橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實驗教學平臺設(shè)計

馮唐政， 任 亮， 宋鋼兵

(1.大連理工大學 土木水利實驗教學中心,遼寧 大連 116023;2.大連理工大學 建設(shè)工程學部，遼寧 大連 116024)

0 引 言

橋梁是地面交通的樞紐和咽喉，標志著一個國家基礎(chǔ)建設(shè)水平[1]。橋梁結(jié)構(gòu)的使用期長達幾十年甚至上百年，在長期服役期內(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，需要對橋梁進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，及時評估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，預測結(jié)構(gòu)的性能變化，在結(jié)構(gòu)發(fā)生災變以前進行預警從而采取相應措施[4]。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是指利用現(xiàn)場的無損傳感技術(shù)，通過包括結(jié)構(gòu)響應在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達到監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的[5-9]。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)涉及諸多學科，單純依靠課堂教學難以讓學生系統(tǒng)掌握其構(gòu)成，更談不上對其深刻的理解[10]。因此有必要開展實驗性教學，通過實驗教學平臺讓學生深入理解橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)容和實現(xiàn)方法。

實驗性教學旨在使實驗教學與專業(yè)理論科學研究接軌，將最新的科研成果以實驗課堂的形式傳授給學生，使學生在實驗過程中經(jīng)歷與科研工作相似的過程[11-12]。開發(fā)研究性、探索性教學實驗，提高學生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，是當前高校實驗教學改革的一個重要方面。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)被各高校引入到實驗教學之中[16]。但目前國內(nèi)高校缺乏關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實驗教學平臺。

本文詳細介紹了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實驗教學平臺各部分組成和功能，并給出了教學平臺的軟硬件構(gòu)建方法。基于教學平臺進行橋梁模型負載實驗，得到不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)響應數(shù)據(jù)并通過加速度傳感器得到結(jié)構(gòu)的基頻。實踐教學結(jié)果表明,該教學平臺具有直觀簡潔的演示和教學效果，能夠讓學生快速了解橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成和實現(xiàn)方法。

1 實驗教學平臺組成

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實驗教學平臺設(shè)計原則為最大程度地再現(xiàn)實際工程中橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的各組成部分，讓學生全面深入地了解橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。實際工程中，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(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)評估與安全預警子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。因此，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實驗教學平臺依據(jù)這4個模塊進行設(shè)計和構(gòu)建。

1.1 傳感器子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)荷載和荷載效應信息主要通過傳感器子系統(tǒng)進行感知。對于橋梁結(jié)構(gòu)而言，最常見的荷載為車輛荷載，最主要的荷載效應信息為索力、應力和振動。因此，傳感器子系統(tǒng)主要包括應變傳感器、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)荷載效應信息需要通過數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)進行采集和處理。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)評估與安全預警子系統(tǒng)

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

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)庫系統(tǒng)，它承擔著結(jié)構(gòu)建造信息、監(jiān)測信息和分析結(jié)果等全部數(shù)據(jù)管理功能。MySQL數(shù)據(jù)庫因其小巧、功能齊全、查詢快捷等優(yōu)點而比較適用于實驗教學平臺的數(shù)據(jù)管理工作。

2 實驗教學平臺實例

該實驗教學平臺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)測軟件等組成。下承式拱橋長度約為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)測軟件。傳感器通過光電同步綜合解調(diào)儀和軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集與分析處理，實時監(jiān)測和評估橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。

圖1 下承式拱橋模型

2.1 應變傳感器

應變傳感器使用自主開發(fā)的低溫敏型光纖光柵應變傳感器，該傳感器在封裝工藝中使用一種特殊的負膨脹材料，使其具備低溫敏效果而無需額外的溫度補償，圖2所示為其實物圖。低溫敏型光纖光柵應變傳感器因為體積小、安裝方便、測量精度高等優(yōu)點，在實際工程中已經(jīng)得到大量運用。在下承式拱橋模型跨中和兩端位置各布置1個低溫敏型光纖光柵應變傳感器以監(jiān)測橋面板在荷載作用下的應變響應。

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、響應速度快等優(yōu)點。圖3所示為光纖光柵索力傳感器，該傳感器通過測量索的應變間接地實現(xiàn)索力的測量。

圖2 低溫敏型光纖光柵應變傳感器

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、測量范圍寬等優(yōu)點，已廣泛運用于實驗室內(nèi)的振動監(jiān)測。圖4所示為加速度傳感器實物圖，該傳感器為單向測振，密封性和長期穩(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。圖5所示為力傳感器實物圖，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)測軟件

基于LabVIEW平臺自主編譯橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測軟件，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、實時信號處理、網(wǎng)絡(luò)通信、實時數(shù)據(jù)顯示、3維模型展示、閾值報警和數(shù)據(jù)自動存儲等功能。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變測點位置,并在橋頭位置處設(shè)有一稱重平臺。

圖7 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測軟件界面

圖8 橋梁3維模型界面

3 實驗內(nèi)容及實驗結(jié)果

基于該教學平臺開展橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實驗教學，通過重卡模型車模擬橋梁行車荷載，并逐級增加重卡模型車負重以模擬不同工況，觀察橋梁結(jié)構(gòu)在不同工況下的應變和索力響應，共進行3組不同工況的實驗，工況1～3的負載質(zhì)量分別為:383、842、1 360 g。同時，對橋梁結(jié)構(gòu)施加初始激勵，通過加速度傳感器測出其自由振動響應，并進行頻譜分析得到其結(jié)構(gòu)基頻。

3.1 應變和索力監(jiān)測結(jié)果

圖9所示為工況1的橋梁結(jié)構(gòu)應變響應結(jié)果，隨著重卡模型車在橋面板上行進，布設(shè)在橋面板上不同位置的傳感器依次出現(xiàn)較大幅度的應變變化，證明該實驗平臺的監(jiān)測系統(tǒng)具備良好的實時響應效果。

圖9 工況1應變響應結(jié)果

圖10所示為不同工況下索力響應結(jié)果，索力隨著橋梁負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變測點，顏色深度的不同代表應力水平的大小，圖中紅色部分則說明該區(qū)域內(nèi)應力水平已超過報警閾值，需采取相應處理措施以維護結(jié)構(gòu)安全；右側(cè)橋頭處有稱重臺模型，其顏色的深淺代表著車輛荷載的大小。

圖10 索力監(jiān)測結(jié)果

圖11 橋梁三維模型

3.2 加速度監(jiān)測結(jié)果

對橋梁模型施加一初始激勵，通過加速度傳感器監(jiān)測其在自由振動狀態(tài)下振動響應，圖12所示為橋梁模型在自由振動狀態(tài)下的加速度時域圖。通過傅立葉變換進行頻譜分析，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 加速度時域圖

圖13 頻譜分析圖

實踐教學表明該教學平臺具有良好的演示教學效果，學生通過監(jiān)測軟件以及三維模型能實時查看橋梁結(jié)構(gòu)在不同工況下的結(jié)構(gòu)響應結(jié)果和健康狀態(tài)，讓學生直觀地了解橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)容和實現(xiàn)方式，從而加深對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的理解。

4 結(jié) 語

本文闡述了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實驗教學平臺的組成及其功能要求，并通過實際搭建起一套實驗教學平臺給出了該平臺的軟硬件構(gòu)建方法。基于該實驗教學平臺進行負載實驗，觀察橋梁結(jié)構(gòu)在不同工況下的應變和索力響應結(jié)果，并通過加速度傳感器測出結(jié)構(gòu)基頻。實驗數(shù)據(jù)和教學實踐表明該實驗教學平臺具有良好的演示和教學效果，能夠有效地幫助學生加深對橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的理解。