在图中9和10给出了轴承分别在车辆的入口(关节336)和出口(关节344)测量的载荷的时间历程，DB-24卡车以20 km/h的速度行驶时，每个车轴对应的进出峰值可以在最接近车辆行驶车道的轴承提供的图中清晰地区分出来。

为了清晰起见,图11同时绘制关节336(入口)和344(出口)的时间历史。在时间历程中，1、2、3所示的峰值分别对应于桥上3轴卡车的前、中、后桥的进出。应用先进先出(FIFO)原理，峰值1出现在图中0.19 s(进口侧)和7.2 s(出口侧)11．在入口和出口处的峰值1的这些发生时间表明，卡车花了7.01秒（= 7.2 - 0.19），以越过桥（40米），速度为20.542 km / h。对于峰2和3的相同计算，分别为20.574 km / h和20.484公里/小时的速度。与分析中考虑的20公里/小时的运行速度相比，使用该峰值到峰值时间流逝获得的速度似乎精确地估计了车辆的实际速度。因此，该方程式的假设（2)适用于识别车辆的轴重，一旦车速已知似乎是合理的。

数据12和13展示了DB-24卡车以80公里/小时的速度运行时的相同时间历史。在这里，载荷列车的每个轴的入口和出口可以清楚地识别在负载的时间历史中，由最接近车辆穿过的车道的轴承(关节336在入口侧和关节344在出口侧)测量。

正如前一个案例所做的，图14同时绘制关节336(入口)和344(出口)的时间历史。在时间历程中，1、2、3所示的峰值分别对应于桥上3轴卡车的前、中、后桥的进出。从出入口1峰的出现时间来看，卡车通过大桥(40 m)需要1.67 s(= 1.81−0.14)，车速为86.227 km/h。同样计算高峰2和高峰3的速度分别为86.227 km/h和85.207 km/h。与分析中考虑的80 km/h的运行速度相比，利用这段峰-峰时间间隔得出的速度近似于车辆的实际速度，误差在7.8%以下，低于交通速度表通常允许的10%的误差。在这种情况下，假设方程(2)适用于识别车辆的轴重，一旦车速已知似乎是合理的。

表1和2将压电轴承测量的负载的值与其在图中的发生时间一起测量的压电轴承9- - - - - -14．考虑力的平衡，施加在桥上的车辆荷载分布在下位支座上。因此，应将桥入口或出口的压电轴承测得的值与识别出峰值时选取的值相加，得出进出桥的轴的实际累积载荷。这些资金( ）也列在表格的最后一列1和2．

在表中1和2，桥上所有的轴都被加载的情况是在入口侧的峰值3和在出口侧的峰值1。卡车的三个轴装载在桥上，但不能同时位于轴承上方。这意味着轴承测量的载荷仅表示轴载荷，而不给出轴载荷本身的值。出口侧1、2、3峰值载荷位置如图所示15．

考虑到轴承的载荷测量对应实际上支持面向相反的方向的反应,这些测量可用于计算轴负荷的影响引起的一系列集中使用影响线加载(ILs)支持反应如图16．

一旦车辆的速度已知，在入口或出口的高峰之间的时间间隔提供了车轴之间的距离。根据图中出口侧各峰值的载荷位置15，对支持反应的影响( ）在图中的出口侧16可依次计算后、中、前轴的载荷，公式如下: 在哪里=识别卡车后轴负荷的值=出口侧出现3峰时节点342、343、344、345测得的荷载之和。 在哪里=确定的卡车后轴载荷值;=出口侧出现峰值2时节点载荷342,343,344,345的总和;=由式(3.）;和卡车中轴和后轴之间的距离。 在哪里=确定的卡车前轴载荷值;=通过接头342,343,344和345测量的负载之和在出口侧发生峰值1;=由式(4）;=卡车前轴与中轴之间的距离;=由式(3.）;和卡车中轴和后轴之间的距离。

数字17显示了使用轴承测量的负荷识别轴负荷的流程图。

请注意，在图中17，峰值的识别将提供有关基于标准化车辆分类系统通过桥的车辆类型的信息。根据轴的数量和连续轴之间的距离，车辆分类系统将车辆从摩托车，乘用车和公共汽车分类为13个级别到多轴卡车。

使用图中的流程图17、表3.将DB-24卡车的已识别的轴载成20公里/小时和80公里/小时的误差。为了计算误差，将估计值与DB-24卡车模型的实际值进行比较（图8)的规定，前轴荷载为48kn，中轴荷载为192kn，后轴荷载为192kn，总荷载为432 kN，两轴之间的距离为 ．

如上所述，利用峰-峰时间间隔得出的速度与车辆实际速度接近，误差平均在7.36%以下，低于交通速度表通常允许的10%的误差。回顾方程中的线性模型(2)的输出电压与负载的关系是使用在激励频率为0.5 Hz、1.0 Hz和3.0 Hz(车辆分别以18 km/h、36 km/h和108 km/h运行)下测量的数据建立的，考虑到韩国的城市限速为60km /h，高速公路限速为80km /h，高速公路限速为100km /h和110km /h，最小二乘法得到的线性模型具有充分的适用性。

对两轴距离的估计误差随着车速的增加而增加，但在考虑的情况下仍低于7.92%。但该误差对轴载荷的估计影响较小，误差保持在5.42%以下。最终卡车总载荷的估计误差小于2.43%。由于所有卡车都有其轴数、轴距和轴载荷的特征，因此可以识别卡车的类型，并最终捕获超载。

基于最简单的力学理论,提出了测点系统内置PCGE因此提供了所需的所有功能的传统测点捕获和记录轴重量和距离和车辆总重量和速度无论类型、材料、成分、和形状的桥。

4.结论

本文针对现有系统的不足，提出了一种新的BWIM系统。提出的BWIM系统以压电轴承的形式出现，其中嵌入了PCGE。为了达到这一目标，PCGE被设计和制造，以提供压电陶瓷的所有优点，同时不受其材料脆性的影响。通过疲劳试验、动力试验等一系列性能试验表明，PCGE可用于承受民用结构交通监测中的大载荷。在典型卡车荷载作用下，对一座桥梁的全三维模型进行了移动荷载分析，验证了所提出的BWIM系统在桥上交通监测中的适用性。从移动荷载分析结果可以得出以下结论:（1）考虑到PCGE的线性特性，提出了一种将测量到的PCGE输出电压转换为负载的线性模型。还需要进行进一步的实验，以验证模型在更宽的激励频率范围内的适用性。（2)用压电轴承测量的载荷的时间历程来区分桥上轴载荷的入口或出口。每个轴重的通过可以通过时间历史中出现的峰值来识别。根据标准化的车辆分类系统，识别峰的数量可以提供通过桥梁的车辆类型的信息，进而可以估计车辆的速度和车轴之间的距离。（3）建立了一种基于支撑反力影响线概念的算法，利用识别出的载荷峰值计算出车辆的各轴载荷。（4）仿真数据纯粹基于结构力学理论，无论桥梁的类型、材料、组成、形状如何，都能很好地估计车辆通过桥梁的速度以及车辆的轴重、距离和总重。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者感谢韩国土木工程和建筑技术（KICT），大韩民国（项目号2018-0255）提供的资金。这项工作也得到了韩国能源技术评估和规划（章节）的能效和资源核心技术方案，并授予韩国共和国贸易，工业与能源部的财务资源（No.201020103979）。

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