陳靜　張翰林

摘 要：以天津港五公司22-24#泊位碼頭為依托工程，詳細(xì)描述了碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成，并分別從傳感器布設(shè)、數(shù)據(jù)通信與傳輸、數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控等三方面對碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)進行了分析和闡述。將碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)與信息處理技術(shù)進行融合，有效解決沿海港口碼頭健康監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理與信息應(yīng)用問題，為開展碼頭結(jié)構(gòu)安全隱患排查、預(yù)防提供新的技術(shù)方法，從而提升港口設(shè)施維護管理水平。

關(guān)鍵詞：碼頭結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 傳感器布設(shè) 數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)分析

碼頭的健康狀況和安全性評價是港口正常生產(chǎn)的重要保障。碼頭的設(shè)計壽命一般在30年到50年甚至更長，然而，實際使用中往往由于結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮因素欠周全，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，施工時受到材料、幾何尺寸、環(huán)境等不確定性因素的影響，營運過程中未采取科學(xué)、合理的養(yǎng)護措施、加之材料與結(jié)構(gòu)的自然老化，使用環(huán)境的變化以及自然災(zāi)害如地震、海嘯等破壞，在這些因素的共同作用下，碼頭的使用壽命受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

因此，非常有必要對港口碼頭健康監(jiān)測項目、指標(biāo)、方法進行梳理，將傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫等新興信息技術(shù)引入碼頭健康監(jiān)測領(lǐng)域，形成具有一定可操作性的技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，在行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用，從而保障全國港口碼頭安全運營，促進港口經(jīng)濟科學(xué)發(fā)展。

碼頭健康監(jiān)測是通過對結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能進行無損監(jiān)測，實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進行診斷，對結(jié)構(gòu)的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進行評估，為結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件下或使用狀況嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)組成

本研究依托工程為天津港五公司22-24#泊位碼頭。天津港五公司22～24#泊位碼頭，位于天津港三突堤西側(cè)，南北向布置，北側(cè)與21段的東無梁板區(qū)相接，南面至三突堤堤頭，全長530m，承臺總寬40.8m，設(shè)計標(biāo)高+5.8m（天津港理論深度基準(zhǔn)面），為3個萬噸級泊位。碼頭建于上世紀(jì)七十年代末，1980年12月竣工，現(xiàn)歸天津港第五港埠有限公司使用管理，如圖1。

碼頭前方承臺采用連續(xù)梁板式高樁承臺結(jié)構(gòu)，主要由基樁及樁帽、迭合橫梁、迭合火車板、預(yù)應(yīng)力門機梁、預(yù)制靠船構(gòu)件和面層等部分組成。分為10個結(jié)構(gòu)段，標(biāo)準(zhǔn)段長59.5m，每個標(biāo)準(zhǔn)段包括9個基樁排架，排架間距為7m，在沉降（伸縮）縫處樁基排架間距為3.5m。后方承臺采用簡支梁板結(jié)構(gòu)，主要由基樁及樁帽、預(yù)應(yīng)力間支架、預(yù)制實心板、預(yù)應(yīng)力空心板和面層等構(gòu)成，樁基排架數(shù)及間距同前方承臺。

由于天津港22～24#泊位碼頭為梁板式高樁碼頭為透空式結(jié)構(gòu)，檢測時需乘船進入碼頭底部進行監(jiān)測，受潮汐影響大，潮水過高或過低均不能進行正常的檢測作業(yè)，因此一個工作日中能進行現(xiàn)場檢測作業(yè)的時間非常有限。本項目基于實際情況對不同的檢測指標(biāo)提出了一套數(shù)據(jù)自動采集方案，重點研究內(nèi)容碼頭結(jié)構(gòu)的整體變形與變位情況、基樁的傾斜情況、碼頭上部構(gòu)件的撓度和扭曲情況、碼頭接岸結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷掏空情況、碼頭岸坡護坡的變形情況。

整個系統(tǒng)主要分為四個子系統(tǒng)：傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控系統(tǒng)（如圖2）。

1、傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)主要通過各種傳感器將待測的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。由傳感器性能參?shù)，傳輸環(huán)境以及設(shè)備接口等硬件條件組成，包括位移計、應(yīng)變計、信號放大器及連接界面。

2、數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)主要指的是現(xiàn)場各種類型的傳感器對應(yīng)測數(shù)據(jù)的自動采集過程。包括信號采集器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，安裝于待測結(jié)構(gòu)中，采集傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并進行初步處理。

3、數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)是通過現(xiàn)場基站將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通訊的方式傳送到遠(yuǎn)端服務(wù)器。包括網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)平臺、監(jiān)測系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的連接。

4、數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控系統(tǒng)包括高性能計算機及數(shù)據(jù)處理分析軟件。采集并處理過的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)皆摬糠?，建立碼頭三維模型對監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)進行分析，利用具備損傷診斷功能的軟硬件分析接收到的數(shù)據(jù)，判斷結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生、位置和程度，對結(jié)構(gòu)健康狀況做出評估，發(fā)現(xiàn)異常，則發(fā)出報警信息。

傳感器布設(shè)

對碼頭結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測主要包括整體位移監(jiān)測，構(gòu)件相對位移監(jiān)測，面板應(yīng)變監(jiān)測，縱、橫梁應(yīng)變監(jiān)測，基樁應(yīng)變監(jiān)測和振動特性監(jiān)測六類。

1、整體位移監(jiān)測

結(jié)構(gòu)整體位移監(jiān)測包括水平位移和垂直位移監(jiān)測。碼頭水平位移監(jiān)測采用超站儀進行多次觀測取均值，并將氣象因素加以考慮，對結(jié)果進行適當(dāng)修正。碼頭垂直位移監(jiān)測采用數(shù)字水準(zhǔn)儀和一對數(shù)字水準(zhǔn)尺進行測量。

2、構(gòu)件相對位移監(jiān)測

構(gòu)件相對位移選擇樁帽與縱、橫梁之間的相對變位。樁帽與縱、橫梁間的相對位移采用單位位移計進行測量。將傳感器安裝在梁與樁帽的結(jié)合處，傳感器固定于樁帽上，基準(zhǔn)點固定在橫梁上，每個交叉點安裝兩個傳感器，分別針對兩邊梁與樁帽之間的相對位移進行測量，如圖3所示。

3、面板應(yīng)變監(jiān)測

碼頭面板的應(yīng)變計主要是在面板上部有貨物堆積時監(jiān)測面板構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，防止面板出現(xiàn)受拉超限破壞，進而影響到碼頭的整體結(jié)構(gòu)安全。對碼頭面板進行監(jiān)測，防止當(dāng)荷載量增大時，碼頭面板的應(yīng)變量過大而出現(xiàn)裂痕，從而出現(xiàn)的安全隱患。在碼頭面板下方中心位置安裝相互垂直的兩支振弦式應(yīng)變計，分別監(jiān)測橫向和縱向的最大應(yīng)變量，安裝位置如圖4。

4、縱、橫梁應(yīng)變監(jiān)測

碼頭上部的載荷通過面板傳遞到縱梁、橫梁，再通過縱、橫梁傳遞至每個基樁上，最后傳導(dǎo)入地基。對于縱橫梁的應(yīng)變監(jiān)測主要在排架橫梁和前后軌道梁上安裝應(yīng)變計，對其應(yīng)變量進行實時監(jiān)測，保證其處于安全的應(yīng)力狀態(tài)范圍內(nèi)，防止發(fā)生縱、橫梁過度受拉出現(xiàn)損壞，保證碼頭的安全運行。根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算的結(jié)構(gòu)，將應(yīng)變計安裝在跨中和支座位置處，通過應(yīng)變計后接電纜傳輸至現(xiàn)場服務(wù)基站，安裝位置如圖5所示。endprint

5、基樁應(yīng)變監(jiān)測

基樁應(yīng)變監(jiān)測分為直樁應(yīng)變監(jiān)測和叉樁應(yīng)變監(jiān)測兩種。高樁碼頭結(jié)構(gòu)的水平荷載主要由叉樁承受，叉樁應(yīng)變監(jiān)測主要目的是監(jiān)測叉樁在壓彎狀態(tài)下根部的應(yīng)力狀態(tài)，防止叉樁在水平荷載過大情況下的彎剪破壞；直樁應(yīng)變監(jiān)測的目的是監(jiān)測豎向荷載及水平荷載共同影響下的應(yīng)力變化狀態(tài)，防止其壓曲破壞的發(fā)生，保證碼頭結(jié)構(gòu)運營的安全性?；鶚稇?yīng)變計設(shè)計安裝在樁帽以下約0.5m的位置，沿基樁中軸線方向，在基樁對稱面或垂直面布置，每根樁布置兩支應(yīng)變計，如圖6所示。

6、振動特性監(jiān)測

引起碼頭振動的激勵源有多種，如波浪、船舶撞擊、地震等。碼頭結(jié)構(gòu)振動特性監(jiān)測的主要目的是獲取碼頭結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵下的振動數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別，進而通過結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)變化獲取結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)；同時，通過振動數(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力放大效應(yīng)。碼頭結(jié)構(gòu)振動特性監(jiān)測采用加速傳感器，選取能代表碼頭整體振動情況的一標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段進行整體測量，在其中選擇5個測量位置，每個測量點放置兩支傳感器，兩支傳感器交叉安裝（一支平行碼頭方向，另一支垂直碼頭方向），以測量平行碼頭和垂直碼頭兩個方向的振動量。

數(shù)據(jù)通信與傳輸

數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)主要由現(xiàn)場基站和網(wǎng)通通訊設(shè)備兩部分組成，兩者相連將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)的方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)端服務(wù)器，示意圖如圖7。

將基站模塊通過焊接等手段裝入基站箱中，組成現(xiàn)場基站，并與傳感器線纜相連接，組成了數(shù)據(jù)采集的終端。

用串口線將現(xiàn)場基站與數(shù)據(jù)通信模塊相連，在數(shù)據(jù)通信模塊內(nèi)部加入數(shù)據(jù)推送地址，通過TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端服務(wù)器。將后臺服務(wù)器的IP地址輸入設(shè)備網(wǎng)絡(luò)配置頁面，從而將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器進行分析處理。

數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控

數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控系統(tǒng)包括高性能計算機及分析軟件，采集并處理過的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)皆撓到y(tǒng)，利用具備損傷診斷功能的軟硬件分析接收到的數(shù)據(jù)，判斷損傷的發(fā)生、位置和程度，對結(jié)構(gòu)健康狀況做出評估。

通過采用自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及自動報警系統(tǒng)，實現(xiàn)碼頭健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閥值（最大應(yīng)變值、最大加速度等），實現(xiàn)災(zāi)變監(jiān)控預(yù)警。通過長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，獲取結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，由結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化判定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。

結(jié)論

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)的進步，船舶設(shè)計朝大型化方向發(fā)展，隨之碼頭的建設(shè)也越來越朝專業(yè)化、復(fù)雜化、大型化方向發(fā)展，這些碼頭動輒數(shù)萬噸級，目前已經(jīng)有沿海港口建設(shè)了可停泊30萬噸級甚至40萬噸級超大型船舶的大型碼頭。碼頭的設(shè)計使用壽命一般為30年到50年，由于碼頭常年處于沿海惡劣的環(huán)境下，海水侵蝕、材料老化、荷載的長期效應(yīng)、疲勞與突變等災(zāi)害因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷積累和抗力衰減，從而在極端情況下引發(fā)災(zāi)難性事故。

為了保障碼頭的安全、可靠，許多在役碼頭急需要采取有效手段進行健康監(jiān)測，并評定其安全狀況。碼頭健康監(jiān)測是通過對結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能進行無損監(jiān)測，實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進行診斷，對結(jié)構(gòu)的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進行評估，為結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件下或使用狀況嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

將碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)與信息處理技術(shù)進行融合，有效解決沿海港口碼頭健康監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理與信息應(yīng)用問題，為開展碼頭結(jié)構(gòu)安全隱患排查、預(yù)防提供新的技術(shù)方法，從而提升港口設(shè)施維護管理水平。

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（作者單位：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院）endprint