懸索橋健康監測實驗教學平臺開發與應用

覃 暉， 耿鐵鎖， 譚巖斌， 王 騫， 邱文亮， 馮 琪

（1.大連理工大學土木工程學院，遼寧大連116024；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，南寧530007）

0 引 言

土木工程是一門工程與技術相結合的學科，具有極強的實踐性［1］。隨著新時代我國高等教育改革的不斷深入，對土木工程專業學生的實踐能力和創新能力提出了更高要求，實踐教學環節在課程體系中的比重也進一步加大［2-4］。

橋梁實驗與檢測課程是我校橋梁專業重要的專業實踐課程之一，通過實踐教學將課堂理論知識具體化，培養學生的實踐能力和創新精神［5］。隨著土木工程學科不斷發展，橋梁測試技術也不斷更新迭代，其中結構健康監測技術在世界范圍內迅猛發展，已成為橋梁工程重要的研究領域之一［6-7］。但傳統的實驗教學內容和方法卻相對落后，無法反映橋梁測試的前沿科技，不利于學生創新能力的培養［8］。為此，將最新的科研成果和工程案例引入實踐教學課堂，轉化為優質教學資源，是一個可行的解決思路［9-11］。

依托我校橋梁與隧道工程國家地方聯合工程實驗室［12］，結合大連市北大橋加固改造工程案例，設計并制作了懸索橋健康監測實驗教學模型。該模型完整展示了橋梁健康監測系統，豐富了“橋梁實驗與檢測”課程的教學資源，使學生加深了對結構健康監測工作原理與實施過程的理解，對改善教學效果、激發學生創新能力具有積極作用。

1 工程背景

大連市北大橋為大連市濱海風景區的著名風景點之一（見圖1），為三跨地錨式懸索橋，全長230 m，中跨跨徑132 m，橋寬12 m。該橋自1987年竣工以來，在長期運營中出現橋面下沉、纜索銹蝕等諸多病害，對橋梁的正常使用和結構安全造成危害。2015年底對全橋進行了全面檢測和加固改造，恢復橋梁的正常使用功能［13］。

圖1 北大橋全景

為掌握橋梁結構的工作狀態，確保該橋的長期安全運行，在此次改造工程中加入了結構健康監測系統，利用現場部署的傳感器，對橋梁受力、變形以及環境等展開監測，通過數據采集、存儲、分析和應用，實時反饋橋梁結構的健康狀況。

北大橋健康監測項目涵蓋結構應變、主纜索力、吊桿索力、橋塔位移、橋體振動、主梁撓度、環境雨量、風速風向、環境溫濕度、車輛荷載稱重等，部署各類監測傳感器共計243支。截至目前，該系統已連續運行5年，采集了大量監測數據，為橋梁運維提供了依據。同時，北大橋及其健康監測系統也已成為我校土木工程專業學生認識實習、橋梁實驗與檢測、前沿實驗等實踐課程的教學案例之一。

2 橋梁結構模型設計

根據實驗教學的要求，使學生了解懸索橋的結構形式和受力特點，掌握橋梁健康監測系統的工作原理和設計要求，具備基本的數據處理和分析能力，實驗模型設計遵循的原則是：①模型須體現原橋的結構形式和受力特點；②模型尺寸須滿足傳感器布設要求和實驗室的容納條件；③簡化與健康監測無關的非結構部件；④美觀大方。

橋梁實驗模型設計如圖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 模型橋設計圖（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，以及相應配套材料若干。主體結構制作完成后，采用15 mm厚細木工板制作人行道，并對主塔、橋墩、主梁、橋臺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 模型橋健康監測系統設計

3.1 系統架構

在實驗模型上部署結構健康監測系統，針對模型橋各項監測指標實現自動化采集、實時傳輸、遠程查看、實時預警等功能。

模型健康監測系統由感知層、通信層、數據層、計算層和應用層組成，具體為傳感器、數據采集、數據傳輸、數據處理與控制、安全評價和預警子系統，通過各個層相互協調，實現系統的各項功能［15］。各子系統功能如下：

（1）傳感器子系統。傳感器子系統是整個健康監測系統的基礎部分，通過各類傳感器，感知結構的受力、變形等指標。模型傳感器子系統參照實橋傳感器子系統進行簡化，選用了表面應變計、表面測斜儀、壓差式撓度計、裂縫計、振動傳感器、溫濕度計等6類傳感器。

（2）數據采集子系統。數據采集子系統將傳感器測量得到的結構自身和環境條件變化處理成數字信號，根據各類傳感器的工作方式不同，使用了振弦采集儀、振動采集儀、磁通量集儀等3類采集設備。

（3）數據傳輸子系統。數據通過無線傳輸模塊（DTU）進行傳輸，依靠成熟的4G網絡，在網絡覆蓋區域內可以快速組建數據通信，實現實時遠程數據傳輸。

（4）數據處理與控制子系統。對數據采集和傳輸子系統傳輸來的原始數據資料，由數據處理與控制子系統進行進一步地處理和分析，實現數據存儲、校驗、查詢、可視化等處理。

（5）安全評價和預警子系統。安全評價和預警子系統的主要功能是對數據進行統計分析，確定監測值的值域范圍，并通過數據判斷出變化趨勢，在遇到突發狀況的時候，能夠提前判斷結構各種狀況，在監測值達到限值的時候發出預警信息。

3.2 系統安裝

在模型橋上安裝健康監測系統，傳感器布置如圖4所示，對橋塔傾斜、主梁應變、主梁撓度、橋體振動、伸縮縫變形以及環境溫濕度進行監測，布置各類傳感器共計16支。

圖4 健康監測傳感器布置圖

在模型橋南北兩側分別設置采集箱，采集箱內安裝供電、數據采集儀以及無線傳輸模塊。各傳感器通過數據線連接至相應的采集儀，再由無線傳輸模塊將數據發送至云端數據庫，最后通過軟件系統訪問云端數據進行展示和分析應用，系統組成如圖5所示。

圖5 健康監測系統框圖

3.3 系統功能

在任意有網絡訪問的地方，打開瀏覽器，訪問數據平臺地址，輸入用戶名和密碼，即可登錄系統查看數據，如圖6所示。

圖6 系統登錄界面

進入系統后，可看到模型橋所在的地理信息系統（GIS）地圖位置，如圖7所示。GIS地圖有3種展現形式，分別為二維、三維地圖和衛星地圖。點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

點擊GIS地圖上的結構物圖標，即鏈接到該結構物頁面中，如圖8所示。該頁面可以查看模型橋的結構信息、傳感器布置和狀態、結構健康狀態和預警信息等。

圖8 模型橋健康狀態

點擊左側各監測項可查看各項實時數據，如圖9所示。系統默認采集頻率為每0.5 h一次，也可根據需要任意調整。系統提供數據對比分析功能，可任意查看不同時間、不同傳感器的數據進行對比分析。

圖9 監測數據顯示與對比分析

4 教學應用

利用橋梁健康監測實驗教學模型，使學生對理論知識能夠看得見、摸得著，加深了對工程問題的理解；同時也使教師的實驗教學有的放矢，做到理論聯系實際。

基于該模型，可設計不同層次的實驗教學內容，達到分層次教學、因材施教的目的。以“橋梁實驗與檢測”本科生課程為例，設計橋梁健康監測的教學過程如下：

（1）教師講授。講解懸索橋的結構形式和受力特點，以及橋梁健康監測系統的基本工作原理和設計原則。

（2）教師演示實驗。演示傳感器布置和安裝方法、數據采集和傳輸方式、軟件功能和操作流程以及歷史監測數據展示分析。

（3）學生分組實驗。4人1組，開展不同工況的測試，典型工況包括：用質量塊對主模型橋主梁進行縱向靜力加載，觀測主梁撓度、應變值的變化規律；用激振器對模型橋進行動力加載，觀測振動數據的變化特點等。

（4）數據分析。各組學生記錄本組實驗工況和測試參數，采集監測數據并展開分析，對比理論計算結果，驗證健康監測系統的有效性，完成實驗報告。

除此之外，還可以針對研究生實驗教學設計具有一定理論深度的實驗內容。例如，對模型橋結構進行有限元計算模擬，建立空間模型（見圖10），得出各監測項目理論變形值。通過對實測數據進行分析，與理論值進行對比，分析橋面荷載狀況，得出各監測項目的分級閾值，設定橋梁各監測指標的預警值。

圖10 模型橋三維有限元計算模型

5 結 語

基于實橋健康監測系統，設計了橋梁結構健康監測的實驗教學平臺，由懸索橋結構模型以及針對模型橋的健康監測系統組成。利用該模型可開展多層次的實驗教學，為學生直觀展示橋梁健康監測系統的運行機制，使學生在實驗室內便能深入接觸和實際應用橋梁結構健康監測系統，利用該系統獲取各種外部荷載和環境作用下的結構響應數據，加深對結構受力特性和健康監測系統工作原理的理解和掌握。將該模型應用于橋梁專業實踐課程，促進了理論知識與工程實踐的結合，激發了學生主動探索的熱情，培養了學生的科研能力和專業素養。