光纖光柵傳感器在橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)模型試驗中的應用

張 強，趙信洋，劉學毅，楊榮山

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

自20世紀70年代加拿大通信中心的HILL K O［1］等人首次在摻鍺光纖中采用駐波寫入法，制成第一根光纖Bragg光柵(FBG)以來，光纖光柵的制作與解調(diào)技術(shù)有了飛躍的發(fā)展，在工程實際中光纖光柵也逐步得到了應用。光纖光柵傳感器可測量的物理量較多，包括位移、應變與溫度等。以往典型的傳統(tǒng)測量方法是利用電阻應變片進行數(shù)據(jù)的測量，傳統(tǒng)的測量方法暴露出靈敏度低、長期穩(wěn)定性差、壽命短等缺陷。而光纖光柵傳感器具有常規(guī)檢測技術(shù)不可比擬的優(yōu)點，如靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、抗電磁干擾、光電可撓曲、易與計算機連接等。同時其結(jié)構(gòu)較為簡單、尺寸小、質(zhì)量輕、頻帶寬，可進行溫度、應變等多種參數(shù)的分布式測量。

橋上無縫道岔［2］是當前客運專線建設(shè)中的重點、難點與熱點問題。道岔模型試驗是根據(jù)一定的相似原理對特定道岔結(jié)構(gòu)進行縮尺研究的一種方法，本文基于一組鋪設(shè)在3×32 m無砟橋上的客運專線18號道岔進行模型試驗，以研究橋上無砟無縫道岔的受力和變形規(guī)律，該試驗模型的比例為1∶3。由于該道岔模型結(jié)構(gòu)尺寸較大，測點較多，且要求測量工具的精度要高、抗干擾能力強、體積小巧，傳統(tǒng)的測量與監(jiān)測方法(電阻應變片等)難于滿足要求?；谝陨显?，在試驗中，在道岔模型上分別布置光纖光柵傳感器，研究橋上無砟無縫道岔的受力和變形規(guī)律，驗證光纖光柵傳感器在該模型系統(tǒng)中應用的合理性。由于諸多原因的限制，如光纖的包層材料、解調(diào)儀器等問題，光纖Bragg光柵(FBG)傳感器在模型結(jié)構(gòu)試驗中以及實際工程中應用并不多。目前文獻中有汪日光［3］等以及董建華等［4］將光纖光柵傳感器應用于橋墩模型試驗以及重力壩結(jié)構(gòu)模型試驗。但是光纖光柵傳感器應用在客運專線道岔中的研究還很少。

1 光纖光柵傳感器的原理

光纖 Bragg光柵(FBG)傳感器的基本原理是:當光柵周圍的溫度、應變或其它待測物理量發(fā)生變化時，將導致光柵周期或纖芯折射率隨之發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光柵Bragg信號的波長位移。通過監(jiān)測Bragg波長漂移情況，即可獲得待測物理量的變化情況，見圖1。

圖1 光纖Bragg光柵傳感原理

對于光纖Bragg光柵，波長λB為入射光譜通過光纖Bragg光柵時反射回來的中心波長

式中，Λ為光柵周期;λB為反射光譜的中心波長，一般為1 510～1 590 nm;neff為光纖纖芯有效折射率。

對于特定的光柵而言，中心波長的漂移與應變和溫度有關(guān)。當光柵受到拉伸或受熱膨脹時，波長增大;光纖受到壓縮或遇冷時波長減小。環(huán)境溫度發(fā)生變化時，光纖光柵中心反射波長變化為

由應力應變引起的光纖光柵反射波長的變化為

式中，ΔλB為在外界因素作用下光纖光柵反射波長的變化量;ε為光纖光柵軸向應變;α為光纖光柵的熱膨脹系數(shù);ζ為光纖光柵的熱光系數(shù);ΔT為溫度變化量;Pe為光纖的彈光系數(shù)。

由公式(2)及公式(3)可知，光纖Bragg光柵對溫度和應變有很好的線性關(guān)系。光纖Bragg光柵傳感器以光的波長為最小計量單位，目前對光纖Bragg光柵波長漂移的探測分辨率已達到pm量級，因而其具有測量靈敏度高的特點。而且只需要探測到光纖中光柵Bragg波長分布圖中波峰的準確位置，比一般的光纖傳感器具有更高的抗干擾能力，并且其動態(tài)變化范圍較大。

2 道岔結(jié)構(gòu)模型試驗

2.1 對比試驗

為了驗證光纖光柵應變傳感器在橋上道岔模型試驗中的可行性，取一根約1 m長、60 kg/m型鋼軌，將電子應變片和光纖光柵應變傳感器分別粘貼在鋼軌底面中心線兩側(cè)。用液壓千斤頂加載，液壓千斤頂可以提供的最大油壓為30 MPa，合100 kN的載荷當量，能夠滿足模擬試驗的要求。分別記錄下電子應變計及光柵應變解調(diào)電路的讀數(shù)，通過光纖光柵解調(diào)儀測得光纖光柵傳感器波長漂移量，從而可以計算出測點處的應變量。從應變測量的結(jié)果(見圖2)可以看出，兩者的趨勢較為一致。說明光纖光柵應變傳感器可以應用到該橋上無縫道岔模型試驗中去［5-9］。

圖2 光纖光柵應變傳感器與電子應變計測量比較

2.2 橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)模型

橋上無縫道岔模型結(jié)構(gòu)的比例為1∶3，見圖3。為使道岔模型結(jié)構(gòu)處于無縫線路固定區(qū)，需將道岔兩端用反力墩固定。鋼軌扣件采用扣板式扣件，用 Q235鋼材軋制而成。采用板式無砟軌道，結(jié)構(gòu)尺寸按相似比設(shè)計。軌道板可與模型橋面單點或多點聯(lián)結(jié)，以模擬無砟道岔與橋梁的不同連接形式，以及板式軌道和軌枕埋入式等無砟道岔結(jié)構(gòu)。道床板厚采用20 mm，板寬從1 m至2 m均勻變化。綜合考慮模型梁體強度，重量及加熱方式等，確定采用鋼板單孔(或雙孔)箱形梁模擬客運專線混凝土梁。橋梁支座采用橡膠支座，制作、安裝方便。兩邊橋臺采用鋼筋混凝土澆筑，混凝土強度等級C40。

圖3 橋上無縫道岔模型

對無縫道岔結(jié)構(gòu)采用電力升溫方式，通過高頻變壓器將380 V的高電壓、低電流交流電，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱陀?6 V，電流達2 000 A的直流電。由于電流較高，采用銅板作為導線。梁體通過柴油加熱裝置升溫，在梁體的底面布置溫度感應器，當箱梁升到目標溫度時，燃油機將自動停止加熱。光纖Bragg光柵傳感器布置在事先確定好的道岔測點上，安裝在測點上的光纖Bragg光柵傳感器通過控制室中的解調(diào)儀進行數(shù)據(jù)的提取。

3 試驗結(jié)果及其分析

模型試驗的理論計算采用“岔 －板 －梁 －墩”一體化計算模型。在梁體和無砟軌道道床板或道岔板的溫度變化以及道岔里軌隨溫度變化伸縮的作用下，梁和道床板、道岔之間產(chǎn)生相對位移，道岔和道床板產(chǎn)生縱向附加力。然后對橋面作用大小相等、方向相反的反作用力，此力通過梁、支座傳遞至墩臺，在道岔、道床板以及橋梁之間形成一個縱向相互作用的力學平衡體系。為驗證計算理論，以連續(xù)梁2號墩固定CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)以及連續(xù)梁2號墩固定CRTSⅠ型無砟軌道結(jié)構(gòu)為例［10-11］，將道岔基本軌縱向力的實測值與理論計算值進行了對比。根據(jù)實驗條件，梁體和道床板溫度升高30℃;道岔的溫度升高40℃。每一種工況做三次試驗，結(jié)果見圖4、圖5。

通過這兩種工況可以看出:在橋梁和路基交界處、限位器處將出現(xiàn)鋼軌縱向力的拐點。當無縫道岔鋪設(shè)在連續(xù)梁上時，道岔范圍內(nèi)并未出現(xiàn)最大縱向力峰值，鋼軌的最大縱向力出現(xiàn)在道岔前端連續(xù)梁和路基的交界處，最小縱向力出現(xiàn)在轍叉前。在兩種無砟軌道結(jié)構(gòu)中，CRTSⅡ型板式無砟軌道的基本軌縱向力較小。

圖4 連續(xù)梁2號墩固定CRTSⅡ型板式無砟道岔基本軌縱向力實測值與理論值對比

圖5 連續(xù)梁2號墩固定CRTSⅠ型無砟道岔基本軌縱向力實測值與理論值對比

從圖4、圖5還可以看出，在上述兩種工況試驗中，試驗值與理論值存在一定的差異，但是差值并不大，且其變化規(guī)律基本一致。誤差的產(chǎn)生主要是因為該模型結(jié)構(gòu)尺寸較大，在安裝橋梁與道岔模型時存在一定量的裝配誤差。同時在梁體加熱與鋼軌加熱試驗過程中，梁體、鋼軌升高的溫度并不是處處均勻的，只是總體較為均勻，在這個過程中也造成了一定的誤差。

4 光纖光柵傳感器在客運專線中的應用前景

由于在客運專線上運行的列車速度較快，部分列車運行速度甚至達到350 km/h。在這樣的運行狀態(tài)下，無砟軌道系統(tǒng)的各個部件必將產(chǎn)生較大的動荷載，同時將產(chǎn)生一定的疲勞效應以及疲勞傷損。因此對于如何有效地檢測無砟軌道結(jié)構(gòu)的應力、應變、振動損傷與裂縫，監(jiān)視荷載響應、跟蹤其長期性能，以及對可能出現(xiàn)的各種災害進行預測并評估其安全性顯得尤為重要。傳統(tǒng)的傳感器件(電阻應變片)組成的監(jiān)測系統(tǒng)難以滿足該工程結(jié)構(gòu)這些方面的需要。因此為了探明無砟軌道結(jié)構(gòu)在列車動荷載作用下的內(nèi)部機理，可以將光纖光柵傳感器應用到其中，對其進行長期檢測。以軌道板為例，軌道板通常為預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在高速列車以及自然條件的作用下，可以通過在軌道板上布置光纖光柵傳感器，然后通過監(jiān)控中心的儀器直接長期監(jiān)測其荷載效應以及傷損情況。

5 結(jié)語

以橋上無縫道岔模型試驗為基礎(chǔ)，探索了光纖光柵傳感器在橋上無縫道岔模型中應用的可行性。通過結(jié)果對比與分析，說明光纖光柵傳感器技術(shù)用于監(jiān)測客運專線無砟軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是合理、可行的。同時由于光纖光柵傳感器的獨特優(yōu)點，其將在客運專線無砟軌道結(jié)構(gòu)監(jiān)測與維護方面發(fā)揮重要作用。當然光纖光柵傳感器也有自身的不足之處，其解調(diào)技術(shù)有待進一步研究以提高測量精度，同時需從傳感原理與制作工藝等方面入手，研制性價比高的傳感器，以利推廣應用。

［1］HILL K O.Photosensitivity in optical fiber waveguides:application to reflection filter fabrication［J］.Applied physics letter，1978(32):647-649.

［2］王平，劉學毅.無縫道岔計算理論與設(shè)計方法［M］.成都:西南交通大學出版社，2007.

［3］汪日光，葉獻國，孫汝蛟，等.光纖光柵傳感器在橋墩模型試驗中的應用［J］.建筑科學與工程學報，2007，24(3):51-55.

［4］董建華，謝和平，張林，等.光纖光柵傳感器在重力壩結(jié)構(gòu)模型試驗中的應用［J］.四川大學學報(工程科學版)，2009，41(1):41-46.

［5］王建平.光纖光柵傳感器在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應用［J］.貴州工業(yè)大學學報(自然科學版)，2004，33(1):77-84.

［6］張巖，康熊.光纖光柵傳感器在鐵路領(lǐng)域中的研究與運用［J］.鐵道機車車輛，2008，28(4):45-49.

［7］李宏男，李東升.土木工程結(jié)構(gòu)安全性評估、健康檢測及診斷述評［J］.地震工程與工程振動，2002，22(3):83-90.

［8］劉永前，杜彥良，王新敏，等.埋入式 F-P光纖應變傳感器在混凝土橋梁健康檢測中的應用研究［J］.光學技術(shù)，2006，32(3):349-352.

［9］劉永前，張彥兵，王新敏.埋入式F-P光纖應變傳感器的疲勞性能試驗研究［J］.傳感技術(shù)學報，2006，19(4):1219-1222.

［10］廣鐘巖，高慧安.鐵路無縫線路［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［11］趙國堂.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.