張仁宏

(中鐵二十局集團第四工程有限公司 山東青島 266061)

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的進程不斷推進，高鐵逐漸成為當(dāng)下最重要的交通方式之一，并且高鐵的建設(shè)腳步仍然向著更安全、更可靠的目標(biāo)邁進[1-3]。在這一目標(biāo)下，開展高質(zhì)量的高鐵箱梁施工和制造成為不可或缺的重要環(huán)節(jié)[4-5]。靜載試驗作為評估箱梁養(yǎng)護成型后抗裂性能和剛度的重要手段，通過抽檢一定數(shù)量高鐵箱梁進行靜載試驗，可以有效地掌握箱梁投入使用后的工作狀態(tài)，并利用監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷箱梁的安全性和耐久性是否符合設(shè)計要求和正常受力狀態(tài)[6-9]。因此科學(xué)規(guī)范地完成箱梁的靜載試驗，并獲得準(zhǔn)確有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[10-12]。

另一方面，隨著傳感技術(shù)、無線通訊技術(shù)以及云計算技術(shù)的逐漸普及，結(jié)構(gòu)的監(jiān)測和控制變得越來越智能化和便捷化。利用智能傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，實時感知結(jié)構(gòu)內(nèi)部多種物理量的變化過程，并利用通訊系統(tǒng)和云平臺技術(shù)搭建與之對應(yīng)的智能監(jiān)測集成系統(tǒng)，方便管理人員掌握橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)及工作狀態(tài)，并對異常的變化和危險的信號做出預(yù)警。結(jié)構(gòu)監(jiān)測和控制系統(tǒng)的發(fā)展，對于建設(shè)現(xiàn)代化高鐵強國具有十分重要的意義。

在上述兩個背景下，本文以箱梁靜載試驗為研究對象，結(jié)合智能監(jiān)控系統(tǒng)的搭建技術(shù)，自主建立了一套可以對高鐵箱梁的靜載試驗過程進行監(jiān)測的智能系統(tǒng)。用戶通過登錄監(jiān)測軟件客戶端，可以對靜載試驗過程中，梁體內(nèi)部變形和鋼絞線的張拉力進行實時的監(jiān)測。該智能監(jiān)控系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)越性，確保靜載試驗數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性的前提下，減少相應(yīng)技術(shù)人員的投入，對于推動箱梁的生產(chǎn)效率和高鐵的建設(shè)進程，具有一定的參考價值。

2 靜載試驗的相關(guān)介紹

2.1 箱梁的主要參數(shù)

本文以在制梁場中蒸養(yǎng)制造的高鐵箱梁為研究對象。如圖1所示，箱梁的跨度為31.5 m，高度為2.624 m，頂板寬度為7.1 m，底板寬度為3.2 m。箱梁的橫截面尺寸從跨中區(qū)域到兩端是逐漸加大的，頂板中間區(qū)域的厚度為0.262 m，頂板端部區(qū)域的最大厚度為0.462 m，底板中間區(qū)域的厚度為0.25 m，底板端部區(qū)域最大厚度為0.6 m。

圖1 箱梁截面的幾何尺寸

2.2 靜載試驗的加載及監(jiān)測方案

靜載試驗是評估箱梁養(yǎng)護成型后抗裂性能和剛度的重要手段，抽檢一定數(shù)量高鐵箱梁進行靜載試驗，可以有效地掌握箱梁投入使用后的工作狀態(tài)，對本文研發(fā)的新型智能箱梁新產(chǎn)品進行靜載試驗，可以檢驗傳感器的埋入以及智能傳感網(wǎng)絡(luò)的建立是否影響到箱梁的生產(chǎn)質(zhì)量；也可以檢驗本套高鐵箱梁智能監(jiān)測系統(tǒng)在運營期的可行性。

如圖2所示，為箱梁靜載試驗的現(xiàn)場布設(shè)情況。對于高鐵箱梁的靜載試驗分為1.0級加載和1.2級加載，通過反力千斤頂實現(xiàn)荷載的施加。如圖3所示，加載點布設(shè)在間距為4 m的5個關(guān)鍵截面，每個截面沿截面中心線對稱布設(shè)2個加載點。

圖2 靜載試驗的現(xiàn)場情況

圖3 靜載試驗加載點布設(shè)方案

3 智能監(jiān)測系統(tǒng)的搭建

智能監(jiān)測集成系統(tǒng)需要集成多類傳感器，針對靜載試驗，本文布設(shè)了用于監(jiān)測梁內(nèi)的三向應(yīng)變傳感器和鋼絞線張拉力傳感器，然后基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計了一套方便用戶遠程監(jiān)控的集成系統(tǒng)，用于實時掌握箱梁靜載試驗的情況。本套監(jiān)測集成系統(tǒng)較好地保證了數(shù)據(jù)的采集、傳輸、展示和存儲，并且還需要與高鐵蒸養(yǎng)箱梁的實際工程情況牢牢結(jié)合，不影響箱梁靜載試驗的正常施工情況。

3.1 智能監(jiān)測系統(tǒng)的搭建思路

首先進行監(jiān)測系統(tǒng)的前期調(diào)研，主要分為3個方面:

第一個方面:進行傳感器種類的調(diào)研，總結(jié)市場已有傳感器的種類和使用范圍，根據(jù)高鐵蒸養(yǎng)的靜載試驗過程，考慮每一類傳感器的耐久性和安裝布設(shè)方式的適用性。

第二個方面:信號傳輸方式的調(diào)研，考慮現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器之間的信號傳遞的可靠性、穩(wěn)定性、傳輸范圍以及信號的傳輸效率。

第三個方面:根據(jù)高鐵箱梁的靜載試驗情況，掌握和總結(jié)靜載試驗的施工工藝和工作環(huán)境，并根據(jù)實際構(gòu)件的尺寸等因素，確定現(xiàn)場試驗所需要監(jiān)測的關(guān)鍵截面和關(guān)鍵點?；谏鲜鋈齻€方面的調(diào)研，最終確定了本套監(jiān)測集成系統(tǒng)所選用的傳感器的類型和數(shù)量、信號傳輸?shù)姆绞胶途€路以及監(jiān)測截面和監(jiān)測點的選取。

基于上述三個方面，進行監(jiān)測集成系統(tǒng)的設(shè)計和規(guī)劃，主要分為兩個部分的規(guī)劃，第一個是硬件部分:本套監(jiān)測集成系統(tǒng)最終選擇箱梁內(nèi)部混凝土三向應(yīng)力傳感器和鋼絞線張拉傳感器，規(guī)劃每一類傳感器的布設(shè)以及相應(yīng)采集和傳輸硬件設(shè)備的布設(shè)。第二個是軟件部分:本套監(jiān)測集成系統(tǒng)通過展示界面客戶端，向用戶展示本套監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容和相關(guān)數(shù)據(jù)。為了方便用戶使用，本套監(jiān)測集成系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計包含以下幾個方面，用戶界面設(shè)計、數(shù)據(jù)顯示設(shè)計、數(shù)據(jù)采集集成、數(shù)據(jù)采集控制以及語言的設(shè)置。

3.2 智能監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分

針對箱梁內(nèi)三向應(yīng)變和鋼絞線張拉力的監(jiān)測，本文選用的傳感器屬于光纖光柵類傳感器，該類傳感器抗干擾能力強并且耐久性好，可以在惡劣的土木工程施工環(huán)境下使用。其次，根據(jù)實際工程的情況，可以將光纖光柵類傳感器串聯(lián)，大大簡化了傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸線路，提高了施工現(xiàn)場的布設(shè)效率，節(jié)約了經(jīng)濟成本。

本文所使用的光纖光柵應(yīng)變傳感器的主要物理參數(shù)為:量程為 -1 500～3 000 με，分辨率為 ±1 με，線性度為99.9%，中心波長為1 528～1 568 nm，光柵測點的反射率為≥90%，光纖光柵應(yīng)變傳感器的安裝方式為埋入式，其工作溫度范圍為-30～+80℃。

箱梁內(nèi)混凝土應(yīng)變傳感器的計算如式(1)所示:

式中，λε為應(yīng)變傳感器的輸出波長(nm)；為應(yīng)變傳感器的初始波長(nm)；λt為溫度補償光纖測量波長(nm)；為溫度補償光柵的初始波長(nm)；a為溫度補償光柵溫度靈敏度系數(shù)(nm/℃)；b為應(yīng)變光纖溫度系數(shù)(nm/℃)；kε為應(yīng)變一次項系數(shù)(nm/με)。

針對鋼絞線張拉力的監(jiān)測，本文使用的是多測點智能鋼絞線，智能鋼絞線代替普通鋼絞線承擔(dān)荷載的同時，還能對自身張拉力進行感知。智能鋼絞線的具體制作方法為:第一步，利用光刻機在一根裸光纖上刻出多個光柵的測點，形成一根含有多光柵測點的光纖。第二步，把刻好的光纖和中間鋼絞線的鋼絲粘在一起。第三步，將上一步制作好的中心鋼絲與邊絲扭絞成型，并在端部將原本的裸光柵從端口拉出，然后用中空的藍色保護凱線反套在光纖外側(cè)，節(jié)點處固定封裝。本文鋼絞線張拉力傳感器的主要物理參數(shù)為:量程為-1 500～3 000 με，分辨率為 ±1 με，線性度為99.9%，中心波長為1 528～1 568 nm，光柵測點的反射率為≥90%，工作溫度范圍為-30～+80℃。

鋼絞線測點張拉力的具體計算如式(2)所示:

式中，F(xiàn)為測點處的張拉力(kN)；λF為智能鋼絞線光柵測點輸出波長(nm)；為沒有張拉力狀態(tài)下對應(yīng)的波長(nm)；A為智能鋼絞線的截面面積(mm2)；E為智能鋼絞線的彈性模量(MPa)；kF為張拉力傳感器的換算系數(shù)(nm/με)。

3.3 智能監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分

在上述現(xiàn)場傳感器布設(shè)的基礎(chǔ)上，本文搭建了與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，并采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的模式，搭建了基于云平臺的高鐵箱梁靜載試驗的監(jiān)測集成系統(tǒng)。如圖4所示，本文為用戶提供一個實時進行監(jiān)測數(shù)據(jù)訪問的入口，用戶可以通過人機交互的展示界面，實時查看箱梁內(nèi)各種傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外，可以選擇時間段，進行歷史數(shù)據(jù)的訪問，并且系統(tǒng)會根據(jù)所選的時間段自動生成歷史數(shù)據(jù)的可視化曲線。

圖4 智能監(jiān)測系統(tǒng)展示界面

監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的便捷性。該監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲不同于傳統(tǒng)的人為操作觸發(fā)存儲，首先在監(jiān)測系統(tǒng)提前設(shè)置好各類傳感器的采樣頻率，然后在無人力資源投入的情況下，監(jiān)測系統(tǒng)會根據(jù)采樣頻率進行24 h不間斷存儲相關(guān)的數(shù)據(jù)。并且數(shù)據(jù)存儲時，會根據(jù)采集時間和傳感器類型標(biāo)號進行分類存儲。

具有先進性原則，使用基于云平臺的管理模式，采集設(shè)備的通信接口基于TCP/IP協(xié)議，利用4G網(wǎng)絡(luò)的通信方式建立與云平臺的聯(lián)系。云平臺是以最少的管理開銷，完成自動化迅速配置資源。

利用智能傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，實時感知與梁體蒸養(yǎng)質(zhì)量有關(guān)的多種物理量的監(jiān)測，并利用通訊系統(tǒng)和云平臺技術(shù)搭建與之對應(yīng)的蒸養(yǎng)箱梁智能監(jiān)測集成系統(tǒng)，使監(jiān)測更加智能，使用更加方便，具有很廣的應(yīng)用前景。

具有強大的云計算功能，云平臺的核心交換集群采用的是兩臺高端交換設(shè)備進行虛擬化的集群，整個云平臺由控制節(jié)點、對象存儲網(wǎng)關(guān)節(jié)點、計算和分布式存儲節(jié)點以及對象存儲節(jié)點組成。云平臺作為該監(jiān)測集成系統(tǒng)的支撐層，用于處理和計算所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)進行長期存儲管理。

4 靜載試驗監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 箱梁體內(nèi)應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果展示

針對箱梁體內(nèi)荷載應(yīng)變的監(jiān)測，選擇荷載最大的、最具有代表性的跨中截面作為關(guān)鍵截面進行分析。在跨中截面，分別取底板和頂板的中心位置作為關(guān)鍵點進行數(shù)據(jù)分析，底板的中心點記作點A，頂板的中心點記作點B。

在箱梁1.0級和1.2級的靜載試驗中，由各測點的應(yīng)變荷載曲線可以看出，應(yīng)變與荷載的變化趨勢基本相同，并且沒有出現(xiàn)應(yīng)變突然增長或突然減小的情況，由此可見箱梁的混凝土未發(fā)生開裂失效的情況，處于彈性工作狀態(tài)。在現(xiàn)場試驗過程中，通過人工進行箱梁外表觀測，觀測結(jié)果顯示:靜載試驗過程中梁體未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力裂縫，工作性能和狀態(tài)沒有受到影響。

如圖5所示，底板中心A測點的豎向應(yīng)變、橫向應(yīng)變和軸向應(yīng)變分別呈現(xiàn)壓應(yīng)變、壓應(yīng)變和拉應(yīng)變，符合受彎構(gòu)件三向受力特征。加載過程中未出現(xiàn)明顯的突變現(xiàn)象。在1.0級靜載試驗下，橫向、豎向和軸向最大應(yīng)變分別為 -24.17 με、-31.56 με和216.36 με；在1.2級靜載試驗下，橫向、豎向和軸向最大應(yīng)變分別為 -31.63 με、-41.30 με 和283.15 με。

圖5 A點應(yīng)變隨時間的變化關(guān)系

如圖6所示，B測點的豎向應(yīng)變、橫向應(yīng)變和軸向應(yīng)變分別呈現(xiàn)拉應(yīng)變、拉應(yīng)變和壓應(yīng)變，符合受彎構(gòu)件三向受力特征。加載過程中未出現(xiàn)明顯的突變現(xiàn)象。在1.0級靜載試驗下，橫向、豎向和軸向最大應(yīng)變分別為 28.49 με、24.63 με 和 -105.99 με；在1.2級靜載試驗下，橫向、豎向和軸向最大應(yīng)變分別為 37.29 με、32.23 με 和 -138.72 με。

圖6 B點應(yīng)變隨時間的變化關(guān)系

4.2 箱梁體內(nèi)應(yīng)變監(jiān)測準(zhǔn)確性分析

根據(jù)4.1節(jié)的現(xiàn)場試驗結(jié)果可知，箱梁在靜載試驗期間處于彈性工作階段，因此荷載與應(yīng)變近似呈現(xiàn)線性關(guān)系，本文利用origin軟件對各測點的荷載應(yīng)變曲線進行線性分析，線性擬合后的關(guān)系式和相關(guān)系數(shù)如下所示。

如式(3)～(5)，分別為A測點橫向、豎向和軸向應(yīng)變荷載，在1.0級靜活載作用下的擬合結(jié)果。

式中，ε為測點處的應(yīng)變值(με)；L為靜載試驗的荷載施加值(kN)；R為擬合的相關(guān)系數(shù)。

如式(6)～(8)，分別為A測點橫向、豎向和軸向應(yīng)變荷載，在1.2級靜活載作用下的擬合結(jié)果。

針對A測點，在1.0級靜活載作用下，其橫向、豎向以及軸向的相關(guān)系數(shù)R值分別為:0.973、0.965和0.951。在1.2級靜活載作用下，其橫向、豎向以及軸向的相關(guān)系數(shù)R值分別為:0.963、0.969和0.958。相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，證實了監(jiān)測系統(tǒng)得到結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

如式(9)～(11)，分別為B測點橫向、豎向和軸向應(yīng)變荷載，在1.0級靜活載作用下的擬合結(jié)果。

如式(12)～(14)，分別為B測點橫向、豎向和軸向應(yīng)變荷載，在1.2級靜活載作用下的擬合結(jié)果。

針對B測點，在1.0級靜活載作用下，其橫向、豎向以及軸向的相關(guān)性R值分別為:0.967、0.961和0.955。在1.2級靜活載作用下，其橫向、豎向以及軸向的相關(guān)性R值分別為:0.966、0.962和0.954。相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，證實了監(jiān)測系統(tǒng)得到結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

4.3 鋼絞線張拉力監(jiān)測結(jié)果

在箱梁1.0級和1.2級的靜載試驗中，各測點的張拉力與荷載的變化趨勢基本相同，并且沒有出現(xiàn)張拉力突然劇變的情況，由此可見箱梁的鋼絞線未發(fā)生屈服斷裂的情況，一直處于彈性工作狀態(tài)。

由于篇幅的限制，針對鋼絞線張拉力的監(jiān)測，僅選擇兩個對稱的測點進行結(jié)果分析。如圖7所示，在1.0級靜載試驗下，左右測點的最大張拉力分別為0.934 5 kN和0.860 8 kN；在1.2級靜載試驗下，左右測點的最大張拉力分別為1.223 0 kN和1.126 6 kN。

圖7 鋼絞線張拉力隨時間的變化關(guān)系

4.4 鋼絞線張拉力監(jiān)測準(zhǔn)確性分析

式中，F(xiàn)為鋼絞線測點處的張拉力(kN)；L為靜載試驗的荷載施加值(kN)；R為擬合的相關(guān)系數(shù)。

如式(15)和(16)，分別為在1.0級和1.2級靜活載作用下，鋼絞線張拉力和外荷載的擬合結(jié)果。在1.0級靜活載作用下，相關(guān)性R值為0.962；在1.2級靜活載作用下，相關(guān)性R值為0.967。相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，證實了監(jiān)測系統(tǒng)得到結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 總結(jié)

針對高鐵箱梁的靜載試驗，本文建立了相應(yīng)的智能監(jiān)控系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了該智能監(jiān)控系統(tǒng)的組成、性能和監(jiān)測結(jié)果。主要得到以下結(jié)論:

(1)建立的監(jiān)控系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地監(jiān)測靜載試驗過程中箱梁體內(nèi)的應(yīng)變。對跨中截面的A和B兩個測點的數(shù)據(jù)進行分析，可以看出測點的受力符合受彎構(gòu)件三向受力特征，并且各點的應(yīng)變曲線與荷載變化曲線呈現(xiàn)較為一致的變化趨勢，構(gòu)件未發(fā)生失效破壞，并處于彈性工作階段。將監(jiān)測結(jié)果與理論值進行擬合分析，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，證實了監(jiān)測系統(tǒng)得到結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

(2)靜載試驗過程中鋼絞線張拉力，可以被監(jiān)控系統(tǒng)及時準(zhǔn)確地獲取。在靜載試驗1.0級和1.2級試驗中，鋼絞線張拉力的變化趨勢與荷載變化基本相同，并且鋼絞線未發(fā)生應(yīng)力突變和斷絲的情況，一直處于彈性工作階段。將監(jiān)測結(jié)果與理論值進行擬合分析可以得出:1.0級加載，相關(guān)性R值為0.962；1.2級加載，相關(guān)性R值為0.967，對比結(jié)果證實了監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

(3)針對箱梁靜載試驗的監(jiān)測，搭建的監(jiān)測系統(tǒng)可以及時準(zhǔn)確地獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果也反映了監(jiān)測系統(tǒng)在現(xiàn)場布設(shè)的傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)沒有對梁體的質(zhì)量和靜載工藝產(chǎn)生影響。對于推動箱梁的生產(chǎn)效率和高鐵的建設(shè)進程，具有一定的參考價值。