覃 暉, 耿鐵鎖, 譚巖斌, 王 騫, 邱文亮, 馮 琪
(1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧大連116024;2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南寧530007)
土木工程是一門工程與技術(shù)相結(jié)合的學(xué)科,具有極強(qiáng)的實(shí)踐性[1]。隨著新時(shí)代我國(guó)高等教育改革的不斷深入,對(duì)土木工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提出了更高要求,實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在課程體系中的比重也進(jìn)一步加大[2-4]。
橋梁實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)課程是我校橋梁專業(yè)重要的專業(yè)實(shí)踐課程之一,通過實(shí)踐教學(xué)將課堂理論知識(shí)具體化,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神[5]。隨著土木工程學(xué)科不斷發(fā)展,橋梁測(cè)試技術(shù)也不斷更新迭代,其中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅猛發(fā)展,已成為橋梁工程重要的研究領(lǐng)域之一[6-7]。但傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法卻相對(duì)落后,無法反映橋梁測(cè)試的前沿科技,不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[8]。為此,將最新的科研成果和工程案例引入實(shí)踐教學(xué)課堂,轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源,是一個(gè)可行的解決思路[9-11]。
依托我校橋梁與隧道工程國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室[12],結(jié)合大連市北大橋加固改造工程案例,設(shè)計(jì)并制作了懸索橋健康監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型。該模型完整展示了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),豐富了“橋梁實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)”課程的教學(xué)資源,使學(xué)生加深了對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工作原理與實(shí)施過程的理解,對(duì)改善教學(xué)效果、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力具有積極作用。
大連市北大橋?yàn)榇筮B市濱海風(fēng)景區(qū)的著名風(fēng)景點(diǎn)之一(見圖1),為三跨地錨式懸索橋,全長(zhǎng)230 m,中跨跨徑132 m,橋?qū)?2 m。該橋自1987年竣工以來,在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)橋面下沉、纜索銹蝕等諸多病害,對(duì)橋梁的正常使用和結(jié)構(gòu)安全造成危害。2015年底對(duì)全橋進(jìn)行了全面檢測(cè)和加固改造,恢復(fù)橋梁的正常使用功能[13]。
圖1 北大橋全景
為掌握橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài),確保該橋的長(zhǎng)期安全運(yùn)行,在此次改造工程中加入了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),利用現(xiàn)場(chǎng)部署的傳感器,對(duì)橋梁受力、變形以及環(huán)境等展開監(jiān)測(cè),通過數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和應(yīng)用,實(shí)時(shí)反饋橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況。
北大橋健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目涵蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)變、主纜索力、吊桿索力、橋塔位移、橋體振動(dòng)、主梁撓度、環(huán)境雨量、風(fēng)速風(fēng)向、環(huán)境溫濕度、車輛荷載稱重等,部署各類監(jiān)測(cè)傳感器共計(jì)243支。截至目前,該系統(tǒng)已連續(xù)運(yùn)行5年,采集了大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),為橋梁運(yùn)維提供了依據(jù)。同時(shí),北大橋及其健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也已成為我校土木工程專業(yè)學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、橋梁實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)、前沿實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐課程的教學(xué)案例之一。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求,使學(xué)生了解懸索橋的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn),掌握橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)要求,具備基本的數(shù)據(jù)處理和分析能力,實(shí)驗(yàn)?zāi)P驮O(shè)計(jì)遵循的原則是:①模型須體現(xiàn)原橋的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn);②模型尺寸須滿足傳感器布設(shè)要求和實(shí)驗(yàn)室的容納條件;③簡(jiǎn)化與健康監(jiān)測(cè)無關(guān)的非結(jié)構(gòu)部件;④美觀大方。
橋梁實(shí)驗(yàn)?zāi)P驮O(shè)計(jì)如圖2所示,模型橋全長(zhǎng)12.14 m(中跨7.14 m、邊跨2.5 m)、主梁寬1.1 m、橋塔高1.95 m。主梁和橋臺(tái)采用C40混凝土,橋塔采用C50混凝土制作,底板縱向筋與箍筋采用φ12 mm鋼筋,其余均采用φ5 mm低碳鋼絲,保護(hù)層厚度10 mm。主纜共2根,每根主纜由1根φ14 mm的鋼絲繩組成,兩端錨頭、索夾采用成品配套鋼夾具。吊桿共126根,采用φ4 mm不銹鋼鋼絲繩制作,吊索索夾采用配套夾具,下端采用成品錨具鋼絲繩穿過后固定。
圖2 模型橋設(shè)計(jì)圖(m)
該模型橋制作共使用混凝土2.6 m3、φ14 mm鋼絲繩28 m、φ4 mm不銹鋼鋼絲繩71 m,以及相應(yīng)配套材料若干。主體結(jié)構(gòu)制作完成后,采用15 mm厚細(xì)木工板制作人行道,并對(duì)主塔、橋墩、主梁、橋臺(tái)全部涂刷氟碳漆防腐。模型制作完成后如圖3所示。
圖3 模型橋外觀
在實(shí)驗(yàn)?zāi)P蜕喜渴鸾Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),針對(duì)模型橋各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集、實(shí)時(shí)傳輸、遠(yuǎn)程查看、實(shí)時(shí)預(yù)警等功能。
模型健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由感知層、通信層、數(shù)據(jù)層、計(jì)算層和應(yīng)用層組成,具體為傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理與控制、安全評(píng)價(jià)和預(yù)警子系統(tǒng),通過各個(gè)層相互協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能[15]。各子系統(tǒng)功能如下:
(1)傳感器子系統(tǒng)。傳感器子系統(tǒng)是整個(gè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分,通過各類傳感器,感知結(jié)構(gòu)的受力、變形等指標(biāo)。模型傳感器子系統(tǒng)參照實(shí)橋傳感器子系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化,選用了表面應(yīng)變計(jì)、表面測(cè)斜儀、壓差式撓度計(jì)、裂縫計(jì)、振動(dòng)傳感器、溫濕度計(jì)等6類傳感器。
(2)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)將傳感器測(cè)量得到的結(jié)構(gòu)自身和環(huán)境條件變化處理成數(shù)字信號(hào),根據(jù)各類傳感器的工作方式不同,使用了振弦采集儀、振動(dòng)采集儀、磁通量集儀等3類采集設(shè)備。
(3)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊(DTU)進(jìn)行傳輸,依靠成熟的4G網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)可以快速組建數(shù)據(jù)通信,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
(4)數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)。對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng)傳輸來的原始數(shù)據(jù)資料,由數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步地處理和分析,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、校驗(yàn)、查詢、可視化等處理。
(5)安全評(píng)價(jià)和預(yù)警子系統(tǒng)。安全評(píng)價(jià)和預(yù)警子系統(tǒng)的主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確定監(jiān)測(cè)值的值域范圍,并通過數(shù)據(jù)判斷出變化趨勢(shì),在遇到突發(fā)狀況的時(shí)候,能夠提前判斷結(jié)構(gòu)各種狀況,在監(jiān)測(cè)值達(dá)到限值的時(shí)候發(fā)出預(yù)警信息。
在模型橋上安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),傳感器布置如圖4所示,對(duì)橋塔傾斜、主梁應(yīng)變、主梁撓度、橋體振動(dòng)、伸縮縫變形以及環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè),布置各類傳感器共計(jì)16支。
圖4 健康監(jiān)測(cè)傳感器布置圖
在模型橋南北兩側(cè)分別設(shè)置采集箱,采集箱內(nèi)安裝供電、數(shù)據(jù)采集儀以及無線傳輸模塊。各傳感器通過數(shù)據(jù)線連接至相應(yīng)的采集儀,再由無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端數(shù)據(jù)庫,最后通過軟件系統(tǒng)訪問云端數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和分析應(yīng)用,系統(tǒng)組成如圖5所示。
圖5 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖
在任意有網(wǎng)絡(luò)訪問的地方,打開瀏覽器,訪問數(shù)據(jù)平臺(tái)地址,輸入用戶名和密碼,即可登錄系統(tǒng)查看數(shù)據(jù),如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)登錄界面
進(jìn)入系統(tǒng)后,可看到模型橋所在的地理信息系統(tǒng)(GIS)地圖位置,如圖7所示。GIS地圖有3種展現(xiàn)形式,分別為二維、三維地圖和衛(wèi)星地圖。點(diǎn)擊右上角的下拉框可以切換,3種方式還可混合展示。
圖7 模型橋GIS定位
點(diǎn)擊GIS地圖上的結(jié)構(gòu)物圖標(biāo),即鏈接到該結(jié)構(gòu)物頁面中,如圖8所示。該頁面可以查看模型橋的結(jié)構(gòu)信息、傳感器布置和狀態(tài)、結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)和預(yù)警信息等。
圖8 模型橋健康狀態(tài)
點(diǎn)擊左側(cè)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)可查看各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),如圖9所示。系統(tǒng)默認(rèn)采集頻率為每0.5 h一次,也可根據(jù)需要任意調(diào)整。系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)對(duì)比分析功能,可任意查看不同時(shí)間、不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。
圖9 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示與對(duì)比分析
利用橋梁健康監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型,使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)能夠看得見、摸得著,加深了對(duì)工程問題的理解;同時(shí)也使教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有的放矢,做到理論聯(lián)系實(shí)際。
基于該模型,可設(shè)計(jì)不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,達(dá)到分層次教學(xué)、因材施教的目的。以“橋梁實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)”本科生課程為例,設(shè)計(jì)橋梁健康監(jiān)測(cè)的教學(xué)過程如下:
(1)教師講授。講解懸索橋的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn),以及橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理和設(shè)計(jì)原則。
(2)教師演示實(shí)驗(yàn)。演示傳感器布置和安裝方法、數(shù)據(jù)采集和傳輸方式、軟件功能和操作流程以及歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示分析。
(3)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。4人1組,開展不同工況的測(cè)試,典型工況包括:用質(zhì)量塊對(duì)主模型橋主梁進(jìn)行縱向靜力加載,觀測(cè)主梁撓度、應(yīng)變值的變化規(guī)律;用激振器對(duì)模型橋進(jìn)行動(dòng)力加載,觀測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)的變化特點(diǎn)等。
(4)數(shù)據(jù)分析。各組學(xué)生記錄本組實(shí)驗(yàn)工況和測(cè)試參數(shù),采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并展開分析,對(duì)比理論計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性,完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
除此之外,還可以針對(duì)研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)具有一定理論深度的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如,對(duì)模型橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算模擬,建立空間模型(見圖10),得出各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目理論變形值。通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,與理論值進(jìn)行對(duì)比,分析橋面荷載狀況,得出各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的分級(jí)閾值,設(shè)定橋梁各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的預(yù)警值。
圖10 模型橋三維有限元計(jì)算模型
基于實(shí)橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),設(shè)計(jì)了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),由懸索橋結(jié)構(gòu)模型以及針對(duì)模型橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。利用該模型可開展多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué),為學(xué)生直觀展示橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)便能深入接觸和實(shí)際應(yīng)用橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),利用該系統(tǒng)獲取各種外部荷載和環(huán)境作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù),加深對(duì)結(jié)構(gòu)受力特性和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理的理解和掌握。將該模型應(yīng)用于橋梁專業(yè)實(shí)踐課程,促進(jìn)了理論知識(shí)與工程實(shí)踐的結(jié)合,激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)探索的熱情,培養(yǎng)了學(xué)生的科研能力和專業(yè)素養(yǎng)。