高鐵箱梁蒸養制造質量監測系統集成技術研究

凌明磊

（中鐵二十局集團第四工程有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

為了實現“交通強國，鐵路先行”這一戰略目標，我國在高鐵建設方面投入了大量的人力和物力。然而在東北地區，漫長而又嚴寒的冬季是影響施工進度的重要因素，低溫惡劣的氣候不利于混凝土強度的持續增長［1，2］，養護措施不當極易引起結構疏松甚至凍漲開裂等問題［3，4］。為了解決上述難題，急需建立一套針對冬期蒸養箱梁質量監測集成系統，確保高鐵箱梁的施工質量。

另一方面，隨著傳感技術、無線通訊技術以及云計算技術的逐漸普及，橋梁結構的健康監測越來越成為當今土木工程的熱點方向［5］。橋梁健康監測的主要目的是，掌握橋梁內部結構的物理參數及工作狀態，并對異常的變化和危險的信號做出預警［6］。利用智能傳感技術獲取部件的實時狀態和響應，幫助人們及時發現故障，并迅速采取相應措施。這對于建設現代化高鐵強國，具有十分重要的意義。

在上述兩個背景下，文中自主研發一套針對高鐵箱梁蒸養質量監測智能集成系統。該套監測系統的設計思路為：首先，在箱梁的施工階段，以保證箱梁的蒸養質量為目的，組建由多種傳感器組成的傳感網絡，賦予箱梁與生俱來的自我感知的能力；其次，通過采集和傳輸系統，將各類傳感器感知的物理信號傳輸至云平臺，在云平臺實現對數據的處理、分類和存儲；最后，用戶登錄與監測系統配套的客戶端，遠程對箱梁的蒸養狀態進行監控。

1 監測系統的設計思路

首先，根據箱梁實際的蒸養狀況，選擇影響箱梁質量的關鍵截面和關鍵點，然后在關鍵點上布設相應的傳感器，用來監測關鍵點的物理狀態。此外養護環境的物理狀態是影響箱梁與外界進行物質和能量交換的重要因素，因此在對梁體進行監測的同時，我們也需要對養護棚的物理狀態進行監測。

其次，在現場布設合適的采集裝置和信號發射裝置，確保傳感器網感知的信號可以及時地傳輸到信息處理中心。

然后，監測系統的信息處理中心可以使用云平臺技術。在云計算之前的信息處理中心大多為“一事一議”的方式，無論是機房的基礎設施、網絡資源還是計算存儲資源都是采用專業化的部署管理方式，隨著業務的發展，這種系統結構的數據處理中心會出線局部資源浪費但是整體結構緊張的局面。因此，監測系統的數據處理中心，選用的是云計算管理平臺，對計算資源進行動態化的分配管理。

最后，基于云平臺設計一個面向用戶的客戶端，用戶可以通過客戶端遠程監控箱梁的蒸養狀態，進行相關監測數據的訪問和歷史數據的查詢。監測集成系統的設計思路如圖1所示。

圖1 監測系統的設計思路

2 監測系統的組成和結構

2.1 監測系統的硬件部分

在箱梁的養護階段，梁體內部的混凝土會不斷進行水化反應并釋放大量的水化熱，并且箱梁表面也源源不斷地與養護棚進行著熱量和物質的交換，這種狀態下容易引起箱梁內部的局部區域產生較大的溫度，并在產生較大的內外溫差，容易引發早期開裂。所以，針對養護階段的箱梁，有必要進行箱梁內部關鍵點的溫度監測，并確保箱梁表層混凝土與芯部混凝土不產生較大的溫度梯度。因此，監測系統選用埋入式光纖光柵類傳感器，對箱梁的幾個關鍵點進行溫度的監測，所選用的傳感器的量程為-40～+120℃，分辨率為0.1℃，中心波長1528～1568nm，反射率≥90%。溫度傳感器的計算式如（1）所示。

式中，T為測點混凝土的溫度，℃；λ為溫度傳感器的輸出波長，nm；λ0參考溫度（0℃）下對應的波長，nm；k為溫度傳感器一次項系數，nm/℃。

蒸養過程中的箱梁，由于自身的水化熱和外界養護環境的影響，極易導致梁體內溫度的不均勻分布，在外界的約束下必然會產生溫度應力，當混凝土的溫度應力大于抗拉強度時，引發混凝土早期開裂。溫度應力是混凝土早期開裂的直接原因，所以在進行蒸養階段梁體溫度監測的同時，有必要進行箱梁內關鍵點溫度應力的監測。

文中針對箱梁的溫度應力的監測，布設橫向應變傳感器、豎向應變傳感器以及軸向應變傳感器。光纖光柵應變傳感器的量程-1500～3000με，分辨率±1με，線性度為99.9%，應變系數0.8pm/με，中心波長1528～1568nm，工作溫度范圍-30～+80℃，反射率≥90%。溫度應變傳感器的計算如式（2）所示。

式中，λ為應變傳感器的輸出波長，nm；λ0為應變傳感器的初始波長，nm；λt為溫度補償光纖測量波長，nm；λt0為溫度補償光柵的初始波長，nm；a為溫度補償光柵溫度靈敏度系數，nm/℃；b為應變光纖溫度系數，nm/℃；k為應變一次項系數，nm/℃。

監測系統立足于冬期蒸養過程中高鐵箱梁，為了保證箱梁的養護質量，必須營造一個適合混凝土成熟硬化的養護環境。只有在適宜的溫度下，才能保證混凝土水化反應的順利進行，并且在適宜的濕度環境下，才能保證箱梁不會因為失水太多而發生開裂。因此，在監測系統中，集成了用于測養護環境溫濕度的傳感器，所選的無線溫濕度變送器將感知的溫施信號傳輸至監測主機，監測主機通過4G網絡將信號進一步傳輸至云平臺。傳感器系統現場布設情況如圖2所示。

圖2 傳感器系統現場布設情況

現場布設的箱梁內部混凝土溫度傳感器、溫度應變傳感器、預應力監測傳感器以及環境溫濕度傳感器組成了傳感器網絡，它們用于時刻感知與箱梁養護質量相關的物理量，感知到的物理量需要進行系統地采集，并將采集到的數據傳輸至云平臺。因此在箱梁的養護現場，需要布設與傳感器對應的采集裝置和無線傳輸裝置。針對光纖光柵類的傳感器感知的物理信號，在現場布設了光纖光柵解調儀進行采集。光纖光柵解調儀與上述光纖光柵類傳感器分布式、多通道連接，并為傳感器提供入射光信號和收集反射光，解碼光信號。

傳輸層包括DTU無線通訊模塊和移動4G網絡傳輸通道。負責將采集到的各類數據通過4G無線信號傳輸至云平臺。其中，DTU無線通訊模塊通過網口與光纖光柵解調儀相連。DTU將接收到的串口數據轉化為IP數據，并通過無線發送的方式傳輸到云端。其使用靈活通過手機卡可提供網絡，無需網線支撐，成本低廉，保密性好，非常適合現代野外工況下使用。監測集成系統現場硬件的布設情況如圖3所示。

圖3 現場硬件系統布設情況

2.2 軟件系統

2.2.1 具有用戶管理系統

為了方便用戶不受時間和空間的限制，對蒸養階段的箱梁進行遠程監控，開發了相應的人機交互的客戶端。作為面向用戶的展示界面，首先必須設計相應的用戶管理系統，用戶通過賬號和密碼進行系統的登錄和退出，并在展示界面內進行系統管理的設置。展示界面的功能如圖4所示。

圖4 展示界面功能

2.2.2 監測數據的便捷訪問

監測系統開發的展示界面，用戶可以實時查看箱梁內各種傳感器的監測數據。此外，可以選擇時間段，進行歷史數據的訪問，并且系統會根據所選的時間段自動生成歷史數據的可視化曲線，簡明直觀地進行箱梁蒸養階段監測數據的查看。

2.2.3 圖文并茂的界面效果

為了全面地將項目內容呈現給用戶，并且讓用戶了解監測數據的來源。在展示界面上，添加了與監測數據對應的傳感器布設方案，并且展示了高鐵箱梁整個蒸養過程的核心階段的三維模型展示圖。半且通過圖文并茂的方式可以讓用戶直觀地了解蒸養箱梁的相關情況，也將監測數據與現場傳感器的布設對應起來。

2.2.4 基于云平臺的管理模式

采集設備的通信接口基于TCP/IP協議，利用4G網絡的通信方式建立與云平臺的聯系。云平臺是采用兩臺高端交換設備進行虛擬化的核心交換集群，并且在內部設有控制節點、對象存儲網關節點、計算和分布式存儲節點以及對象存儲節點4個部分。通過網絡方便地訪問數據中心可配置的計算資源共享池，同時以最少的管理開銷，完成自動化迅速配置資源。

2.2.5 強大的云計算能力

云平臺的核心交換集群采用的是兩臺高端交換設備進行虛擬化的集群，整個云平臺由控制節點、對象存儲網關節點、計算和分布式存儲節點以及對象存儲節點組成。云平臺作為該監測集成系統的支撐層，用于處理和計算所有傳感器采集到的數據，并將處理后的數據進行長期存儲管理。

光纖光柵類傳感器感知的物理信息是光波類信號，所以在云平臺首先需要將光波信號處理為相應的混凝土溫度、混凝土溫度應變和預應力筋的張拉力，然后按照數據B的類型在云存儲空間中建立相應的存儲池，數據按照時間順序進行分類存儲。

3 箱梁蒸養過程監測結果分析

現場試驗的監測結果顯示，距離箱梁端部1.5m處，底板和腹板交界區域的監測數據變化最大。考慮到文中的篇幅有限，僅選擇該監測點作為關鍵點進行分析。在箱梁的蒸汽養護期間，混凝土經歷了快速升溫達到峰值溫度后，溫度緩慢下降的過程。并且升溫階段的增長速率為先增大后減小的趨勢，故溫升曲線呈現“S”狀的變化曲線。箱梁結束蒸汽養護，轉移到存梁臺進入自然養護狀態，由于自然養護的溫度較低，所以箱梁內部的溫度場會受到較大影響，箱梁內各點的溫度會快速下降，尤其是表層混凝土的溫度會受到更加明顯的影響，自然養護的初期溫度呈現急劇下降的趨勢。對箱梁內各個關鍵點的溫度場數據進行了匯總，匯總結果如表1所示。該測點的表層混凝土最大溫度為36.5℃，達到峰值溫度的時間為36.5h；芯部混凝土的最大溫度為45.41℃，達到峰值溫度的時間為39.5h。該測點溫度隨時間的變化關系圖如圖5所示。

圖5 測點溫度隨時間的變化關系

表1 溫度場關鍵數據

由應變時程曲線可以看出，箱梁內測點的橫向應變，豎向應變和軸向應變三者的變化趨勢基本相同，并且不同點之間的溫度應變變化趨勢也基本相同，均與溫度的變化趨勢保持一致。由于表層混凝土的溫度變化一直低于芯部混凝土的溫度變化，所以表層混凝土的溫度應變也低于同時期的芯部混凝土的應變。在養護60h后，箱梁結束蒸汽養護，轉移到存梁臺進入自然養護狀態，由于自然養護的溫度較低，所以箱梁內部的溫度場會受到較大影響，尤其是表層混凝土的溫度會受到更加明顯的影響，自然養護的初期溫度應變呈現急劇下降的趨勢。因此在實際施工過程中，應該嚴格控制蒸養結束后的降溫速率，并關注箱梁進入自然養護早期的溫度變化劇烈程度，預防早期開裂。對箱梁內各個關鍵點的應變場數據進行了匯總，匯總結果如表2所示。該測點混凝土的最大橫向應變、最大豎向應變和最大軸向應變分別為260.83、243.89、277.87με。該測點溫度應變隨時間的變化關系圖如圖6所示。

圖6 測點溫度應變隨時間的變化關系

表2 應變場關鍵數據

4 監測系統的優點

文中提供的高鐵箱梁蒸養制造質量監測集成系統，具備實用性，可操作性，易維護和完整性，相比以往的高鐵箱梁的健康監測系統具體有以下優點：

（1） 該監測系統從箱梁混凝土開始澆筑便進行相關物理量的采集，實現了箱梁蒸養制造整個過程的監測，彌補了傳統監測系統僅對運營期的監測。所有該套監測系統可以全階段，多角度地保證高鐵箱梁的安全性。

（2） 該監測系統自主集成了多類傳感器，通過對箱梁內部溫度、溫度應力、鋼絞線張拉力以及養護環境溫濕度的監測，全方位地掌握冬期蒸養箱梁的質量。該監測系統可以根據實際工程的情況，自主集成多類傳感器，為健康監測領域提供了良好的思路。

（3） 該監測系統針對冬期蒸養的高鐵箱梁，利用智能傳感器組成傳感網絡，實時感知與梁體蒸養質量有關的多種物理量的監測，并利用通訊系統和云平臺技術搭建與之對應的蒸養箱梁智能監測集成系統，使監測更加智能，使用更加方便，可以長期用于冬期蒸養箱梁的質量的監測，具有很廣的應用前景。

（4） 具有遠程監控的能力。基于云平臺的高鐵箱梁蒸養制造監測集成系統，系統的后臺服務被部署在云平臺上。用戶只需要登錄監測系統相應的客戶端，便可實現不受空間和時間限制地訪問監測數據。

5 結語

橋梁結構的健康監測越來越成為當今土木工程的熱點方向。它的目的是幫助人們掌握橋梁內部結構的物理參數及工作狀態，并對異常的變化和危險的信號做出預警。另一方面，信息技術被越來越廣泛地應用到社會的各行各業中，越來越多需要信息技術支持的企業選擇將自己的服務部署在云平臺上以實現資源的最大利用。開發該系統的后臺服務并部署在云平臺上，將大大提高環境管理的智能化進程。

文中詳細地介紹了該套監測集成系統的現場硬件部分的組成和功能、數據處理中心云平臺的功能和作用以及展示界面軟件部分的功能。監測系統在一定程度上解決了寒冷地區箱梁蒸養制造的技術難題，強化現代鐵路梁場科技創新的支撐引領能力，為新時代高質量鐵路建設提供示范。