基于光纖Bragg光柵傳感器的現役高樁碼頭結構健康監測系統設計與實施

劉現鵬，劉紅彪，韓 陽，齊廣政，郭 暢

（交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津300456）

基于光纖Bragg光柵傳感器的現役高樁碼頭結構健康監測系統設計與實施

劉現鵬，劉紅彪，韓 陽，齊廣政，郭 暢

（交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津300456）

目前，針對沿海港口碼頭健康監測技術的研究較少。文章根據沿海港口高樁碼頭結構特點及其所處環境的特殊性，分析了沿海高樁碼頭結構的受力特點，提出了高樁碼頭結構的健康監測指標，構建了基于光纖光柵傳感器的沿海高樁碼頭結構的健康監測系統；并依托天津港某高樁碼頭前承臺的標準結構段設計了相應的結構健康監測系統，提出了相應監測的實施方案、傳感器選型及性能參數，給出了數據采集與傳輸子系統的實現技術及相關指標。

高樁碼頭；健康監測；FBG；系統設計；無線傳輸

碼頭是供船舶靠泊、貨物裝卸及旅客上下的水工建筑物，是港口最重要的基礎設施之一。由于碼頭擔負著大宗貨物裝卸及流通任務，碼頭結構健康狀況直接關系到船舶靠泊和貨物裝卸作業的安全，及時了解碼頭結構的安全狀態是保證港口安全運營生產的關鍵。但是，由于碼頭所處的海洋環境復雜而惡劣，碼頭結構在承受較大使用荷載的同時，還經受著如土體、海浪、海流、海冰、潮汐以及臺風、地震、船舶等荷載的作用，在惡劣的環境條件下，碼頭結構極易發生破損現象，導致結構整體抗力降低；再加之混凝土材料的自然老化、人為等因素的共同作用，碼頭結構的安全狀態及使用壽命受到了嚴重影響。調查表明，我國港工結構一般建成8～12 a就出現鋼筋銹蝕、混凝土開裂破壞現象，這對碼頭的使用安全性造成了較大影響。如浙江省某10萬t級礦石碼頭不到10 a就需進行腐蝕修補；我國南部沿海幾十座服役3～25 a的碼頭，因鋼筋銹蝕造成的破損普遍存在，有的僅使用3～7即出現順筋開裂，嚴重影響碼頭的承載能力。

高樁碼頭是碼頭結構的主要型式之一，被廣泛應用于軟土地基上的碼頭建設，在我國社會經濟發展活躍的渤海灣沿岸、蘇北沿海、長江口、杭州灣、閩江口、珠江口和海南島西北部等沿海地區應用十分廣泛。但在高樁碼頭使用過程中，軟土地基的變形量較大，尤其是土體側向變形過大會造成碼頭樁基承受的水平荷載過大，從而導致水平變位過大時，樁梁節點發生破壞，進而影響碼頭的承載力；隨著土體蠕變的進一步加劇，碼頭的側向位移進一步增加，在使用荷載作用下，碼頭結構會額外承受由于碼頭側移而引起的附加彎矩，進一步加劇結構構件和節點的破壞，甚至整體結構發生傾覆，嚴重影響碼頭的安全生產。所以，針對高樁碼頭結構安全狀態的實時監測是十分必要的。

由于測試系統、數據處理技術以及數據傳輸技術的進步，長期的結構健康監測成為評估結構安全性能的重要手段。長期的健康監測系統已被成功地運用在超高層建筑、高墩大跨橋梁、大直徑輸水管道、沿海碼頭等領域，如在廣州塔［1-2］、深圳證券交易中心總部大樓［3］、香港的青馬大橋［4-5］、以及大連新港30萬t級原油碼頭的沉箱式靠船墩上的長期健康監測系統［6］，這些健康監測系統可為相應結構的安全運行保駕護航。所以，在高樁碼頭結構上布設長期健康監測系統對其運行狀態進行實時監測，對保障碼頭的安全生產具有重要意義。

基于光纖Bragg光柵（FBG）的光纖光柵傳感器因其體積小、精度高、抗電磁干擾強、防水性、耐腐蝕、耐久性好等優點，正逐漸取代傳統的電類傳感器，被廣泛應用于建筑、橋梁、水壩、海洋平臺、碼頭等土木工程結構測試中［7］。加拿大通信研究中心的Hill［8］等人于1978年發明了世界上第一根光纖Bragg光柵（FBG）。Pro?haska等人［9］于1993年首次采用光纖Bragg光柵應變傳感器測試大型混凝土結構的應變，由此引起國內外學者對光纖光柵傳感器在土木工程結構中應用的廣泛關注。后期，光纖光柵傳感器在橋梁、建筑等結構的健康監測系統中得到了應用［10-11］，并得到了較大發展。港口工程結構健康監測技術發展較晚，隨著交通運輸業的發展，基于光纖光柵傳感器的結構健康監測技術被逐漸運用到了碼頭結構及附屬設施的安全監測方面，如大連港某油碼頭沉箱采用了基于光纖Bragg光柵的光纖傳感器對其外壁、底板等部位的應力及溫度進行了長期監測［6，12］；祁耀斌等人采用光纖光柵傳感器為大型海上浮吊臂桁架結構設計并建立了實時健康監測系統，監測其工作狀態時的安全性并及時進行結構安全評估［13］。

目前，結構長期健康監測系統在沿海高樁碼頭結構上的應用較少。本文的主要目的是根據高樁碼頭的結構特點，采用光纖光柵傳感器構建高樁碼頭結構的長期健康監測系統，并針對天津港某高樁碼頭的一個結構段提出監測系統的實施方案，以此建立高樁碼頭結構的長期健康監測系統的設計方法。該研究對指導高樁碼頭結構健康監測系統的建設，推動沿海港口碼頭長期健康監測技術的發展均具有重要意義。

1 高樁碼頭結構健康監測指標分析

高樁碼頭主要由上部結構、樁基和碼頭設備組成。梁板式高樁碼頭按照作用荷載的不同，分為前承臺和后承臺兩部分；前方承臺由面板、橫梁、軌道梁、樁帽、樁、靠船構件等構成，主要用于貨物的裝、卸載及貨物流通。由于前承臺受到門機荷載、流動機械荷載、貨物堆載以及船舶撞擊力、系纜力、擠靠力等多種外力的共同作用，受力情況復雜，尤其是船舶撞擊極易造成碼頭結構的樁基破損或斷樁，嚴重影響碼頭的安全性。并且，海洋環境的氯離子侵蝕極易導致鋼筋混凝土構件的鋼筋銹蝕、混凝土開裂，造成結構的耐久性降低。隨著損傷的積累，碼頭結構極易發生面板垮塌、梁體斷裂、結構整體傾斜，甚至結構整體傾覆，造成重大的安全事故。

根據以上結構的破壞特征，高樁碼頭結構設計及碼頭檢測評估中，重點關注的物理量主要有碼頭結構的整體變位、樁基應力、橫梁應力、軌道梁應力、面板應力、岸坡變形及橫梁與樁帽的相對位移等。由于高樁碼頭多建于軟土地基上，軟土地基的變形量大，極易造成碼頭結構整體傾斜、構件塌落，甚至結構傾覆，造成巨大的人員傷亡和財產損失。由此，高樁碼頭結構健康監測指標可大致分為三類，即位移、應變和結構動力特征。位移主要是指碼頭結構的整體變位，其中應包括結構的橫向變位和豎向變位。應變主要是指碼頭結構各關鍵構件的應變狀態，關鍵構件應包含樁基、橫梁、軌道梁、縱梁、面板等；由于關鍵構件的安全狀態可反應整體結構的安全狀態，通過對這些構件的應變監測，可實時了解碼頭結構關鍵構件的安全狀態，確保碼頭生產安全。碼頭結構整體動力特征主要是指結構的模態信息，即結構的固有頻率、振型和阻尼比；結構的動力特征變化可反應結構整體的健康狀態變化，通過對結構動力特征的長期監測，分析結構動力特征的時變規律，可確定結構的損傷狀態及損傷位置，這點在高層建筑、大跨橋梁等領域的結構識別研究中已得到驗證［14-16］，并在許多實際結構的健康監測系統中得到應用。在上述三類監測指標中，位移和應變是直接反映結構安全狀態的指標，可直觀反映結構和構件的安全狀態，對結構損傷敏感有效。結構動力特征是結構的固有特性，但由于結構固有頻率的變化對結構損傷程度不敏感，且振型、阻尼比及應變模態難以精確測量，導致以結構動力特征變化判定結構損傷的方法應用受到限制。針對結構動力特征的監測數據，應通過模型修正與系統識別法、遺傳算法、小波分析法、神經網絡法等方法進行數據處理分析，基于數據分析判定結構的損傷狀態和位置。所以，碼頭整體結構的動力特征是碼頭結構安全監測的一類間接監測指標。

2 現役高樁碼頭結構健康監測系統方案

隨著水運行業的發展，大型高樁碼頭結構不斷被建設，碼頭結構的實時安全狀態越來越受到重視，建設適于沿海高樁碼頭結構的長期健康監測系統需求迫切。但沿海港口碼頭結構多處于惡劣的海水環境中，海水環境及其強腐蝕性，對健康監測系統中傳感器設備的耐久性及防水性提出了較高的要求。根據高樁碼頭結構的特點、荷載效應規律及其所處環境的特殊性，提出適于沿海港口碼頭結構的健康監測系統及相關實施方案是十分必要的。

2.1健康監測系統構成

結構健康監測系統一般包括傳感器子系統，數據采集、傳輸與處理子系統，損傷識別、安全評估及災變預警子系統以及數據管理子系統。根據高樁碼頭結構所處環境的特殊性及相關監測指標，并考慮監測系統方案實施的可行性，將高樁碼頭結構的健康監測系統設計為傳感器子系統、數據采集子系統、無線傳輸子系統、數據處理分析與預警子系統，具體詳見圖1。

圖1 健康監測系統構成圖Fig.1Health monitoring system of high?pile wharf

本文針對天津港某高樁碼頭前承臺結構設計長期健康監測系統方案，著重對傳感器子系統及數據采集與傳輸子系統進行研究。重點分析傳感器的選型及布置方案、數據采集系統的參數要求及數據傳輸的實現方式。最終，給出整個健康監測系統的實現技術及相關指標。

2.2依托工程概況

本文設計的碼頭結構健康監測系統位于天津港某高樁碼頭前方承臺的一標準結構段上（框選部分）。該碼頭改造竣工于2000年，系高樁碼頭結構，前方承臺為梁板式樁臺結構，由面板、橫梁、軌道梁、樁帽、樁、靠船構件等構成，各構件安裝就位后各連接節點采用現澆混凝土澆筑以保證連接的可靠性。前方承臺標準結構段長59.5 m，排架間距7.0 m，共9個排架，碼頭斷面見圖2所示，其中，叉樁與直樁均采用截面650 mm×650 mm的預應力混凝土空心方樁，樁體均采用C50混凝土預制，其他構件均采用C45混凝土制作。

圖2 碼頭斷面圖Fig.2Cross section of wharf

此高樁碼頭結構的健康監測系統的監測內容包括三部分，即結構的位移監測、結構構件的應變監測及結構整體動力特征監測。其中，位移監測的指標為縱、橫梁與樁帽之間的相對位移；碼頭結構構件的應變監測指標有樁基應力、橫梁應力、軌道梁應力、面板應力；碼頭結構的動力特征監測指標主要指結構的模態信息，即結構的整體頻率、振型及阻尼比。

為了了解碼頭結構在水平荷載作用下的荷載效應，根據監測結構段的技術參數，采用有限元建模的方式，計算結構在水平荷載作用的荷載效應。模型建模時，樁-土相互作用中的土體部分采用彈簧替代，水平彈簧剛度采用m計算得到，豎向彈簧剛度采用溫克爾理論計算得到。荷載選擇船舶靠泊時的撞擊力。為了獲取碼頭結構荷載效應分布狀態，撞擊力等效為靜力的方式加載，其中結構樁基的彎矩分布圖見圖3所示。根據彎矩分布圖可知，反彎點以上部分樁基的最大彎矩處于樁頂位置。因此，樁基應力監測位置應選擇在樁頂的一定范圍內。并根據結構力學知識可知，面板、橫梁、軌道梁的應力監測應選擇跨中位置。

圖3 有限元模型及彎矩分布圖Fig.3Finite element model of wharf structure and bending moment curve of piles

為了了解被監測碼頭結構的動力特征，獲取碼頭結構固有振動頻率范圍及振型狀態，按照上述靜力計算模型及相同的約束條件，采用ABAQUS有限元軟件對被測結構段進行了模態計算，獲取了結構的固有振動頻率信息及振型形態，具體如圖4所示。由計算結果可知，結構的一階縱向、一階橫向及一階扭轉的固有頻率分別為0.510 Hz、2.675 Hz及2.546 Hz。由此可以判斷，結構縱向剛度較橫向小，振動薄弱方向為縱向，在外界激勵作用下，結構縱向一階振動更易被激起。因此，結構動力特性監測時，結構縱向方向應配備加速度傳感器。同時，結構段的一階扭轉頻率位于一階縱向振動頻率和一階橫向振動頻率之間，因此，結構扭轉振動頻率也必須監測。

圖4 碼頭結構的模態計算結果Fig.4Modal results of wharf structure

2.3傳感器選型及布置方案

碼頭結構所處的海洋環境特點為涉水性及強腐蝕性。傳統的電類傳感器在強腐蝕性的海水環境中不容易成活，其適用性受到限制。因此，選擇基于光纖Bragg光柵的光纖光柵傳感器，此類傳感器具有不怕水、耐腐蝕性強等的優勢，相對于電類傳感器，光纖光柵傳感器在港口工程結構健康監測方面具有更廣闊的應用空間。

圖5 光纖Bragg光柵的工作示意圖Fig.5Working principle of fiber Bragg grating（FBG）

表1 傳感器參數Tab.1Properties of sensors

光纖Bragg光柵是利用一定的寫入技術在裸光纖的一段范圍內寫入具有周期性折射率的芯體光柵，屬于反射型光柵和短周期光柵。此類光柵對寬光譜入射光中特定波長的光具有反射能力，其他波長的光全部透射，Bragg光柵的工作示意圖如圖5所示，其中反射光的波長滿足下式式中：λ為FBG反射光中心波長（布拉格波長，nm）；Λ為光柵周期，nm；neff為光纖有效折射率；m為衍射級數，一般取1.0。

由于光纖光柵在外界溫度或者應力的作用下，折射率和光柵周期會發生改變，導致Bragg波長發生變化。因此，通過分析Bragg波長的變化即可得出測點的溫度或應變。本文設計的高樁碼頭結構健康監測系統中的應變監測均采用光纖光柵表面式應變傳感器；并且，環境溫度監測及橫梁與樁帽之間的相對位移監測均采用光纖光柵式的傳感器，即光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵相對位移傳感器，其中傳感器的技術參數見表1所示。

圖6 樁基應變傳感器布置示意圖Fig.6Sketch of fiber Bragg grating（FBG）strain?sensor of piles

由于結構構件某位置的應變是關系到此處是否發生破壞的最直接量值，因此構件應變監測的傳感器布置位置應位于構件荷載作用效應最大的位置。由此，碼頭結構樁基應變監測的傳感器位置選擇在樁帽以下800 mm的位置處，布置示意圖見圖6所示；軌道梁、橫梁應變監測的傳感器位置位于其跨中。為了防止海洋生物、漂浮物等因素對光纖光柵傳感器的破壞，采用不銹鋼外殼進行兩層保護；傳輸光纜采用透明膠管保護，安裝方式見圖7所示。梁與樁帽的相對位移監測所采用的光纖光柵相對位移傳感器固定端安裝于樁帽上，安裝方法與電類LVDT（Linear Variable Differential Trans?former）位移傳感器類似。光纖光柵溫度傳感器安裝時直接與光纖光柵應變傳感器串聯，傳感器采用無約束的方式直接安放于不銹鋼保護殼內部，用于環境溫度的監測。

圖7 傳感器及監測設備安裝圖Fig.7Installation of sensors and monitoring equipment

碼頭結構整體性態監測即碼頭結構的振動特性監測，其目的是獲取碼頭結構在環境激勵下的振動數據進行結構模態參數識別，進而通過結構的模態參數變化獲取結構健康狀態；同時，通過振動數據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。由于高樁碼頭結構的一階自振頻率為0.510 Hz左右，屬于柔性結構，因此，結構動力特征監測所采用的傳感器采用力平衡加速度傳感器，技術指標見表1所示。傳感器分別布置于結構段的兩翼和中部位置，共計3個測點。在結構段兩翼的兩個測點位置，沿垂直岸線方向分別布置一個單向的力平衡加速度傳感器；同時，因碼頭面生產作業的限制，傳感器安裝于面板下方（碼頭下方）。結構段中部測點的傳感器為三向力平衡加速度傳感器，測量方向分別垂直岸線方向、平行岸線方向和豎向；傳感器被安裝于碼頭上方放置監測設備的鐵箱下部。由于碼頭面上、下均為涉水環境，對于電類的力平衡加速度傳感器應作防水處理。因此，加速度傳感器安裝之前采用安全保護殼進行防護（圖7），并在保護殼內充填玻璃膠以達到防護防水功能。

2.4數據采集與傳輸系統

由于無線傳輸技術的發展，智能健康監測系統與網絡通訊技術的結合發展成為具有遠程硬件管理、遠程數據管理等功能的新一代網絡化智能健康監測系統。兩者的結合可以將所有傳感器數據的采集、分析及結構安全評估工作在遠程的計算機終端進行。這種結構系統更加有利于提高數據對象信息應用的時效性，科研人員和工程技術人員即使不在控制現場，也可以通過網絡隨時了解現場的監測系統運行情況及監測數據的實時變化。

本文設計的高樁碼頭的數據采集及傳輸系統主要由高性能數據采集器、3G網絡及數據分析終端組成。傳感器的數據首先通過有線的方式接入數據采集器，經過初步的數據濾波與數據處理后，經由無線發射機站經過3G網絡發射到系統控制終端，由接收機接收數據。接收到的數據經過分析終端處理與分析，進而可對碼頭結構的狀態進行評估，實現碼頭結構的健康監測。

3 結論

目前，針對沿海港口碼頭健康監測技術的研究較少。本文根據沿海港口高樁碼頭結構特點及其所處環境的特殊性，分析了沿海高樁結構的受力特點，提出了其健康監測指標，構建了沿海高樁碼頭結構的健康監測系統；并依托天津港某高樁碼頭前承臺的標準結構段設計了相應的結構健康監測系統，提出了相應監測指標的實施方案、傳感器選型及性能參數，給出了數據采集與傳輸子系統的實現技術及相關指標，可為沿海高樁碼頭結構的長期健康監測系統建設提供參考。

關于沿海碼頭結構的健康監測還有許多問題需要探索研究，尤其是在碼頭結構的整體位移自動監測、碼頭結構的損傷識別及災變預警技術方面。這是由于碼頭的整體變位量級較小，對測量設備的精度要求較高，并且由于沿海碼頭結構所處環境較為惡劣，對監測設備的耐久性要求較高。同時，目前缺乏對高樁碼頭結構使用年限內長期性能變化的系統認識，難以建立統一的碼頭結構狀態評估標準對其進行災變預警。所以，沿海碼頭結構的健康監測技術有待更深入的研究。

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Design and implementation of health monitoring system for existing high?pile wharf structure with FBG sensors

LIU Xian?peng,LIU Hong?biao,HAN Yang,QI Guang?zheng,GUO Chang
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

The research work on health monitoring technology of wharf in coastal ports is very little at present. According to the damage characteristics of high?pile wharf in coastal ports and particular environment which it works,the mechanical properties of coastal high?pile wharf were analyzed,and the health monitoring parameters were proposed.The health monitoring system of coastal high?pile wharf was established with FBG sensors.And the appropriate structural health monitoring system was designed for standardized front segment of a high?pile wharf in the Tianjin Port.The monitoring plans were proposed,and the sensors and their technical parameters were provided to the purpose.The data acquisition and data transmission subsystem implementation plans and related technical in?dicators were given.

high?pile wharf;health monitoring;FBG;system design;wireless communication

U 656.1＋13

A

1005-8443（2016）02-0170-07

2015-03-30；

2015-07-03

交通運輸部信息化技術研究項目（2013-364-224-700）；中央級科研院所基本科研業務費（TKS140101，TKS130214）

劉現鵬(1977-)，男，河北省邢臺人，高級工程師，主要從事港工結構材料性能及結構加固修復技術研究。

Biography：LIU Xian?peng（1977-），male,senior engineer.