码头结构健康监测关键技术研究

    陈静　张翰林

    

    

    

    摘 要：以天津港五公司22-24#泊位码头为依托工程，详细描述了码头结构健康监测系统的组成，并分别从传感器布设、数据通信与传输、数据分析与监控等三方面对码头结构健康监测系统的实现进行了分析和阐述。将码头结构健康监测技术与信息处理技术进行融合，有效解决沿海港口码头健康监测系统中的数据处理与信息应用问题，为开展码头结构安全隐患排查、预防提供新的技术方法，从而提升港口设施维护管理水平。

    关键词：码头结构 结构健康监测 传感器布设 数据传输 数据分析

    码头的健康状况和安全性评价是港口正常生产的重要保障。码头的设计寿命一般在30年到50年甚至更长，然而，实际使用中往往由于结构设计时考虑因素欠周全，设计标准偏低，施工时受到材料、几何尺寸、环境等不确定性因素的影响，营运过程中未采取科学、合理的养护措施、加之材料与结构的自然老化，使用环境的变化以及自然灾害如地震、海啸等破坏，在这些因素的共同作用下，码头的使用寿命受到了严峻的挑战。

    因此，非常有必要对港口码头健康监测项目、指标、方法进行梳理，将传感器、物联网、数据库等新兴信息技术引入码头健康监测领域，形成具有一定可操作性的技术规范或标准，在行业内推广应用，从而保障全国港口码头安全运营，促进港口经济科学发展。

    码头健康监测是通过对结构的物理力学性能进行无损监测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对结构的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行评估，为结构在突发事件下或使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导。

    码头结构健康监测系统组成

    本研究依托工程为天津港五公司22-24#泊位码头。天津港五公司22～24#泊位码头，位于天津港三突堤西侧，南北向布置，北侧与21段的东无梁板区相接，南面至三突堤堤头，全长530m，承台总宽40.8m，设计标高+5.8m（天津港理论深度基准面），为3个万吨级泊位。码头建于上世纪七十年代末，1980年12月竣工，现归天津港第五港埠有限公司使用管理，如图1。

    码头前方承台采用连续梁板式高桩承台结构，主要由基桩及桩帽、迭合横梁、迭合火车板、预应力门机梁、预制靠船构件和面层等部分组成。分为10个结构段，标准段长59.5m，每个标准段包括9个基桩排架，排架间距为7m，在沉降（伸缩）缝处桩基排架间距为3.5m。后方承台采用简支梁板结构，主要由基桩及桩帽、预应力间支架、预制实心板、预应力空心板和面层等构成，桩基排架数及间距同前方承台。

    由于天津港22～24#泊位码头为梁板式高桩码头为透空式结构，检测时需乘船进入码头底部进行监测，受潮汐影响大，潮水过高或过低均不能进行正常的检测作业，因此一个工作日中能进行现场检测作业的时间非常有限。本项目基于实际情况对不同的检测指标提出了一套数据自动采集方案，重点研究内容码头结构的整体变形与变位情况、基桩的倾斜情况、码头上部构件的挠度和扭曲情况、码头接岸结构基础冲刷掏空情况、码头岸坡护坡的变形情况。

    整个系统主要分为四个子系统：传感器系统、数据采集与处理系统、数据通信与传输系统和数据分析与监控系统（如图2）。

    1、传感器系统

    传感器系统主要通过各种传感器将待测的物理量转变为电信号。由传感器性能参数，传输环境以及设备接口等硬件条件组成，包括位移计、应变计、信号放大器及连接界面。

    2、数据自动采集系统

    数据自动采集系统主要指的是现场各种类型的传感器对应测数据的自动采集过程。包括信号采集器及相应的数据转发设备，安装于待测结构中，采集传感系统的数据并进行初步处理。

    3、数据通信与传输系统

    数据通信与传输系统是通过现场基站将采集到的数据通过网络通讯的方式传送到远端服务器。包括网络操作系统平台、监测系统与互联网的连接。

    4、数据分析与监控系统

    数据分析与监控系统包括高性能计算机及数据处理分析软件。采集并处理过的数据被传输到该部分，建立码头三维模型对监测采集到的数据进行分析，利用具备损伤诊断功能的软硬件分析接收到的数据，判断结构损伤的发生、位置和程度，对结构健康状况做出评估，发现异常，则发出报警信息。

    传感器布设

    对码头结构进行监测主要包括整体位移监测，构件相对位移监测，面板应变监测，纵、横梁应变监测，基桩应变监测和振动特性监测六类。

    1、整体位移监测

    结构整体位移监测包括水平位移和垂直位移监测。码头水平位移监测采用超站仪进行多次观测取均值，并将气象因素加以考虑，对结果进行适当修正。码头垂直位移监测采用数字水准仪和一对数字水准尺进行测量。

    2、构件相对位移监测

    构件相对位移选择桩帽与纵、横梁之间的相对变位。桩帽与纵、横梁间的相对位移采用单位位移计进行测量。将传感器安装在梁与桩帽的结合处，传感器固定于桩帽上，基准点固定在横梁上，每个交叉点安装两个传感器，分别针对两边梁与桩帽之间的相对位移进行测量，如图3所示。

    3、面板应变监测

    码头面板的应变计主要是在面板上部有货物堆积时监测面板构件的应力状态，防止面板出现受拉超限破坏，进而影响到码头的整体结构安全。对码头面板进行监测，防止当荷载量增大时，码头面板的应变量过大而出现裂痕，从而出现的安全隐患。在码头面板下方中心位置安装相互垂直的两支振弦式应变计，分别监测横向和纵向的最大应变量，安装位置如图4。

    4、纵、横梁应变监测

    码头上部的载荷通过面板传递到纵梁、横梁，再通过纵、横梁传递至每个基桩上，最后传导入地基。对于纵横梁的应变监测主要在排架横梁和前后轨道梁上安装应变计，对其应变量进行实时监测，保证其处于安全的应力状态范围内，防止发生纵、横梁过度受拉出现损坏，保证码头的安全运行。根据数学模型计算的结构，将应变计安装在跨中和支座位置处，通过应变计后接电缆传输至现场服务基站，安装位置如图5所示。

    5、基桩应变监测

    基桩应变监测分为直桩应变监测和叉桩应变监测两种。高桩码头结构的水平荷载主要由叉桩承受，叉桩应变监测主要目的是监测叉桩在压弯状态下根部的应力状态，防止叉桩在水平荷载过大情况下的弯剪破坏；直桩应变监测的目的是监测竖向荷载及水平荷载共同影响下的应力变化状态，防止其压曲破坏的发生，保证码头结构运营的安全性。基桩应变计设计安装在桩帽以下约0.5m的位置，沿基桩中轴线方向，在基桩对称面或垂直面布置，每根桩布置两支应变计，如图6所示。

    6、振动特性监测

    引起码头振动的激励源有多种，如波浪、船舶撞击、地震等。码头结构振动特性监测的主要目的是获取码头结构在环境激励下的振动数据进行结构模态参数识别，进而通过结构的模态参数变化获取结构结构健康状态；同时，通过振动数据获取码头结构在船舶撞击、波浪等荷载作用下的动力放大效应。码头结构振动特性监测采用加速传感器，选取能代表码头整体振动情况的一标准结构段进行整体测量，在其中选择5个测量位置，每个测量点放置两支传感器，两支传感器交叉安装（一支平行码头方向，另一支垂直码头方向），以测量平行码头和垂直码头两个方向的振动量。

    数据通信与传输

    数据通信与传输系统主要由现场基站和网通通讯设备两部分组成，两者相连将传感器采集到的数据通过互联网的方式传输到远端服务器，示意图如图7。

    将基站模块通过焊接等手段装入基站箱中，组成现场基站，并与传感器线缆相连接，组成了数据采集的终端。

    用串口线将现场基站与数据通信模块相连，在数据通信模块内部加入数据推送地址，通过TCP协议将数据传输到远端服务器。将后台服务器的IP地址输入设备网络配置页面，从而将现场采集到的数据传输到远程服务器进行分析处理。

    数据分析与监控

    数据分析与监控系统包括高性能计算机及分析软件，采集并处理过的数据被传输到该系统，利用具备损伤诊断功能的软硬件分析接收到的数据，判断损伤的发生、位置和程度，对结构健康状况做出评估。

    通过采用自动数据采集系统、无线数据传输系统及自动报警系统，实现码头健康监测数据的实时显示，并根据预先设定的阀值（最大应变值、最大加速度等），实现灾变监控预警。通过长期监测数据的处理，获取结构模态参数随时间的变化规律，由结构模态参数的变化判定结构的健康状态。

    结论

    随着经济的发展和科学的进步，船舶设计朝大型化方向发展，随之码头的建设也越来越朝专业化、复杂化、大型化方向发展，这些码头动辄数万吨级，目前已经有沿海港口建设了可停泊30万吨级甚至40万吨级超大型船舶的大型码头。码头的设计使用寿命一般为30年到50年，由于码头常年处于沿海恶劣的环境下，海水侵蚀、材料老化、荷载的长期效应、疲劳与突变等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构的损伤积累和抗力衰减，从而在极端情况下引发灾难性事故。

    为了保障码头的安全、可靠，许多在役码头急需要采取有效手段进行健康监测，并评定其安全状况。码头健康监测是通过对结构的物理力学性能进行无损监测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对结构的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行评估，为结构在突发事件下或使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导。

    将码头结构健康监测技术与信息处理技术进行融合，有效解决沿海港口码头健康监测系统中的数据处理与信息应用问题，为开展码头结构安全隐患排查、预防提供新的技术方法，从而提升港口设施维护管理水平。

    参考文献：

    [1] 王广德，田双珠，王笑难等. 码头监测、评估的现状与发展[J]. 水道港口， 2002， 23（4）： 291-294.

    [2] 田双珠，王笑难，李颖. 港口工程已建码头的监测与评估[J]. 水道港口， 2004， 25（4）：219-221.

    [3] Jerome P. Lynch and Kenneth J Loh. A Summary Review of Wireless Sensors and Sensor Networks for Structural Health Monitoring[J]. SAGE Publication， 2006， 38（2）：91-128.

    [4] Wei Wu， Lei Liang. Long-Term Real-Time Monitoring System for Port Machinery Based on Fiber Grating Sensors[C]. Wuhan： Intelligent Networks and Intelligent Systems. 2008：354-357.

    [5] 刘枝辰，俞腾，谭力. 桥梁结构安全健康监测的技术方法探究[J]. 科技通报， 2013， 29（5）：87-92.

    [6] 黄沛，金秀坤，王新刚. 天津港高桩码头面层混凝土裂缝成因分析及裂缝控制技术措施[J]. 中国港湾建设， 2009（1）：22-24.

    [7] 孙占平. 大跨径桥梁GPS位移监测系统设计概述[J]. 交通世界， 2011（9）：108-109.

    [8] 王浩，吴振君. 水工监测软件开发中数据库和数据结构设计问题[J]. 岩土力学， 2006， 27（5）：823-827.

    （作者单位：交通运输部天津水运工程科学研究院）