時(shí)閩生，劉思國，張雨雷，吳優(yōu)

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和運(yùn)維監(jiān)測(cè)已被成功地運(yùn)用在超高層建筑、高墩大跨橋梁、大直徑輸水管道等領(lǐng)域[1]，如廣州塔、深圳證券交易中心總部大樓、香港青馬大橋等的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)，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。但港工結(jié)構(gòu)健康（運(yùn)維）監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展較晚，目前國內(nèi)碼頭水工領(lǐng)域成功應(yīng)用的實(shí)例較少。

本文在天津港某通用泊位開展了高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)踐，在港口基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)與維護(hù)工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行碼頭結(jié)構(gòu)安全健康診斷與分析，建立了碼頭結(jié)構(gòu)安全健康實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)碼頭進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集；通過對(duì)不同病害監(jiān)測(cè)方法的研究與匯總，有針對(duì)性地構(gòu)建了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；通過對(duì)健康狀況判定因素的研究，明確了健康狀況判定原則；在判定因素區(qū)分不夠明顯、碼頭變更使用功能等情況下，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析并結(jié)合數(shù)值模擬分析對(duì)碼頭的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為碼頭安全運(yùn)行、科學(xué)養(yǎng)護(hù)、智能決策提供重要保障。

1 總體構(gòu)架

碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)利用現(xiàn)場(chǎng)的、無損的、實(shí)時(shí)的方式監(jiān)控結(jié)構(gòu)的行為和環(huán)境信息，對(duì)結(jié)構(gòu)可能的損傷、退化進(jìn)行診斷，對(duì)結(jié)構(gòu)的服役情況進(jìn)行智能評(píng)估，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警，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)[2-4]。TPEI碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1，具有環(huán)境識(shí)別、健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析、可視化、報(bào)警管理、專家系統(tǒng)、評(píng)估等多個(gè)模塊，集成了30多項(xiàng)的子項(xiàng)目。

圖1 碼頭健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體構(gòu)成Fig.1 The composition of wharf health monitoring system

采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為主，適當(dāng)結(jié)合人工定期巡檢的方法，全面開展碼頭健康監(jiān)測(cè)工作，并有效降低成本。監(jiān)測(cè)信息全面，為后續(xù)的預(yù)警與評(píng)估提供了更有價(jià)值的信息，最大限度地發(fā)揮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用。評(píng)估系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)預(yù)警與專家系統(tǒng)為核心形成2條數(shù)據(jù)流：1）由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集[5]與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)組成的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)流；2）由定期巡檢組成的數(shù)據(jù)流。將自動(dòng)監(jiān)測(cè)信息和人工結(jié)果集成到結(jié)構(gòu)預(yù)警與評(píng)估系統(tǒng)中，供進(jìn)一步分析與評(píng)估，保證碼頭的運(yùn)營(yíng)安全。

該自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)、采集、傳輸、數(shù)據(jù)處理、預(yù)警的功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)碼頭運(yùn)營(yíng)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控，為碼頭的維護(hù)、維修等決策提供建議，同時(shí)系統(tǒng)留有接口，可接入其他的管理平臺(tái)，便于數(shù)據(jù)共享和資源整合。

2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容的劃分

以天津港某軟土地基高樁碼頭為實(shí)例，開展了碼頭監(jiān)測(cè)的實(shí)踐研究，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包含了4個(gè)重點(diǎn)模塊，涵蓋了自動(dòng)監(jiān)測(cè)和巡查監(jiān)測(cè)等內(nèi)容。以下為具體構(gòu)成。

監(jiān)測(cè)模塊1：碼頭作業(yè)環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程識(shí)別風(fēng)速過快、極端高潮、浮冰等情況，避免在危險(xiǎn)條件下進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)。

監(jiān)測(cè)模塊2：碼頭作業(yè)運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)作業(yè)期間碼頭承受水平和豎向荷載的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，注重控制靠船力，避免超速靠船造成碼頭局部開裂和疲勞損傷，監(jiān)測(cè)局部堆放過載情況。

監(jiān)測(cè)模塊3：碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)在荷載和環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變形和變位以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的腐蝕和銹蝕情況，注重結(jié)構(gòu)整體安全。

輔助模塊4：定期巡查港口設(shè)施的使用情況、上部結(jié)構(gòu)外觀變化和附屬設(shè)施狀況等，以目測(cè)為主，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，及早采取維修、加固或預(yù)防措施。

3 健康狀態(tài)判別

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分3個(gè)類別[6]對(duì)高樁碼頭健康狀況進(jìn)行判別：自動(dòng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，定期外觀巡檢項(xiàng)目，專項(xiàng)檢查項(xiàng)目。

按下列內(nèi)容對(duì)單一或者多個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行綜合分析。

3.1 健康分析內(nèi)容

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行如下健康分析，為碼頭運(yùn)維決策提供建議。

1）碼頭使用功能降低程度評(píng)定。包括：

①碼頭結(jié)構(gòu)材料（混凝土、鋼筋等）損壞和劣化狀況[7-9]，如混凝土開裂狀況和鋼筋銹蝕程度及其原因[10]。

②結(jié)構(gòu)整體沉降、位移[11]和工程狀態(tài)。

③碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力，如樁、梁、板強(qiáng)度及變形。

2）進(jìn)行數(shù)值分析，預(yù)測(cè)碼頭結(jié)構(gòu)受力分布和變形變位等情況。

3）安全性、適用性和耐久性復(fù)核驗(yàn)算及評(píng)估，提出碼頭結(jié)構(gòu)繼續(xù)使用年限和使用條件建議。

3.2 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)論及意見處理

綜合材料劣化、結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力、結(jié)構(gòu)繼續(xù)使用年限和使用條件三方面分析結(jié)果，按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行分類或分級(jí)。

1）技術(shù)狀態(tài)分類

依據(jù)現(xiàn)行JTS 310—2013《港口設(shè)施維護(hù)技術(shù)規(guī)范》對(duì)港口主要設(shè)施技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行分類，一類、二類設(shè)施應(yīng)以保養(yǎng)和小修為主；三類設(shè)施應(yīng)中修；四類設(shè)施應(yīng)中修或大修；五類設(shè)施應(yīng)大修，或經(jīng)檢測(cè)評(píng)估后報(bào)廢、拆除。

2）安全性、使用性和耐久性分級(jí)

根據(jù)現(xiàn)行JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的安全性、使用性和耐久性分別做出分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和處理要求。

3.3 數(shù)值模擬

在判定因素區(qū)分不夠明顯、碼頭變更使用功能等情況下，可采用ANSYS、Midas、ABAQUS等軟件建立碼頭結(jié)構(gòu)三維模型，施加運(yùn)營(yíng)期實(shí)際的恒載和活載，進(jìn)行數(shù)值模擬，或施加不利工況荷載分析結(jié)構(gòu)的受力和變形情況。

4 項(xiàng)目工程實(shí)踐

某通用泊位工程為50 000噸級(jí)泊位，岸線長(zhǎng)度744 m。承臺(tái)總寬75.75 m，其中前方樁臺(tái)寬度為17.0 m，后方樁臺(tái)寬度為58.75 m，碼頭頂標(biāo)高+6.0 m，碼頭前沿水深-13.8 m，港池底標(biāo)高-12.3 m，碼頭結(jié)構(gòu)按照70 000噸級(jí)通用泊位碼頭設(shè)計(jì)，可同時(shí)?？?艘50 000噸級(jí)散貨船，設(shè)計(jì)使用年限為50 a。

典型斷面的傳感器安裝方案如圖2所示。

圖2 碼頭斷面?zhèn)鞲衅靼惭b布置圖Fig.2 Sensor installation arrangement for wharf section

通過該項(xiàng)目實(shí)踐，當(dāng)前可實(shí)現(xiàn)對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控，并具有報(bào)警功能，在偶發(fā)較大噸位船舶的撞擊時(shí)可以立即報(bào)警。部分監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的典型數(shù)據(jù)曲線如圖3～圖5所示。

圖3 典型前軌道梁作業(yè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的時(shí)程曲線Fig.3 Time history curve of stress monitoring for typical front track beam

圖4 典型梁體結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的時(shí)程曲線Fig.4 Time history curve of vibration monitoring for typical beam structure

圖5 前后樁臺(tái)相對(duì)位移監(jiān)測(cè)的時(shí)程曲線Fig.5 Time history curve of relative displacement monitoring of front and back platform

結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，再通過ANSYS建立模型對(duì)通用泊位高樁碼頭結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)極限狀態(tài)下的健康狀況進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠，為進(jìn)一步的評(píng)估建議提供參考。

5 存在的問題及改善方案

在碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，常規(guī)方案通常采取均布傳感器監(jiān)控樁、梁、板的應(yīng)力和變形的方式對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其實(shí)際應(yīng)用效果有限，且監(jiān)測(cè)成本較高，影響了碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的發(fā)展。通過碼頭健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)實(shí)踐總結(jié)，目前碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)主要存在以下限制和困難：

1）傳感器壽命與碼頭結(jié)構(gòu)壽命不匹配，氯鹽腐蝕環(huán)境影響傳感器壽命。

2）高樁碼頭主要受力構(gòu)件眾多且分布均勻，很難通過識(shí)別關(guān)鍵構(gòu)件受力情況來判別整體碼頭結(jié)構(gòu)安全情況，均布傳感器造價(jià)高昂且實(shí)際效果有限。

3）高樁碼頭結(jié)構(gòu)約束多、剛度高，振動(dòng)幅度小，不易通過振動(dòng)變化來準(zhǔn)確分析碼頭整體剛度的變化。測(cè)量的構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變實(shí)際數(shù)值較小，不利于設(shè)置閾值實(shí)現(xiàn)精確自動(dòng)報(bào)警。

針對(duì)以上問題，通過比較研究，提出以下方式加以改善：

1）采用埋入式光纖傳感器和可更換傳感器構(gòu)建傳感體系，使用碳纖、玻纖、陶瓷安裝件來提高安裝輔件壽命，以提高監(jiān)控系統(tǒng)的整體壽命。

2）采用監(jiān)控碼頭整體變形變位的方式來識(shí)別碼頭超載，通過局部變形來識(shí)別荷載突變，通過部分連接鋼筋應(yīng)力變化來識(shí)別節(jié)點(diǎn)變形變位，提升監(jiān)測(cè)工作的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際效果。

3）取消護(hù)舷等直接測(cè)力，以防止船舶碰撞和異?？坎礊橹饕较蜷_展碼頭振動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，兼顧碼頭整體的模態(tài)分析。

6 基于病害識(shí)別的方案研究

通過碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)和健康評(píng)定工作積累發(fā)現(xiàn)，高樁碼頭的整體破壞事故較少發(fā)生，且個(gè)別結(jié)構(gòu)構(gòu)件超載或破壞一般不易導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)的整體破壞。碼頭結(jié)構(gòu)喪失使用功能常常是由于典型病害造成的，例如后方土體滑移、結(jié)構(gòu)意外被撞擊、長(zhǎng)期超載使用、伸縮縫擠壓、鋼筋銹蝕保護(hù)層剝落、鋼結(jié)構(gòu)防銹蝕措施失效等情況，根據(jù)常見病害類型的特征進(jìn)行分類，針對(duì)常見病害類型開展專門的智能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，有利于提升監(jiān)測(cè)效果和降低監(jiān)測(cè)費(fèi)用投入。

匯總高樁碼頭常見病害類型及其監(jiān)測(cè)檢測(cè)項(xiàng)目解決方案，見表1。

表1 基于病害分類的碼頭結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)內(nèi)容改進(jìn)Table 1 Improvement of wharf structure monitoring content based on disease classification

6.1 弱光纖光柵陣列測(cè)量技術(shù)

對(duì)于梁、板、樁類構(gòu)件，選取少數(shù)典型的構(gòu)件，采用埋入或表貼的方式安裝拉絲同步在線刻寫工藝制造的弱光柵光纖矩陣傳感，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行長(zhǎng)距離、高密度的應(yīng)變和溫度測(cè)量?？梢杂^測(cè)混凝土構(gòu)件裂縫病害及剛度退化情況，進(jìn)而估計(jì)構(gòu)件承載力下降情況，評(píng)估構(gòu)件安全性。

在弱光纖光柵矩陣測(cè)試技術(shù)中，弱光纖光柵結(jié)合了光纖光柵（FPG）的傳感優(yōu)勢(shì)和光時(shí)域技術(shù)（OTDR）的定位優(yōu)勢(shì)，是波分和時(shí)分混合復(fù)用的解調(diào)技術(shù)，具有傳感光纖一次制備無薄弱點(diǎn)和光衰小，測(cè)試應(yīng)變范圍不小于15 000με，單通道測(cè)試點(diǎn)不小于1 000點(diǎn)的超高測(cè)試性能，在鎧裝和埋入情況下可以提供與結(jié)構(gòu)等壽命的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)性能。

6.2 植入式光柵傳感器技術(shù)

軟土地基情況下高樁碼頭樁周土體發(fā)生水平滑移，會(huì)導(dǎo)致樁帽和梁的節(jié)點(diǎn)混凝土發(fā)生破損開裂變形，影響結(jié)構(gòu)安全，這一現(xiàn)象在新建碼頭外觀檢測(cè)中偶有發(fā)生。

常規(guī)監(jiān)測(cè)方案采用測(cè)斜和傾角儀的方式存在易損壞、耐久性差、中斷數(shù)據(jù)不銜接的問題。而采取在樁帽外伸筋中植入光纖光柵（FBG）的方式可以直接監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化推斷樁體受到土體水平力，因?yàn)槭窃谥鹘钪兄踩牍饫w可以確保傳感器壽命接近于結(jié)構(gòu)壽命，便于長(zhǎng)期觀測(cè)。

植入式光纖光柵傳感器在海工領(lǐng)域使用場(chǎng)景廣泛，有利于提高傳感精度和大幅提升傳感器使用壽命[12]。

7 結(jié)語

本文對(duì)結(jié)構(gòu)智能化健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)踐研究和改進(jìn)分析，主要有：

1）提出了碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成構(gòu)架、模塊化監(jiān)測(cè)內(nèi)容劃分、健康狀態(tài)判別方法。

2）分析了當(dāng)前高樁碼頭健康監(jiān)測(cè)存在的主要技術(shù)障礙及應(yīng)對(duì)方案。

3）以高樁碼頭常見病害為切入點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)經(jīng)濟(jì)性和實(shí)效性為核心，探討了以病害識(shí)別為目標(biāo)的高樁碼頭健康監(jiān)測(cè)技術(shù)路線。

4）論證了埋入式弱光纖光柵陣列、鋼筋植入應(yīng)變光柵等新監(jiān)測(cè)方案的可行性，豐富了碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)方法。