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        碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究

        2015-04-13 15:05:46陳靜張翰林
        中國水運(yùn) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)分析

        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(shí)現(xiàn)進(jìn)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(jìn)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(hù)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(jià)是港口正常生產(chǎn)的重要保障。碼頭的設(shè)計(jì)壽命一般在30年到50年甚至更長,然而,實(shí)際使用中往往由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮因素欠周全,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低,施工時(shí)受到材料、幾何尺寸、環(huán)境等不確定性因素的影響,營運(yùn)過程中未采取科學(xué)、合理的養(yǎng)護(hù)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(xiàng)目、指標(biāo)、方法進(jìn)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(yùn)營,促進(jìn)港口經(jīng)濟(jì)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(jìn)行無損監(jiān)測,實(shí)時(shí)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(jìn)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(jìn)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(shí)觸發(fā)預(yù)警信號,為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護(hù)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(tái)總寬40.8m,設(shè)計(jì)標(biāo)高+5.8m(天津港理論深度基準(zhǔn)面),為3個(gè)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(tái)采用連續(xù)梁板式高樁承臺(tái)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(jī)梁、預(yù)制靠船構(gòu)件和面層等部分組成。分為10個(gè)結(jié)構(gòu)段,標(biāo)準(zhǔn)段長59.5m,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段包括9個(gè)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(tái)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(shí)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(tái)。

        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(shí)需乘船進(jìn)入碼頭底部進(jìn)行監(jiān)測,受潮汐影響大,潮水過高或過低均不能進(jìn)行正常的檢測作業(yè),因此一個(gè)工作日中能進(jìn)行現(xiàn)場檢測作業(yè)的時(shí)間非常有限。本項(xiàng)目基于實(shí)際情況對不同的檢測指標(biāo)提出了一套數(shù)據(jù)自動(dòng)采集方案,重點(diǎn)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(hù)坡的變形情況。

        整個(gè)系統(tǒng)主要分為四個(gè)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(jì)、應(yīng)變計(jì)、信號放大器及連接界面。

        2、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)

        數(shù)據(jù)自動(dòng)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(dòng)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(jìn)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(tái)、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(jì)算機(jī)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)皆摬糠郑⒋a頭三維模型對監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(bào)警信息。

        傳感器布設(shè)

        對碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dòng)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(jìn)行多次觀測取均值,并將氣象因素加以考慮,對結(jié)果進(jìn)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(jìn)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(jì)進(jìn)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(diǎn)固定在橫梁上,每個(gè)交叉點(diǎn)安裝兩個(gè)傳感器,分別針對兩邊梁與樁帽之間的相對位移進(jìn)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(jì)主要是在面板上部有貨物堆積時(shí)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(jìn)而影響到碼頭的整體結(jié)構(gòu)安全。對碼頭面板進(jìn)行監(jiān)測,防止當(dāng)荷載量增大時(shí),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(jì),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(gè)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(jì),對其應(yīng)變量進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yùn)行。根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算的結(jié)構(gòu),將應(yīng)變計(jì)安裝在跨中和支座位置處,通過應(yīng)變計(jì)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(yùn)營的安全性?;鶚稇?yīng)變計(jì)設(shè)計(jì)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(jì),如圖6所示。

        6、振動(dòng)特性監(jiān)測

        引起碼頭振動(dòng)的激勵(lì)源有多種,如波浪、船舶撞擊、地震等。碼頭結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(lì)下的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別,進(jìn)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(shí),通過振動(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)。碼頭結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性監(jiān)測采用加速傳感器,選取能代表碼頭整體振動(dòng)情況的一標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段進(jìn)行整體測量,在其中選擇5個(gè)測量位置,每個(gè)測量點(diǎn)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(gè)方向的振動(dòng)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(tái)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(jìn)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(jì)算機(jī)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(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)碼頭健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步,船舶設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)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(jìn)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(jìn)行無損監(jiān)測,實(shí)時(shí)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(jìn)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(jìn)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(shí)觸發(fā)預(yù)警信號,為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護(hù)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(jìn)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(hù)管理水平。

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        (作者單位:交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院)endprint

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