懸索橋健康監(jiān)測實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用

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）

0 引 言

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，橋梁測試技術(shù)也不斷更新迭代，其中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(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)測實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型。該模型完整展示了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，豐富了“橋梁實(shí)驗(yàn)與檢測”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。

1 工程背景

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230 m，中跨跨徑132 m，橋?qū)?2 m。該橋自1987年竣工以來，在長期運(yùn)營中出現(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)測系統(tǒng)，利用現(xiàn)場部署的傳感器，對(duì)橋梁受力、變形以及環(huán)境等展開監(jiān)測，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、前沿實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐課程的教學(xué)案例之一。

2 橋梁結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

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簡化與健康監(jiān)測無關(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

3 模型橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕喜渴鸾Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，針對(duì)模型橋各項(xiàng)監(jiān)測指標(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)行簡化，選用了表面應(yīng)變計(jì)、表面測斜儀、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)測值的值域范圍，并通過數(shù)據(jù)判斷出變化趨勢，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)測值達(dá)到限值的時(shí)候發(fā)出預(yù)警信息。

3.2 系統(tǒng)安裝

在模型橋上安裝健康監(jiān)測系統(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，布置各類傳感器共計(jì)16支。

圖4 健康監(jiān)測傳感器布置圖

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)測系統(tǒng)框圖

3.3 系統(tǒng)功能

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)測數(shù)據(jù)顯示與對(duì)比分析

4 教學(xué)應(yīng)用

利用橋梁健康監(jiān)測實(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”本科生課程為例，設(shè)計(jì)橋梁健康監(jiān)測的教學(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)工況和測試參數(shù)，采集監(jiān)測數(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)測項(xiàng)目理論變形值。通過對(duì)實(shí)測數(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)測項(xiàng)目的分級(jí)閾值，設(shè)定橋梁各監(jiān)測指標(biāo)的預(yù)警值。

圖10 模型橋三維有限元計(jì)算模型

5 結(jié) 語

基于實(shí)橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實(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)。