桥梁结构健康监测实验教学平台设计

冯唐政， 任 亮， 宋钢兵

(1.大连理工大学 土木水利实验教学中心,辽宁 大连 116023;2.大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024)

0 引 言

桥梁是地面交通的枢纽和咽喉，标志着一个国家基础建设水平[1]。桥梁结构的使用期长达几十年甚至上百年，在长期服役期内其结构是否保持安全状态成为人们关心的问题[2-3]。因此，需要对桥梁进行结构健康监测，及时评估结构的安全状态，预测结构的性能变化，在结构发生灾变以前进行预警从而采取相应措施[4]。

结构健康监测是指利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到监测结构损伤或退化的目的[5-9]。桥梁结构健康监测系统涉及诸多学科，单纯依靠课堂教学难以让学生系统掌握其构成，更谈不上对其深刻的理解[10]。因此有必要开展实验性教学，通过实验教学平台让学生深入理解桥梁结构健康监测系统的内容和实现方法。

实验性教学旨在使实验教学与专业理论科学研究接轨，将最新的科研成果以实验课堂的形式传授给学生，使学生在实验过程中经历与科研工作相似的过程[11-12]。开发研究性、探索性教学实验，提高学生综合素质和创新能力，是当前高校实验教学改革的一个重要方面。目前光纤技术[13]、传感器技术[14]、磁共振技术[15]等现代科研手段已经被各高校引入到实验教学之中[16]。但目前国内高校缺乏关于桥梁结构健康监测的实验教学平台。

本文详细介绍了桥梁结构健康监测实验教学平台各部分组成和功能，并给出了教学平台的软硬件构建方法。基于教学平台进行桥梁模型负载实验，得到不同工况下桥梁结构响应数据并通过加速度传感器得到结构的基频。实践教学结果表明,该教学平台具有直观简洁的演示和教学效果，能够让学生快速了解桥梁结构健康监测系统的组成和实现方法。

1 实验教学平台组成

桥梁结构健康监测实验教学平台设计原则为最大程度地再现实际工程中桥梁结构健康监测系统的各组成部分，让学生全面深入地了解桥梁结构健康监测系统。实际工程中，桥梁结构健康监测系统通常包括传感器子系统、数据采集与处理子系统、状态评估与安全预警子系统和数据管理子系统。因此，桥梁结构健康监测实验教学平台依据这4个模块进行设计和构建。

1.1 传感器子系统

结构荷载和荷载效应信息主要通过传感器子系统进行感知。对于桥梁结构而言，最常见的荷载为车辆荷载，最主要的荷载效应信息为索力、应力和振动。因此，传感器子系统主要包括应变传感器、索力传感器、加速度传感器和力传感器。

1.2 数据采集与处理子系统

传感器子系统感知的结构荷载效应信息需要通过数据采集与处理子系统进行采集和处理。数据采集与处理子系统主要包括硬件和软件两部分，硬件部分主要是指光纤光栅类传感器数据采集设备和电类传感器数据采集设备；软件部分主要是指与硬件相互配合工作的数据采集和处理程序。

1.3 状态评估与安全预警子系统

采集到的数据需要通过状态评估与安全预警子系统才能形成决策依据。状态评估与安全预警子系统通常由损伤识别软件、结构安全状态评估软件和预警设备组成[4]。该子系统基于实采数据对结构安全状态做出及时准确的评估，并在结构发生灾变以前发出预警信息，提前采取相应措施。

1.4 数据管理子系统

数据管理子系统主要指数据库系统，它承担着结构建造信息、监测信息和分析结果等全部数据管理功能。MySQL数据库因其小巧、功能齐全、查询快捷等优点而比较适用于实验教学平台的数据管理工作。

2 实验教学平台实例

该实验教学平台主要由下承式拱桥模型、各类型传感器、数据采集设备、健康监测软件等组成。下承式拱桥长度约为155 cm，高度约为27 cm，图1所示为下承式拱桥模型图。传感器包括布设在桥面板上面的应变传感器，布设在拉索上面的索力传感器，布设在桥梁拱顶处的加速度传感器和布设在桥头处的力传感器。数据采集设备和监测软件使用自主开发的光电同步解调仪器和桥梁健康监测软件。传感器通过光电同步综合解调仪和软件系统进行数据采集与分析处理，实时监测和评估桥梁结构安全状态。

图1 下承式拱桥模型

2.1 应变传感器

应变传感器使用自主开发的低温敏型光纤光栅应变传感器，该传感器在封装工艺中使用一种特殊的负膨胀材料，使其具备低温敏效果而无需额外的温度补偿，图2所示为其实物图。低温敏型光纤光栅应变传感器因为体积小、安装方便、测量精度高等优点，在实际工程中已经得到大量运用。在下承式拱桥模型跨中和两端位置各布置1个低温敏型光纤光栅应变传感器以监测桥面板在荷载作用下的应变响应。

2.2 索力传感器

基于光纤光栅传感技术的索力传感器具有体积小、灵敏度高、响应速度快等优点。图3所示为光纤光栅索力传感器，该传感器通过测量索的应变间接地实现索力的测量。

图2 低温敏型光纤光栅应变传感器

2.3 加速度传感器

压电式加速度传感器具有体积小、质量轻、测量范围宽等优点，已广泛运用于实验室内的振动监测。图4所示为加速度传感器实物图，该传感器为单向测振，密封性和长期稳定性好，灵敏度为100 mV/g，分辨率为0.2 mg，量程为50 g。

2.4 力传感器

压阻式力传感器是利用单晶硅的压阻效应而制成，其体积较小、精度较高且安装方便，比较适用于桥梁模型的荷载监测。图5所示为力传感器实物图，其量程为200 N，灵敏度为10 mV/N。

图4 加速度传感器

2.5 数据采集设备

数据采集设备使用自行研制开发的光电同步综合解调仪。该设备光纤光栅解调部分具备15通道同步采集，解调精度为1 pm，采样频率为5 Hz；电类解调部分具有32通道同步采集，采样率为1.2×103S/s，分辨率为24 bit。图6所示为光电同步综合解调仪实物图。

图6 光电同步综合解调仪

2.6 桥梁结构健康监测软件

基于LabVIEW平台自主编译桥梁结构健康监测软件，光电同步综合解调仪结合桥梁结构健康监测软件搭建起数据采集子系统，使系统具备数据采集、实时信号处理、网络通信、实时数据显示、3维模型展示、阈值报警和数据自动存储等功能。图7、8所示为软件界面,三维模型桥面板上绿色部分代表应变测点位置,并在桥头位置处设有一称重平台。

图7 桥梁结构健康监测软件界面

图8 桥梁3维模型界面

3 实验内容及实验结果

基于该教学平台开展桥梁结构健康监测实验教学，通过重卡模型车模拟桥梁行车荷载，并逐级增加重卡模型车负重以模拟不同工况，观察桥梁结构在不同工况下的应变和索力响应，共进行3组不同工况的实验，工况1～3的负载质量分别为:383、842、1 360 g。同时，对桥梁结构施加初始激励，通过加速度传感器测出其自由振动响应，并进行频谱分析得到其结构基频。

3.1 应变和索力监测结果

图9所示为工况1的桥梁结构应变响应结果，随着重卡模型车在桥面板上行进，布设在桥面板上不同位置的传感器依次出现较大幅度的应变变化，证明该实验平台的监测系统具备良好的实时响应效果。

图9 工况1应变响应结果

图10所示为不同工况下索力响应结果，索力随着桥梁负载的增加而随之增加。图11所示为桥梁三维模型图，桥面板上绿色部分代表应变测点，颜色深度的不同代表应力水平的大小，图中红色部分则说明该区域内应力水平已超过报警阈值，需采取相应处理措施以维护结构安全；右侧桥头处有称重台模型，其颜色的深浅代表着车辆荷载的大小。

图10 索力监测结果

图11 桥梁三维模型

3.2 加速度监测结果

对桥梁模型施加一初始激励，通过加速度传感器监测其在自由振动状态下振动响应，图12所示为桥梁模型在自由振动状态下的加速度时域图。通过傅立叶变换进行频谱分析，其频谱分析结果见图13，由该图可知桥梁模型的基频为2 Hz。

图12 加速度时域图

图13 频谱分析图

实践教学表明该教学平台具有良好的演示教学效果，学生通过监测软件以及三维模型能实时查看桥梁结构在不同工况下的结构响应结果和健康状态，让学生直观地了解桥梁结构健康监测系统的内容和实现方式，从而加深对桥梁结构健康监测系统的理解。

4 结 语

本文阐述了桥梁结构健康监测实验教学平台的组成及其功能要求，并通过实际搭建起一套实验教学平台给出了该平台的软硬件构建方法。基于该实验教学平台进行负载实验，观察桥梁结构在不同工况下的应变和索力响应结果，并通过加速度传感器测出结构基频。实验数据和教学实践表明该实验教学平台具有良好的演示和教学效果，能够有效地帮助学生加深对桥梁结构监测系统的理解。