碼頭結構健康監(jiān)測關鍵技術研究

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，詳細描述了碼頭結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成，并分別從傳感器布設、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構健康監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)進行了分析和闡述。將碼頭結構健康監(jiān)測技術與信息處理技術進行融合，有效解決沿海港口碼頭健康監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理與信息應用問題，為開展碼頭結構安全隱患排查、預防提供新的技術方法，從而提升港口設施維護管理水平。

關鍵詞：碼頭結構 結構健康監(jiān)測 傳感器布設 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構設計時考慮因素欠周全，設計標準偏低，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、合理的養(yǎng)護措施、加之材料與結構的自然老化，使用環(huán)境的變化以及自然災害如地震、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、方法進行梳理，將傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫等新興信息技術引入碼頭健康監(jiān)測領域，形成具有一定可操作性的技術規(guī)范或標準，在行業(yè)內推廣應用，從而保障全國港口碼頭安全運營，促進港口經(jīng)濟科學發(fā)展。

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

碼頭結構健康監(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，南北向布置，北側與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，設計標高+5.8m（天津港理論深度基準面），為3個萬噸級泊位。碼頭建于上世紀七十年代末，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)梁板式高樁承臺結構，主要由基樁及樁帽、迭合橫梁、迭合火車板、預應力門機梁、預制靠船構件和面層等部分組成。分為10個結構段，標準段長59.5m，每個標準段包括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構，主要由基樁及樁帽、預應力間支架、預制實心板、預應力空心板和面層等構成，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構，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提出了一套數(shù)據(jù)自動采集方案，重點研究內容碼頭結構的整體變形與變位情況、基樁的傾斜情況、碼頭上部構件的撓度和扭曲情況、碼頭接岸結構基礎沖刷掏空情況、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變?yōu)殡娦盘?。由傳感器性能參?shù)，傳輸環(huán)境以及設備接口等硬件條件組成，包括位移計、應變計、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測數(shù)據(jù)的自動采集過程。包括信號采集器及相應的數(shù)據(jù)轉發(fā)設備，安裝于待測結構中，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)絡通訊的方式傳送到遠端服務器。包括網(wǎng)絡操作系統(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)，判斷結構損傷的發(fā)生、位置和程度，對結構健康狀況做出評估，發(fā)現(xiàn)異常，則發(fā)出報警信息。

傳感器布設

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

1、整體位移監(jiān)測

結構整體位移監(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，對結果進行適當修正。碼頭垂直位移監(jiān)測采用數(shù)字水準儀和一對數(shù)字水準尺進行測量。

2、構件相對位移監(jiān)測

構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合處，傳感器固定于樁帽上，基準點固定在橫梁上，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、面板應變監(jiān)測

碼頭面板的應變計主要是在面板上部有貨物堆積時監(jiān)測面板構件的應力狀態(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構安全。對碼頭面板進行監(jiān)測，防止當荷載量增大時，碼頭面板的應變量過大而出現(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變計，分別監(jiān)測橫向和縱向的最大應變量，安裝位置如圖4。

4、縱、橫梁應變監(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，最后傳導入地基。對于縱橫梁的應變監(jiān)測主要在排架橫梁和前后軌道梁上安裝應變計，對其應變量進行實時監(jiān)測，保證其處于安全的應力狀態(tài)范圍內，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)學模型計算的結構，將應變計安裝在跨中和支座位置處，通過應變計后接電纜傳輸至現(xiàn)場服務基站，安裝位置如圖5所示。endprint

5、基樁應變監(jiān)測

基樁應變監(jiān)測分為直樁應變監(jiān)測和叉樁應變監(jiān)測兩種。高樁碼頭結構的水平荷載主要由叉樁承受，叉樁應變監(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力變化狀態(tài)，防止其壓曲破壞的發(fā)生，保證碼頭結構運營的安全性?；鶚稇冇嬙O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。碼頭結構振動特性監(jiān)測的主要目的是獲取碼頭結構在環(huán)境激勵下的振動數(shù)據(jù)進行結構模態(tài)參數(shù)識別，進而通過結構的模態(tài)參數(shù)變化獲取結構結構健康狀態(tài)；同時，通過振動數(shù)據(jù)獲取碼頭結構在船舶撞擊、波浪等荷載作用下的動力放大效應。碼頭結構振動特性監(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準結構段進行整體測量，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端服務器，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端服務器。將后臺服務器的IP地址輸入設備網(wǎng)絡配置頁面，從而將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務器進行分析處理。

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，對結構健康狀況做出評估。

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)預先設定的閥值（最大應變值、最大加速度等），實現(xiàn)災變監(jiān)控預警。通過長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，獲取結構模態(tài)參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，由結構模態(tài)參數(shù)的變化判定結構的健康狀態(tài)。

結論

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學的進步，船舶設計朝大型化方向發(fā)展，隨之碼頭的建設也越來越朝專業(yè)化、復雜化、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、疲勞與突變等災害因素的耦合作用將不可避免地導致結構的損傷積累和抗力衰減，從而在極端情況下引發(fā)災難性事故。

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

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

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（作者單位：交通運輸部天津水運工程科學研究院）endprint