基于光纖Bragg光柵傳感器的現(xiàn)役高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

劉現(xiàn)鵬，劉紅彪，韓 陽(yáng)，齊廣政，郭 暢

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

基于光纖Bragg光柵傳感器的現(xiàn)役高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

劉現(xiàn)鵬，劉紅彪，韓 陽(yáng)，齊廣政，郭 暢

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

目前，針對(duì)沿海港口碼頭健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究較少。文章根據(jù)沿海港口高樁碼頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其所處環(huán)境的特殊性，分析了沿海高樁碼頭結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，提出了高樁碼頭結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)指標(biāo)，構(gòu)建了基于光纖光柵傳感器的沿海高樁碼頭結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；并依托天津港某高樁碼頭前承臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段設(shè)計(jì)了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了相應(yīng)監(jiān)測(cè)的實(shí)施方案、傳感器選型及性能參數(shù)，給出了數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及相關(guān)指標(biāo)。

高樁碼頭；健康監(jiān)測(cè)；FBG；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；無(wú)線(xiàn)傳輸

碼頭是供船舶靠泊、貨物裝卸及旅客上下的水工建筑物，是港口最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。由于碼頭擔(dān)負(fù)著大宗貨物裝卸及流通任務(wù)，碼頭結(jié)構(gòu)健康狀況直接關(guān)系到船舶靠泊和貨物裝卸作業(yè)的安全，及時(shí)了解碼頭結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)是保證港口安全運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)的關(guān)鍵。但是，由于碼頭所處的海洋環(huán)境復(fù)雜而惡劣，碼頭結(jié)構(gòu)在承受較大使用荷載的同時(shí)，還經(jīng)受著如土體、海浪、海流、海冰、潮汐以及臺(tái)風(fēng)、地震、船舶等荷載的作用，在惡劣的環(huán)境條件下，碼頭結(jié)構(gòu)極易發(fā)生破損現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體抗力降低；再加之混凝土材料的自然老化、人為等因素的共同作用，碼頭結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)及使用壽命受到了嚴(yán)重影響。調(diào)查表明，我國(guó)港工結(jié)構(gòu)一般建成8～12 a就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開(kāi)裂破壞現(xiàn)象，這對(duì)碼頭的使用安全性造成了較大影響。如浙江省某10萬(wàn)t級(jí)礦石碼頭不到10 a就需進(jìn)行腐蝕修補(bǔ)；我國(guó)南部沿海幾十座服役3～25 a的碼頭，因鋼筋銹蝕造成的破損普遍存在，有的僅使用3～7即出現(xiàn)順筋開(kāi)裂，嚴(yán)重影響碼頭的承載能力。

高樁碼頭是碼頭結(jié)構(gòu)的主要型式之一，被廣泛應(yīng)用于軟土地基上的碼頭建設(shè)，在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展活躍的渤海灣沿岸、蘇北沿海、長(zhǎng)江口、杭州灣、閩江口、珠江口和海南島西北部等沿海地區(qū)應(yīng)用十分廣泛。但在高樁碼頭使用過(guò)程中，軟土地基的變形量較大，尤其是土體側(cè)向變形過(guò)大會(huì)造成碼頭樁基承受的水平荷載過(guò)大，從而導(dǎo)致水平變位過(guò)大時(shí)，樁梁節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞，進(jìn)而影響碼頭的承載力；隨著土體蠕變的進(jìn)一步加劇，碼頭的側(cè)向位移進(jìn)一步增加，在使用荷載作用下，碼頭結(jié)構(gòu)會(huì)額外承受由于碼頭側(cè)移而引起的附加彎矩，進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的破壞，甚至整體結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆，嚴(yán)重影響碼頭的安全生產(chǎn)。所以，針對(duì)高樁碼頭結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是十分必要的。

由于測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的進(jìn)步，長(zhǎng)期的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)成為評(píng)估結(jié)構(gòu)安全性能的重要手段。長(zhǎng)期的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已被成功地運(yùn)用在超高層建筑、高墩大跨橋梁、大直徑輸水管道、沿海碼頭等領(lǐng)域，如在廣州塔［1-2］、深圳證券交易中心總部大樓［3］、香港的青馬大橋［4-5］、以及大連新港30萬(wàn)t級(jí)原油碼頭的沉箱式靠船墩上的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［6］，這些健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可為相應(yīng)結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。所以，在高樁碼頭結(jié)構(gòu)上布設(shè)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)保障碼頭的安全生產(chǎn)具有重要意義。

基于光纖Bragg光柵（FBG）的光纖光柵傳感器因其體積小、精度高、抗電磁干擾強(qiáng)、防水性、耐腐蝕、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸取代傳統(tǒng)的電類(lèi)傳感器，被廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、水壩、海洋平臺(tái)、碼頭等土木工程結(jié)構(gòu)測(cè)試中［7］。加拿大通信研究中心的Hill［8］等人于1978年發(fā)明了世界上第一根光纖Bragg光柵（FBG）。Pro?haska等人［9］于1993年首次采用光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器測(cè)試大型混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，由此引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)光纖光柵傳感器在土木工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的廣泛關(guān)注。后期，光纖光柵傳感器在橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到了應(yīng)用［10-11］，并得到了較大發(fā)展。港口工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展較晚，隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，基于光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)被逐漸運(yùn)用到了碼頭結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施的安全監(jiān)測(cè)方面，如大連港某油碼頭沉箱采用了基于光纖Bragg光柵的光纖傳感器對(duì)其外壁、底板等部位的應(yīng)力及溫度進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)［6，12］；祁耀斌等人采用光纖光柵傳感器為大型海上浮吊臂桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并建立了實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)時(shí)的安全性并及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)估［13］。

目前，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在沿海高樁碼頭結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用較少。本文的主要目的是根據(jù)高樁碼頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用光纖光柵傳感器構(gòu)建高樁碼頭結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并針對(duì)天津港某高樁碼頭的一個(gè)結(jié)構(gòu)段提出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施方案，以此建立高樁碼頭結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該研究對(duì)指導(dǎo)高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，推動(dòng)沿海港口碼頭長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展均具有重要意義。

1 高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)指標(biāo)分析

高樁碼頭主要由上部結(jié)構(gòu)、樁基和碼頭設(shè)備組成。梁板式高樁碼頭按照作用荷載的不同，分為前承臺(tái)和后承臺(tái)兩部分；前方承臺(tái)由面板、橫梁、軌道梁、樁帽、樁、靠船構(gòu)件等構(gòu)成，主要用于貨物的裝、卸載及貨物流通。由于前承臺(tái)受到門(mén)機(jī)荷載、流動(dòng)機(jī)械荷載、貨物堆載以及船舶撞擊力、系纜力、擠靠力等多種外力的共同作用，受力情況復(fù)雜，尤其是船舶撞擊極易造成碼頭結(jié)構(gòu)的樁基破損或斷樁，嚴(yán)重影響碼頭的安全性。并且，海洋環(huán)境的氯離子侵蝕極易導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件的鋼筋銹蝕、混凝土開(kāi)裂，造成結(jié)構(gòu)的耐久性降低。隨著損傷的積累，碼頭結(jié)構(gòu)極易發(fā)生面板垮塌、梁體斷裂、結(jié)構(gòu)整體傾斜，甚至結(jié)構(gòu)整體傾覆，造成重大的安全事故。

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)的破壞特征，高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及碼頭檢測(cè)評(píng)估中，重點(diǎn)關(guān)注的物理量主要有碼頭結(jié)構(gòu)的整體變位、樁基應(yīng)力、橫梁應(yīng)力、軌道梁應(yīng)力、面板應(yīng)力、岸坡變形及橫梁與樁帽的相對(duì)位移等。由于高樁碼頭多建于軟土地基上，軟土地基的變形量大，極易造成碼頭結(jié)構(gòu)整體傾斜、構(gòu)件塌落，甚至結(jié)構(gòu)傾覆，造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由此，高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)指標(biāo)可大致分為三類(lèi)，即位移、應(yīng)變和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征。位移主要是指碼頭結(jié)構(gòu)的整體變位，其中應(yīng)包括結(jié)構(gòu)的橫向變位和豎向變位。應(yīng)變主要是指碼頭結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)變狀態(tài)，關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)包含樁基、橫梁、軌道梁、縱梁、面板等；由于關(guān)鍵構(gòu)件的安全狀態(tài)可反應(yīng)整體結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，通過(guò)對(duì)這些構(gòu)件的應(yīng)變監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)了解碼頭結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的安全狀態(tài)，確保碼頭生產(chǎn)安全。碼頭結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特征主要是指結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息，即結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和阻尼比；結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征變化可反應(yīng)結(jié)構(gòu)整體的健康狀態(tài)變化，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征的時(shí)變規(guī)律，可確定結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)及損傷位置，這點(diǎn)在高層建筑、大跨橋梁等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)識(shí)別研究中已得到驗(yàn)證［14-16］，并在許多實(shí)際結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。在上述三類(lèi)監(jiān)測(cè)指標(biāo)中，位移和應(yīng)變是直接反映結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的指標(biāo)，可直觀反映結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的安全狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷敏感有效。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征是結(jié)構(gòu)的固有特性，但由于結(jié)構(gòu)固有頻率的變化對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度不敏感，且振型、阻尼比及應(yīng)變模態(tài)難以精確測(cè)量，導(dǎo)致以結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征變化判定結(jié)構(gòu)損傷的方法應(yīng)用受到限制。針對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)通過(guò)模型修正與系統(tǒng)識(shí)別法、遺傳算法、小波分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，基于數(shù)據(jù)分析判定結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)和位置。所以，碼頭整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征是碼頭結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的一類(lèi)間接監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

2 現(xiàn)役高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

隨著水運(yùn)行業(yè)的發(fā)展，大型高樁碼頭結(jié)構(gòu)不斷被建設(shè)，碼頭結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)安全狀態(tài)越來(lái)越受到重視，建設(shè)適于沿海高樁碼頭結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求迫切。但沿海港口碼頭結(jié)構(gòu)多處于惡劣的海水環(huán)境中，海水環(huán)境及其強(qiáng)腐蝕性，對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器設(shè)備的耐久性及防水性提出了較高的要求。根據(jù)高樁碼頭結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、荷載效應(yīng)規(guī)律及其所處環(huán)境的特殊性，提出適于沿海港口碼頭結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及相關(guān)實(shí)施方案是十分必要的。

2.1健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般包括傳感器子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理子系統(tǒng)，損傷識(shí)別、安全評(píng)估及災(zāi)變預(yù)警子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。根據(jù)高樁碼頭結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的特殊性及相關(guān)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，并考慮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案實(shí)施的可行性，將高樁碼頭結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析與預(yù)警子系統(tǒng)，具體詳見(jiàn)圖1。

圖1 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1Health monitoring system of high?pile wharf

本文針對(duì)天津港某高樁碼頭前承臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，著重對(duì)傳感器子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)進(jìn)行研究。重點(diǎn)分析傳感器的選型及布置方案、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參數(shù)要求及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式。最終，給出整個(gè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及相關(guān)指標(biāo)。

2.2依托工程概況

本文設(shè)計(jì)的碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位于天津港某高樁碼頭前方承臺(tái)的一標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段上（框選部分）。該碼頭改造竣工于2000年，系高樁碼頭結(jié)構(gòu)，前方承臺(tái)為梁板式樁臺(tái)結(jié)構(gòu)，由面板、橫梁、軌道梁、樁帽、樁、靠船構(gòu)件等構(gòu)成，各構(gòu)件安裝就位后各連接節(jié)點(diǎn)采用現(xiàn)澆混凝土澆筑以保證連接的可靠性。前方承臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)59.5 m，排架間距7.0 m，共9個(gè)排架，碼頭斷面見(jiàn)圖2所示，其中，叉樁與直樁均采用截面650 mm×650 mm的預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁，樁體均采用C50混凝土預(yù)制，其他構(gòu)件均采用C45混凝土制作。

圖2 碼頭斷面圖Fig.2Cross section of wharf

此高樁碼頭結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括三部分，即結(jié)構(gòu)的位移監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)變監(jiān)測(cè)及結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特征監(jiān)測(cè)。其中，位移監(jiān)測(cè)的指標(biāo)為縱、橫梁與樁帽之間的相對(duì)位移；碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)變監(jiān)測(cè)指標(biāo)有樁基應(yīng)力、橫梁應(yīng)力、軌道梁應(yīng)力、面板應(yīng)力；碼頭結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要指結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息，即結(jié)構(gòu)的整體頻率、振型及阻尼比。

為了了解碼頭結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的荷載效應(yīng)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)段的技術(shù)參數(shù)，采用有限元建模的方式，計(jì)算結(jié)構(gòu)在水平荷載作用的荷載效應(yīng)。模型建模時(shí)，樁-土相互作用中的土體部分采用彈簧替代，水平彈簧剛度采用m計(jì)算得到，豎向彈簧剛度采用溫克爾理論計(jì)算得到。荷載選擇船舶靠泊時(shí)的撞擊力。為了獲取碼頭結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)分布狀態(tài)，撞擊力等效為靜力的方式加載，其中結(jié)構(gòu)樁基的彎矩分布圖見(jiàn)圖3所示。根據(jù)彎矩分布圖可知，反彎點(diǎn)以上部分樁基的最大彎矩處于樁頂位置。因此，樁基應(yīng)力監(jiān)測(cè)位置應(yīng)選擇在樁頂?shù)囊欢ǚ秶鷥?nèi)。并根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)可知，面板、橫梁、軌道梁的應(yīng)力監(jiān)測(cè)應(yīng)選擇跨中位置。

圖3 有限元模型及彎矩分布圖Fig.3Finite element model of wharf structure and bending moment curve of piles

為了了解被監(jiān)測(cè)碼頭結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征，獲取碼頭結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)頻率范圍及振型狀態(tài)，按照上述靜力計(jì)算模型及相同的約束條件，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)段進(jìn)行了模態(tài)計(jì)算，獲取了結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率信息及振型形態(tài)，具體如圖4所示。由計(jì)算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)的一階縱向、一階橫向及一階扭轉(zhuǎn)的固有頻率分別為0.510 Hz、2.675 Hz及2.546 Hz。由此可以判斷，結(jié)構(gòu)縱向剛度較橫向小，振動(dòng)薄弱方向?yàn)榭v向，在外界激勵(lì)作用下，結(jié)構(gòu)縱向一階振動(dòng)更易被激起。因此，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)時(shí)，結(jié)構(gòu)縱向方向應(yīng)配備加速度傳感器。同時(shí)，結(jié)構(gòu)段的一階扭轉(zhuǎn)頻率位于一階縱向振動(dòng)頻率和一階橫向振動(dòng)頻率之間，因此，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率也必須監(jiān)測(cè)。

圖4 碼頭結(jié)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算結(jié)果Fig.4Modal results of wharf structure

2.3傳感器選型及布置方案

碼頭結(jié)構(gòu)所處的海洋環(huán)境特點(diǎn)為涉水性及強(qiáng)腐蝕性。傳統(tǒng)的電類(lèi)傳感器在強(qiáng)腐蝕性的海水環(huán)境中不容易成活，其適用性受到限制。因此，選擇基于光纖Bragg光柵的光纖光柵傳感器，此類(lèi)傳感器具有不怕水、耐腐蝕性強(qiáng)等的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于電類(lèi)傳感器，光纖光柵傳感器在港口工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面具有更廣闊的應(yīng)用空間。

圖5 光纖Bragg光柵的工作示意圖Fig.5Working principle of fiber Bragg grating（FBG）

表1 傳感器參數(shù)Tab.1Properties of sensors

光纖Bragg光柵是利用一定的寫(xiě)入技術(shù)在裸光纖的一段范圍內(nèi)寫(xiě)入具有周期性折射率的芯體光柵，屬于反射型光柵和短周期光柵。此類(lèi)光柵對(duì)寬光譜入射光中特定波長(zhǎng)的光具有反射能力，其他波長(zhǎng)的光全部透射，Bragg光柵的工作示意圖如圖5所示，其中反射光的波長(zhǎng)滿(mǎn)足下式式中：λ為FBG反射光中心波長(zhǎng)（布拉格波長(zhǎng)，nm）；Λ為光柵周期，nm；neff為光纖有效折射率；m為衍射級(jí)數(shù)，一般取1.0。

由于光纖光柵在外界溫度或者應(yīng)力的作用下，折射率和光柵周期會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致Bragg波長(zhǎng)發(fā)生變化。因此，通過(guò)分析Bragg波長(zhǎng)的變化即可得出測(cè)點(diǎn)的溫度或應(yīng)變。本文設(shè)計(jì)的高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)變監(jiān)測(cè)均采用光纖光柵表面式應(yīng)變傳感器；并且，環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)及橫梁與樁帽之間的相對(duì)位移監(jiān)測(cè)均采用光纖光柵式的傳感器，即光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵相對(duì)位移傳感器，其中傳感器的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

圖6 樁基應(yīng)變傳感器布置示意圖Fig.6Sketch of fiber Bragg grating（FBG）strain?sensor of piles

由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件某位置的應(yīng)變是關(guān)系到此處是否發(fā)生破壞的最直接量值，因此構(gòu)件應(yīng)變監(jiān)測(cè)的傳感器布置位置應(yīng)位于構(gòu)件荷載作用效應(yīng)最大的位置。由此，碼頭結(jié)構(gòu)樁基應(yīng)變監(jiān)測(cè)的傳感器位置選擇在樁帽以下800 mm的位置處，布置示意圖見(jiàn)圖6所示；軌道梁、橫梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)的傳感器位置位于其跨中。為了防止海洋生物、漂浮物等因素對(duì)光纖光柵傳感器的破壞，采用不銹鋼外殼進(jìn)行兩層保護(hù)；傳輸光纜采用透明膠管保護(hù)，安裝方式見(jiàn)圖7所示。梁與樁帽的相對(duì)位移監(jiān)測(cè)所采用的光纖光柵相對(duì)位移傳感器固定端安裝于樁帽上，安裝方法與電類(lèi)LVDT（Linear Variable Differential Trans?former）位移傳感器類(lèi)似。光纖光柵溫度傳感器安裝時(shí)直接與光纖光柵應(yīng)變傳感器串聯(lián)，傳感器采用無(wú)約束的方式直接安放于不銹鋼保護(hù)殼內(nèi)部，用于環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)。

圖7 傳感器及監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝圖Fig.7Installation of sensors and monitoring equipment

碼頭結(jié)構(gòu)整體性態(tài)監(jiān)測(cè)即碼頭結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性監(jiān)測(cè)，其目的是獲取碼頭結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別，進(jìn)而通過(guò)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)變化獲取結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)；同時(shí)，通過(guò)振動(dòng)數(shù)據(jù)獲取碼頭結(jié)構(gòu)在船舶撞擊、波浪等荷載作用下的動(dòng)力放大效應(yīng)。由于高樁碼頭結(jié)構(gòu)的一階自振頻率為0.510 Hz左右，屬于柔性結(jié)構(gòu)，因此，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征監(jiān)測(cè)所采用的傳感器采用力平衡加速度傳感器，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。傳感器分別布置于結(jié)構(gòu)段的兩翼和中部位置，共計(jì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)段兩翼的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，沿垂直岸線(xiàn)方向分別布置一個(gè)單向的力平衡加速度傳感器；同時(shí)，因碼頭面生產(chǎn)作業(yè)的限制，傳感器安裝于面板下方（碼頭下方）。結(jié)構(gòu)段中部測(cè)點(diǎn)的傳感器為三向力平衡加速度傳感器，測(cè)量方向分別垂直岸線(xiàn)方向、平行岸線(xiàn)方向和豎向；傳感器被安裝于碼頭上方放置監(jiān)測(cè)設(shè)備的鐵箱下部。由于碼頭面上、下均為涉水環(huán)境，對(duì)于電類(lèi)的力平衡加速度傳感器應(yīng)作防水處理。因此，加速度傳感器安裝之前采用安全保護(hù)殼進(jìn)行防護(hù)（圖7），并在保護(hù)殼內(nèi)充填玻璃膠以達(dá)到防護(hù)防水功能。

2.4數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

由于無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的發(fā)展，智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的結(jié)合發(fā)展成為具有遠(yuǎn)程硬件管理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理等功能的新一代網(wǎng)絡(luò)化智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。兩者的結(jié)合可以將所有傳感器數(shù)據(jù)的采集、分析及結(jié)構(gòu)安全評(píng)估工作在遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行。這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更加有利于提高數(shù)據(jù)對(duì)象信息應(yīng)用的時(shí)效性，科研人員和工程技術(shù)人員即使不在控制現(xiàn)場(chǎng)，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化。

本文設(shè)計(jì)的高樁碼頭的數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)主要由高性能數(shù)據(jù)采集器、3G網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)分析終端組成。傳感器的數(shù)據(jù)首先通過(guò)有線(xiàn)的方式接入數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過(guò)初步的數(shù)據(jù)濾波與數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)由無(wú)線(xiàn)發(fā)射機(jī)站經(jīng)過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射到系統(tǒng)控制終端，由接收機(jī)接收數(shù)據(jù)。接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析終端處理與分析，進(jìn)而可對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)碼頭結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)論

目前，針對(duì)沿海港口碼頭健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究較少。本文根據(jù)沿海港口高樁碼頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其所處環(huán)境的特殊性，分析了沿海高樁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，提出了其健康監(jiān)測(cè)指標(biāo)，構(gòu)建了沿海高樁碼頭結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；并依托天津港某高樁碼頭前承臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段設(shè)計(jì)了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了相應(yīng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)施方案、傳感器選型及性能參數(shù)，給出了數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及相關(guān)指標(biāo)，可為沿海高樁碼頭結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

關(guān)于沿海碼頭結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)還有許多問(wèn)題需要探索研究，尤其是在碼頭結(jié)構(gòu)的整體位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)、碼頭結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別及災(zāi)變預(yù)警技術(shù)方面。這是由于碼頭的整體變位量級(jí)較小，對(duì)測(cè)量設(shè)備的精度要求較高，并且由于沿海碼頭結(jié)構(gòu)所處環(huán)境較為惡劣，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的耐久性要求較高。同時(shí)，目前缺乏對(duì)高樁碼頭結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)長(zhǎng)期性能變化的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，難以建立統(tǒng)一的碼頭結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行災(zāi)變預(yù)警。所以，沿海碼頭結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)有待更深入的研究。

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Design and implementation of health monitoring system for existing high?pile wharf structure with FBG sensors

LIU Xian?peng,LIU Hong?biao,HAN Yang,QI Guang?zheng,GUO Chang
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

The research work on health monitoring technology of wharf in coastal ports is very little at present. According to the damage characteristics of high?pile wharf in coastal ports and particular environment which it works,the mechanical properties of coastal high?pile wharf were analyzed,and the health monitoring parameters were proposed.The health monitoring system of coastal high?pile wharf was established with FBG sensors.And the appropriate structural health monitoring system was designed for standardized front segment of a high?pile wharf in the Tianjin Port.The monitoring plans were proposed,and the sensors and their technical parameters were provided to the purpose.The data acquisition and data transmission subsystem implementation plans and related technical in?dicators were given.

high?pile wharf;health monitoring;FBG;system design;wireless communication

U 656.1＋13

A

1005-8443（2016）02-0170-07

2015-03-30；

2015-07-03

交通運(yùn)輸部信息化技術(shù)研究項(xiàng)目（2013-364-224-700）；中央級(jí)科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（TKS140101，TKS130214）

劉現(xiàn)鵬(1977-)，男，河北省邢臺(tái)人，高級(jí)工程師，主要從事港工結(jié)構(gòu)材料性能及結(jié)構(gòu)加固修復(fù)技術(shù)研究。

Biography：LIU Xian?peng（1977-），male,senior engineer.