基于光纤Bragg光栅传感器的现役高桩码头结构健康监测系统设计与实施

刘现鹏，刘红彪，韩 阳，齐广政，郭 畅

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456）

基于光纤Bragg光栅传感器的现役高桩码头结构健康监测系统设计与实施

刘现鹏，刘红彪，韩 阳，齐广政，郭 畅

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456）

目前，针对沿海港口码头健康监测技术的研究较少。文章根据沿海港口高桩码头结构特点及其所处环境的特殊性，分析了沿海高桩码头结构的受力特点，提出了高桩码头结构的健康监测指标，构建了基于光纤光栅传感器的沿海高桩码头结构的健康监测系统；并依托天津港某高桩码头前承台的标准结构段设计了相应的结构健康监测系统，提出了相应监测的实施方案、传感器选型及性能参数，给出了数据采集与传输子系统的实现技术及相关指标。

高桩码头；健康监测；FBG；系统设计；无线传输

码头是供船舶靠泊、货物装卸及旅客上下的水工建筑物，是港口最重要的基础设施之一。由于码头担负着大宗货物装卸及流通任务，码头结构健康状况直接关系到船舶靠泊和货物装卸作业的安全，及时了解码头结构的安全状态是保证港口安全运营生产的关键。但是，由于码头所处的海洋环境复杂而恶劣，码头结构在承受较大使用荷载的同时，还经受着如土体、海浪、海流、海冰、潮汐以及台风、地震、船舶等荷载的作用，在恶劣的环境条件下，码头结构极易发生破损现象，导致结构整体抗力降低；再加之混凝土材料的自然老化、人为等因素的共同作用，码头结构的安全状态及使用寿命受到了严重影响。调查表明，我国港工结构一般建成8～12 a就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂破坏现象，这对码头的使用安全性造成了较大影响。如浙江省某10万t级矿石码头不到10 a就需进行腐蚀修补；我国南部沿海几十座服役3～25 a的码头，因钢筋锈蚀造成的破损普遍存在，有的仅使用3～7即出现顺筋开裂，严重影响码头的承载能力。

高桩码头是码头结构的主要型式之一，被广泛应用于软土地基上的码头建设，在我国社会经济发展活跃的渤海湾沿岸、苏北沿海、长江口、杭州湾、闽江口、珠江口和海南岛西北部等沿海地区应用十分广泛。但在高桩码头使用过程中，软土地基的变形量较大，尤其是土体侧向变形过大会造成码头桩基承受的水平荷载过大，从而导致水平变位过大时，桩梁节点发生破坏，进而影响码头的承载力；随着土体蠕变的进一步加剧，码头的侧向位移进一步增加，在使用荷载作用下，码头结构会额外承受由于码头侧移而引起的附加弯矩，进一步加剧结构构件和节点的破坏，甚至整体结构发生倾覆，严重影响码头的安全生产。所以，针对高桩码头结构安全状态的实时监测是十分必要的。

由于测试系统、数据处理技术以及数据传输技术的进步，长期的结构健康监测成为评估结构安全性能的重要手段。长期的健康监测系统已被成功地运用在超高层建筑、高墩大跨桥梁、大直径输水管道、沿海码头等领域，如在广州塔［1-2］、深圳证券交易中心总部大楼［3］、香港的青马大桥［4-5］、以及大连新港30万t级原油码头的沉箱式靠船墩上的长期健康监测系统［6］，这些健康监测系统可为相应结构的安全运行保驾护航。所以，在高桩码头结构上布设长期健康监测系统对其运行状态进行实时监测，对保障码头的安全生产具有重要意义。

基于光纤Bragg光栅（FBG）的光纤光栅传感器因其体积小、精度高、抗电磁干扰强、防水性、耐腐蚀、耐久性好等优点，正逐渐取代传统的电类传感器，被广泛应用于建筑、桥梁、水坝、海洋平台、码头等土木工程结构测试中［7］。加拿大通信研究中心的Hill［8］等人于1978年发明了世界上第一根光纤Bragg光栅（FBG）。Pro⁃haska等人［9］于1993年首次采用光纤Bragg光栅应变传感器测试大型混凝土结构的应变，由此引起国内外学者对光纤光栅传感器在土木工程结构中应用的广泛关注。后期，光纤光栅传感器在桥梁、建筑等结构的健康监测系统中得到了应用［10-11］，并得到了较大发展。港口工程结构健康监测技术发展较晚，随着交通运输业的发展，基于光纤光栅传感器的结构健康监测技术被逐渐运用到了码头结构及附属设施的安全监测方面，如大连港某油码头沉箱采用了基于光纤Bragg光栅的光纤传感器对其外壁、底板等部位的应力及温度进行了长期监测［6，12］；祁耀斌等人采用光纤光栅传感器为大型海上浮吊臂桁架结构设计并建立了实时健康监测系统，监测其工作状态时的安全性并及时进行结构安全评估［13］。

目前，结构长期健康监测系统在沿海高桩码头结构上的应用较少。本文的主要目的是根据高桩码头的结构特点，采用光纤光栅传感器构建高桩码头结构的长期健康监测系统，并针对天津港某高桩码头的一个结构段提出监测系统的实施方案，以此建立高桩码头结构的长期健康监测系统的设计方法。该研究对指导高桩码头结构健康监测系统的建设，推动沿海港口码头长期健康监测技术的发展均具有重要意义。

1 高桩码头结构健康监测指标分析

高桩码头主要由上部结构、桩基和码头设备组成。梁板式高桩码头按照作用荷载的不同，分为前承台和后承台两部分；前方承台由面板、横梁、轨道梁、桩帽、桩、靠船构件等构成，主要用于货物的装、卸载及货物流通。由于前承台受到门机荷载、流动机械荷载、货物堆载以及船舶撞击力、系缆力、挤靠力等多种外力的共同作用，受力情况复杂，尤其是船舶撞击极易造成码头结构的桩基破损或断桩，严重影响码头的安全性。并且，海洋环境的氯离子侵蚀极易导致钢筋混凝土构件的钢筋锈蚀、混凝土开裂，造成结构的耐久性降低。随着损伤的积累，码头结构极易发生面板垮塌、梁体断裂、结构整体倾斜，甚至结构整体倾覆，造成重大的安全事故。

根据以上结构的破坏特征，高桩码头结构设计及码头检测评估中，重点关注的物理量主要有码头结构的整体变位、桩基应力、横梁应力、轨道梁应力、面板应力、岸坡变形及横梁与桩帽的相对位移等。由于高桩码头多建于软土地基上，软土地基的变形量大，极易造成码头结构整体倾斜、构件塌落，甚至结构倾覆，造成巨大的人员伤亡和财产损失。由此，高桩码头结构健康监测指标可大致分为三类，即位移、应变和结构动力特征。位移主要是指码头结构的整体变位，其中应包括结构的横向变位和竖向变位。应变主要是指码头结构各关键构件的应变状态，关键构件应包含桩基、横梁、轨道梁、纵梁、面板等；由于关键构件的安全状态可反应整体结构的安全状态，通过对这些构件的应变监测，可实时了解码头结构关键构件的安全状态，确保码头生产安全。码头结构整体动力特征主要是指结构的模态信息，即结构的固有频率、振型和阻尼比；结构的动力特征变化可反应结构整体的健康状态变化，通过对结构动力特征的长期监测，分析结构动力特征的时变规律，可确定结构的损伤状态及损伤位置，这点在高层建筑、大跨桥梁等领域的结构识别研究中已得到验证［14-16］，并在许多实际结构的健康监测系统中得到应用。在上述三类监测指标中，位移和应变是直接反映结构安全状态的指标，可直观反映结构和构件的安全状态，对结构损伤敏感有效。结构动力特征是结构的固有特性，但由于结构固有频率的变化对结构损伤程度不敏感，且振型、阻尼比及应变模态难以精确测量，导致以结构动力特征变化判定结构损伤的方法应用受到限制。针对结构动力特征的监测数据，应通过模型修正与系统识别法、遗传算法、小波分析法、神经网络法等方法进行数据处理分析，基于数据分析判定结构的损伤状态和位置。所以，码头整体结构的动力特征是码头结构安全监测的一类间接监测指标。

2 现役高桩码头结构健康监测系统方案

随着水运行业的发展，大型高桩码头结构不断被建设，码头结构的实时安全状态越来越受到重视，建设适于沿海高桩码头结构的长期健康监测系统需求迫切。但沿海港口码头结构多处于恶劣的海水环境中，海水环境及其强腐蚀性，对健康监测系统中传感器设备的耐久性及防水性提出了较高的要求。根据高桩码头结构的特点、荷载效应规律及其所处环境的特殊性，提出适于沿海港口码头结构的健康监测系统及相关实施方案是十分必要的。

2.1健康监测系统构成

结构健康监测系统一般包括传感器子系统，数据采集、传输与处理子系统，损伤识别、安全评估及灾变预警子系统以及数据管理子系统。根据高桩码头结构所处环境的特殊性及相关监测指标，并考虑监测系统方案实施的可行性，将高桩码头结构的健康监测系统设计为传感器子系统、数据采集子系统、无线传输子系统、数据处理分析与预警子系统，具体详见图1。

图1 健康监测系统构成图Fig.1Health monitoring system of high⁃pile wharf

本文针对天津港某高桩码头前承台结构设计长期健康监测系统方案，着重对传感器子系统及数据采集与传输子系统进行研究。重点分析传感器的选型及布置方案、数据采集系统的参数要求及数据传输的实现方式。最终，给出整个健康监测系统的实现技术及相关指标。

2.2依托工程概况

本文设计的码头结构健康监测系统位于天津港某高桩码头前方承台的一标准结构段上（框选部分）。该码头改造竣工于2000年，系高桩码头结构，前方承台为梁板式桩台结构，由面板、横梁、轨道梁、桩帽、桩、靠船构件等构成，各构件安装就位后各连接节点采用现浇混凝土浇筑以保证连接的可靠性。前方承台标准结构段长59.5 m，排架间距7.0 m，共9个排架，码头断面见图2所示，其中，叉桩与直桩均采用截面650 mm×650 mm的预应力混凝土空心方桩，桩体均采用C50混凝土预制，其他构件均采用C45混凝土制作。

图2 码头断面图Fig.2Cross section of wharf

此高桩码头结构的健康监测系统的监测内容包括三部分，即结构的位移监测、结构构件的应变监测及结构整体动力特征监测。其中，位移监测的指标为纵、横梁与桩帽之间的相对位移；码头结构构件的应变监测指标有桩基应力、横梁应力、轨道梁应力、面板应力；码头结构的动力特征监测指标主要指结构的模态信息，即结构的整体频率、振型及阻尼比。

为了了解码头结构在水平荷载作用下的荷载效应，根据监测结构段的技术参数，采用有限元建模的方式，计算结构在水平荷载作用的荷载效应。模型建模时，桩-土相互作用中的土体部分采用弹簧替代，水平弹簧刚度采用m计算得到，竖向弹簧刚度采用温克尔理论计算得到。荷载选择船舶靠泊时的撞击力。为了获取码头结构荷载效应分布状态，撞击力等效为静力的方式加载，其中结构桩基的弯矩分布图见图3所示。根据弯矩分布图可知，反弯点以上部分桩基的最大弯矩处于桩顶位置。因此，桩基应力监测位置应选择在桩顶的一定范围内。并根据结构力学知识可知，面板、横梁、轨道梁的应力监测应选择跨中位置。

图3 有限元模型及弯矩分布图Fig.3Finite element model of wharf structure and bending moment curve of piles

为了了解被监测码头结构的动力特征，获取码头结构固有振动频率范围及振型状态，按照上述静力计算模型及相同的约束条件，采用ABAQUS有限元软件对被测结构段进行了模态计算，获取了结构的固有振动频率信息及振型形态，具体如图4所示。由计算结果可知，结构的一阶纵向、一阶横向及一阶扭转的固有频率分别为0.510 Hz、2.675 Hz及2.546 Hz。由此可以判断，结构纵向刚度较横向小，振动薄弱方向为纵向，在外界激励作用下，结构纵向一阶振动更易被激起。因此，结构动力特性监测时，结构纵向方向应配备加速度传感器。同时，结构段的一阶扭转频率位于一阶纵向振动频率和一阶横向振动频率之间，因此，结构扭转振动频率也必须监测。

图4 码头结构的模态计算结果Fig.4Modal results of wharf structure

2.3传感器选型及布置方案

码头结构所处的海洋环境特点为涉水性及强腐蚀性。传统的电类传感器在强腐蚀性的海水环境中不容易成活，其适用性受到限制。因此，选择基于光纤Bragg光栅的光纤光栅传感器，此类传感器具有不怕水、耐腐蚀性强等的优势，相对于电类传感器，光纤光栅传感器在港口工程结构健康监测方面具有更广阔的应用空间。

图5 光纤Bragg光栅的工作示意图Fig.5Working principle of fiber Bragg grating（FBG）

表1 传感器参数Tab.1Properties of sensors

光纤Bragg光栅是利用一定的写入技术在裸光纤的一段范围内写入具有周期性折射率的芯体光栅，属于反射型光栅和短周期光栅。此类光栅对宽光谱入射光中特定波长的光具有反射能力，其他波长的光全部透射，Bragg光栅的工作示意图如图5所示，其中反射光的波长满足下式式中：λ为FBG反射光中心波长（布拉格波长，nm）；Λ为光栅周期，nm；neff为光纤有效折射率；m为衍射级数，一般取1.0。

由于光纤光栅在外界温度或者应力的作用下，折射率和光栅周期会发生改变，导致Bragg波长发生变化。因此，通过分析Bragg波长的变化即可得出测点的温度或应变。本文设计的高桩码头结构健康监测系统中的应变监测均采用光纤光栅表面式应变传感器；并且，环境温度监测及横梁与桩帽之间的相对位移监测均采用光纤光栅式的传感器，即光纤光栅温度传感器、光纤光栅相对位移传感器，其中传感器的技术参数见表1所示。

图6 桩基应变传感器布置示意图Fig.6Sketch of fiber Bragg grating（FBG）strain⁃sensor of piles

由于结构构件某位置的应变是关系到此处是否发生破坏的最直接量值，因此构件应变监测的传感器布置位置应位于构件荷载作用效应最大的位置。由此，码头结构桩基应变监测的传感器位置选择在桩帽以下800 mm的位置处，布置示意图见图6所示；轨道梁、横梁应变监测的传感器位置位于其跨中。为了防止海洋生物、漂浮物等因素对光纤光栅传感器的破坏，采用不锈钢外壳进行两层保护；传输光缆采用透明胶管保护，安装方式见图7所示。梁与桩帽的相对位移监测所采用的光纤光栅相对位移传感器固定端安装于桩帽上，安装方法与电类LVDT（Linear Variable Differential Trans⁃former）位移传感器类似。光纤光栅温度传感器安装时直接与光纤光栅应变传感器串联，传感器采用无约束的方式直接安放于不锈钢保护壳内部，用于环境温度的监测。

图7 传感器及监测设备安装图Fig.7Installation of sensors and monitoring equipment

码头结构整体性态监测即码头结构的振动特性监测，其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。由于高桩码头结构的一阶自振频率为0.510 Hz左右，属于柔性结构，因此，结构动力特征监测所采用的传感器采用力平衡加速度传感器，技术指标见表1所示。传感器分别布置于结构段的两翼和中部位置，共计3个测点。在结构段两翼的两个测点位置，沿垂直岸线方向分别布置一个单向的力平衡加速度传感器；同时，因码头面生产作业的限制，传感器安装于面板下方（码头下方）。结构段中部测点的传感器为三向力平衡加速度传感器，测量方向分别垂直岸线方向、平行岸线方向和竖向；传感器被安装于码头上方放置监测设备的铁箱下部。由于码头面上、下均为涉水环境，对于电类的力平衡加速度传感器应作防水处理。因此，加速度传感器安装之前采用安全保护壳进行防护（图7），并在保护壳内充填玻璃胶以达到防护防水功能。

2.4数据采集与传输系统

由于无线传输技术的发展，智能健康监测系统与网络通讯技术的结合发展成为具有远程硬件管理、远程数据管理等功能的新一代网络化智能健康监测系统。两者的结合可以将所有传感器数据的采集、分析及结构安全评估工作在远程的计算机终端进行。这种结构系统更加有利于提高数据对象信息应用的时效性，科研人员和工程技术人员即使不在控制现场，也可以通过网络随时了解现场的监测系统运行情况及监测数据的实时变化。

本文设计的高桩码头的数据采集及传输系统主要由高性能数据采集器、3G网络及数据分析终端组成。传感器的数据首先通过有线的方式接入数据采集器，经过初步的数据滤波与数据处理后，经由无线发射机站经过3G网络发射到系统控制终端，由接收机接收数据。接收到的数据经过分析终端处理与分析，进而可对码头结构的状态进行评估，实现码头结构的健康监测。

3 结论

目前，针对沿海港口码头健康监测技术的研究较少。本文根据沿海港口高桩码头结构特点及其所处环境的特殊性，分析了沿海高桩结构的受力特点，提出了其健康监测指标，构建了沿海高桩码头结构的健康监测系统；并依托天津港某高桩码头前承台的标准结构段设计了相应的结构健康监测系统，提出了相应监测指标的实施方案、传感器选型及性能参数，给出了数据采集与传输子系统的实现技术及相关指标，可为沿海高桩码头结构的长期健康监测系统建设提供参考。

关于沿海码头结构的健康监测还有许多问题需要探索研究，尤其是在码头结构的整体位移自动监测、码头结构的损伤识别及灾变预警技术方面。这是由于码头的整体变位量级较小，对测量设备的精度要求较高，并且由于沿海码头结构所处环境较为恶劣，对监测设备的耐久性要求较高。同时，目前缺乏对高桩码头结构使用年限内长期性能变化的系统认识，难以建立统一的码头结构状态评估标准对其进行灾变预警。所以，沿海码头结构的健康监测技术有待更深入的研究。

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Design and implementation of health monitoring system for existing high⁃pile wharf structure with FBG sensors

LIU Xian⁃peng,LIU Hong⁃biao,HAN Yang,QI Guang⁃zheng,GUO Chang
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

The research work on health monitoring technology of wharf in coastal ports is very little at present. According to the damage characteristics of high⁃pile wharf in coastal ports and particular environment which it works,the mechanical properties of coastal high⁃pile wharf were analyzed,and the health monitoring parameters were proposed.The health monitoring system of coastal high⁃pile wharf was established with FBG sensors.And the appropriate structural health monitoring system was designed for standardized front segment of a high⁃pile wharf in the Tianjin Port.The monitoring plans were proposed,and the sensors and their technical parameters were provided to the purpose.The data acquisition and data transmission subsystem implementation plans and related technical in⁃dicators were given.

high⁃pile wharf;health monitoring;FBG;system design;wireless communication

U 656.1＋13

A

1005-8443（2016）02-0170-07

2015-03-30；

2015-07-03

交通运输部信息化技术研究项目（2013-364-224-700）；中央级科研院所基本科研业务费（TKS140101，TKS130214）

刘现鹏(1977-)，男，河北省邢台人，高级工程师，主要从事港工结构材料性能及结构加固修复技术研究。

Biography：LIU Xian⁃peng（1977-），male,senior engineer.