橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

馮唐政， 任 亮， 宋鋼兵

(1.大連理工大學(xué) 土木水利實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,遼寧 大連 116023;2.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

0 引 言

橋梁是地面交通的樞紐和咽喉，標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)水平[1]。橋梁結(jié)構(gòu)的使用期長(zhǎng)達(dá)幾十年甚至上百年，在長(zhǎng)期服役期內(nèi)其結(jié)構(gòu)是否保持安全狀態(tài)成為人們關(guān)心的問題[2-3]。因此，需要對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，及時(shí)評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的性能變化，在結(jié)構(gòu)發(fā)生災(zāi)變以前進(jìn)行預(yù)警從而采取相應(yīng)措施[4]。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是指利用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損傳感技術(shù)，通過包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達(dá)到監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的[5-9]。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及諸多學(xué)科，單純依靠課堂教學(xué)難以讓學(xué)生系統(tǒng)掌握其構(gòu)成，更談不上對(duì)其深刻的理解[10]。因此有必要開展實(shí)驗(yàn)性教學(xué)，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)讓學(xué)生深入理解橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)方法。

實(shí)驗(yàn)性教學(xué)旨在使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與專業(yè)理論科學(xué)研究接軌，將最新的科研成果以實(shí)驗(yàn)課堂的形式傳授給學(xué)生，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)歷與科研工作相似的過程[11-12]。開發(fā)研究性、探索性教學(xué)實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，是當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)重要方面。目前光纖技術(shù)[13]、傳感器技術(shù)[14]、磁共振技術(shù)[15]等現(xiàn)代科研手段已經(jīng)被各高校引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中[16]。但目前國(guó)內(nèi)高校缺乏關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

本文詳細(xì)介紹了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)各部分組成和功能，并給出了教學(xué)平臺(tái)的軟硬件構(gòu)建方法。基于教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行橋梁模型負(fù)載實(shí)驗(yàn)，得到不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)并通過加速度傳感器得到結(jié)構(gòu)的基頻。實(shí)踐教學(xué)結(jié)果表明,該教學(xué)平臺(tái)具有直觀簡(jiǎn)潔的演示和教學(xué)效果，能夠讓學(xué)生快速了解橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和實(shí)現(xiàn)方法。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)組成

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)原則為最大程度地再現(xiàn)實(shí)際工程中橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各組成部分，讓學(xué)生全面深入地了解橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)際工程中，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)、狀態(tài)評(píng)估與安全預(yù)警子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。因此，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)依據(jù)這4個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)建。

1.1 傳感器子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)荷載和荷載效應(yīng)信息主要通過傳感器子系統(tǒng)進(jìn)行感知。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)而言，最常見的荷載為車輛荷載，最主要的荷載效應(yīng)信息為索力、應(yīng)力和振動(dòng)。因此，傳感器子系統(tǒng)主要包括應(yīng)變傳感器、索力傳感器、加速度傳感器和力傳感器。

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)感知的結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)信息需要通過數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)進(jìn)行采集和處理。數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩部分，硬件部分主要是指光纖光柵類傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)備和電類傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)備；軟件部分主要是指與硬件相互配合工作的數(shù)據(jù)采集和處理程序。

1.3 狀態(tài)評(píng)估與安全預(yù)警子系統(tǒng)

采集到的數(shù)據(jù)需要通過狀態(tài)評(píng)估與安全預(yù)警子系統(tǒng)才能形成決策依據(jù)。狀態(tài)評(píng)估與安全預(yù)警子系統(tǒng)通常由損傷識(shí)別軟件、結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估軟件和預(yù)警設(shè)備組成[4]。該子系統(tǒng)基于實(shí)采數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)做出及時(shí)準(zhǔn)確的評(píng)估，并在結(jié)構(gòu)發(fā)生災(zāi)變以前發(fā)出預(yù)警信息，提前采取相應(yīng)措施。

1.4 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)主要指數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，它承擔(dān)著結(jié)構(gòu)建造信息、監(jiān)測(cè)信息和分析結(jié)果等全部數(shù)據(jù)管理功能。MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)因其小巧、功能齊全、查詢快捷等優(yōu)點(diǎn)而比較適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理工作。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)例

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要由下承式拱橋模型、各類型傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、健康監(jiān)測(cè)軟件等組成。下承式拱橋長(zhǎng)度約為155 cm，高度約為27 cm，圖1所示為下承式拱橋模型圖。傳感器包括布設(shè)在橋面板上面的應(yīng)變傳感器，布設(shè)在拉索上面的索力傳感器，布設(shè)在橋梁拱頂處的加速度傳感器和布設(shè)在橋頭處的力傳感器。數(shù)據(jù)采集設(shè)備和監(jiān)測(cè)軟件使用自主開發(fā)的光電同步解調(diào)儀器和橋梁健康監(jiān)測(cè)軟件。傳感器通過光電同步綜合解調(diào)儀和軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析處理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。

圖1 下承式拱橋模型

2.1 應(yīng)變傳感器

應(yīng)變傳感器使用自主開發(fā)的低溫敏型光纖光柵應(yīng)變傳感器，該傳感器在封裝工藝中使用一種特殊的負(fù)膨脹材料，使其具備低溫敏效果而無(wú)需額外的溫度補(bǔ)償，圖2所示為其實(shí)物圖。低溫敏型光纖光柵應(yīng)變傳感器因?yàn)轶w積小、安裝方便、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中已經(jīng)得到大量運(yùn)用。在下承式拱橋模型跨中和兩端位置各布置1個(gè)低溫敏型光纖光柵應(yīng)變傳感器以監(jiān)測(cè)橋面板在荷載作用下的應(yīng)變響應(yīng)。

2.2 索力傳感器

基于光纖光柵傳感技術(shù)的索力傳感器具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。圖3所示為光纖光柵索力傳感器，該傳感器通過測(cè)量索的應(yīng)變間接地實(shí)現(xiàn)索力的測(cè)量。

圖2 低溫敏型光纖光柵應(yīng)變傳感器

2.3 加速度傳感器

壓電式加速度傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。圖4所示為加速度傳感器實(shí)物圖，該傳感器為單向測(cè)振，密封性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，靈敏度為100 mV/g，分辨率為0.2 mg，量程為50 g。

2.4 力傳感器

壓阻式力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而制成，其體積較小、精度較高且安裝方便，比較適用于橋梁模型的荷載監(jiān)測(cè)。圖5所示為力傳感器實(shí)物圖，其量程為200 N，靈敏度為10 mV/N。

圖4 加速度傳感器

2.5 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用自行研制開發(fā)的光電同步綜合解調(diào)儀。該設(shè)備光纖光柵解調(diào)部分具備15通道同步采集，解調(diào)精度為1 pm，采樣頻率為5 Hz；電類解調(diào)部分具有32通道同步采集，采樣率為1.2×103S/s，分辨率為24 bit。圖6所示為光電同步綜合解調(diào)儀實(shí)物圖。

圖6 光電同步綜合解調(diào)儀

2.6 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)軟件

基于LabVIEW平臺(tái)自主編譯橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)軟件，光電同步綜合解調(diào)儀結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)軟件搭建起數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，使系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)通信、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、3維模型展示、閾值報(bào)警和數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)等功能。圖7、8所示為軟件界面,三維模型橋面板上綠色部分代表應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置,并在橋頭位置處設(shè)有一稱重平臺(tái)。

圖7 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)軟件界面

圖8 橋梁3維模型界面

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于該教學(xué)平臺(tái)開展橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過重卡模型車模擬橋梁行車荷載，并逐級(jí)增加重卡模型車負(fù)重以模擬不同工況，觀察橋梁結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)變和索力響應(yīng)，共進(jìn)行3組不同工況的實(shí)驗(yàn)，工況1～3的負(fù)載質(zhì)量分別為:383、842、1 360 g。同時(shí)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施加初始激勵(lì)，通過加速度傳感器測(cè)出其自由振動(dòng)響應(yīng)，并進(jìn)行頻譜分析得到其結(jié)構(gòu)基頻。

3.1 應(yīng)變和索力監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖9所示為工況1的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)結(jié)果，隨著重卡模型車在橋面板上行進(jìn)，布設(shè)在橋面板上不同位置的傳感器依次出現(xiàn)較大幅度的應(yīng)變變化，證明該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備良好的實(shí)時(shí)響應(yīng)效果。

圖9 工況1應(yīng)變響應(yīng)結(jié)果

圖10所示為不同工況下索力響應(yīng)結(jié)果，索力隨著橋梁負(fù)載的增加而隨之增加。圖11所示為橋梁三維模型圖，橋面板上綠色部分代表應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，顏色深度的不同代表應(yīng)力水平的大小，圖中紅色部分則說明該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力水平已超過報(bào)警閾值，需采取相應(yīng)處理措施以維護(hù)結(jié)構(gòu)安全；右側(cè)橋頭處有稱重臺(tái)模型，其顏色的深淺代表著車輛荷載的大小。

圖10 索力監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖11 橋梁三維模型

3.2 加速度監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)橋梁模型施加一初始激勵(lì)，通過加速度傳感器監(jiān)測(cè)其在自由振動(dòng)狀態(tài)下振動(dòng)響應(yīng)，圖12所示為橋梁模型在自由振動(dòng)狀態(tài)下的加速度時(shí)域圖。通過傅立葉變換進(jìn)行頻譜分析，其頻譜分析結(jié)果見圖13，由該圖可知橋梁模型的基頻為2 Hz。

圖12 加速度時(shí)域圖

圖13 頻譜分析圖

實(shí)踐教學(xué)表明該教學(xué)平臺(tái)具有良好的演示教學(xué)效果，學(xué)生通過監(jiān)測(cè)軟件以及三維模型能實(shí)時(shí)查看橋梁結(jié)構(gòu)在不同工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果和健康狀態(tài)，讓學(xué)生直觀地了解橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)方式，從而加深對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的理解。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的組成及其功能要求，并通過實(shí)際搭建起一套實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)給出了該平臺(tái)的軟硬件構(gòu)建方法。基于該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)，觀察橋梁結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)變和索力響應(yīng)結(jié)果，并通過加速度傳感器測(cè)出結(jié)構(gòu)基頻。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和教學(xué)實(shí)踐表明該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)具有良好的演示和教學(xué)效果，能夠有效地幫助學(xué)生加深對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的理解。