光纖傳感器在橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控中的應(yīng)用

■宋曉青 ■九江公路局都昌分局，江西 九江 332007

1 引言

隨著我國人民生活水平的提高，道路交通負(fù)荷大幅度增加，行車密度及車輛載重越來越大，在風(fēng)雨侵蝕和嚴(yán)寒酷暑交相侵襲以及超載車輛的荷載加速作用下，隨著橋齡的增長和材料的老化，會不可避免的產(chǎn)生某些不安全因素，經(jīng)歷一個建成使用、漸趨老化直至消亡的“生老病死”過程。我國是橋梁大國，現(xiàn)有橋梁約60余萬座，其中40%的橋梁使用年限在20年以上，三、四類橋大約占30%。近幾年來，橋梁事故頻發(fā)，2011年7月，9天內(nèi)就有4座橋梁垮塌1座橋梁傾斜，表1列出了近八年來垮塌的部分橋梁。如此密集的橋梁事故，引起了社會各界的高度關(guān)注。

表1 近八年來垮塌的橋梁［1］

橋梁作為交通的咽喉，其安全狀況不僅直接影響到整個交通路網(wǎng)的正常運營，而且因為橋梁的特殊性，一旦發(fā)生橋毀人亡的事件，社會影響力巨大，些橋梁事故的原因是多種多樣的，如何能夠盡早的發(fā)現(xiàn)橋梁的安全隱患成為了保障橋梁安全運行的重要手段。

2 光纖傳感技術(shù)在橋梁監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀

在國外，1989美國布朗大學(xué)的Mendez［4］等人首先提出了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和建筑檢測的可能性。世界各國都對其十分關(guān)注并開展了廣泛的應(yīng)用研究，如:美國、加拿大、英國、德國、日本、瑞士等發(fā)達(dá)國家，紛紛將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用在橋梁、大壩等大型民用基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測中，取得了令人鼓舞的進(jìn)展。如英國的Foyle橋、丹麥的Great Belt East橋、加拿大的Confederation橋、韓國的Namhae大橋、日本的明石海峽大橋。

國內(nèi)，清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、重慶大學(xué)、武漢理工大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等院校已對光纖傳感器應(yīng)用于橋梁檢測進(jìn)行了全面的理論研究，并且已經(jīng)在部分大型橋梁的健康監(jiān)測中得到了應(yīng)用。如黑龍江省呼蘭河大橋、重慶大佛寺長江大橋、杭州灣大橋和舟山跨海大橋等。

從目前已建立的監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成、監(jiān)測方法以及實現(xiàn)的功能來看，這些監(jiān)測具有如下一些共同特點:(1)橋梁監(jiān)測系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)一般由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)構(gòu)成，軟件系統(tǒng)主要實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的識別和安全性評估;(2)通過布設(shè)在橋梁上的傳感器獲取反映橋梁結(jié)構(gòu)行為的記錄，并且重視對橋梁環(huán)境條件如溫度、風(fēng)、交通荷載等的監(jiān)測;(3)由于測試技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，使得監(jiān)測系統(tǒng)采集的信息更加準(zhǔn)確與完備，并且可以實現(xiàn)系統(tǒng)的大容量和網(wǎng)絡(luò)化共享;(4)重視對大橋監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實踐，而忽視對中小橋自身特點的監(jiān)測系統(tǒng)的研究。

3 光纖傳感器在橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控中的應(yīng)用

由于光纖傳感器具有耐久性好，適于長期監(jiān)測;無火花，適于特殊監(jiān)測領(lǐng)域;既可以實現(xiàn)點測量，也可以實現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量;測量動態(tài)范圍只受光源譜寬的限制，不存在多值函數(shù)問題;檢出量是波長信息，因此不受接頭損失、光沿程損失等因素的影響;同時對環(huán)境干擾不敏感，抗電磁干擾;波長編碼，可以方便實現(xiàn)絕對測量;正是這些突出優(yōu)點，光纖傳感器受到土木工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注與青睞。

利用光纖傳感技術(shù)對橋梁實現(xiàn)安全監(jiān)測主要是實現(xiàn)對橋梁的重要結(jié)構(gòu)的應(yīng)變及應(yīng)力、環(huán)境的溫度、橋梁重要部位的位移、裂縫狀況實施實時在線監(jiān)測，以用于對橋梁的工作狀況做出診斷和評估，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

3．1 光纖傳感器對結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測

結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力是橋梁健康狀態(tài)的一個重要評價指標(biāo)，對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的監(jiān)測是橋梁監(jiān)測的重要內(nèi)容。光纖傳感器利用光的波長變化與應(yīng)變力之間的關(guān)系，來實現(xiàn)對應(yīng)力應(yīng)變的測量。波長的變化與應(yīng)變以及溫度的變化可用下式來表示:

根據(jù)上式1可知，結(jié)構(gòu)應(yīng)變勢必導(dǎo)致光柵波長的變化，同樣溫度變化也會引起光柵布拉格波長的變化。這為采用光纖布拉格光柵制成光纖應(yīng)變傳感器提供了最基本的物理特性。

目前采用較多的是F-P光纖傳感器和光纖布拉格光柵傳感器。F-P光纖傳感器主要用于局部應(yīng)力的測試，光纖布拉格光柵傳感器則用于分布應(yīng)力監(jiān)測。Sungsan橋是韓國首爾漢江上跨度最大的橋梁，其車流量近7萬輛次/d，采用F-P光纖傳感器對此橋進(jìn)行了靜、動態(tài)測試，在靜態(tài)測試中光纖傳感器的分辨率近似可達(dá)0．12個微應(yīng)變;在動態(tài)測試中，它清楚地顯示出了卡車不同速度時的橋體內(nèi)部應(yīng)變趨勢。

3．2 光纖傳感器對混凝土溫度的監(jiān)測

大體積混凝土養(yǎng)護(hù)過程中有大量的熱量釋放，從而在混凝土中產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度裂縫。為防止溫度裂縫的發(fā)生，可通過埋置于混凝土中的光纖溫度感知器監(jiān)測混凝土內(nèi)部的溫度，為養(yǎng)護(hù)過程中控制冷卻速率提供依據(jù)。

向光纖發(fā)射一束脈沖光，該脈沖光會以略低于真空中的光速的速度向前傳播，同時向四周發(fā)射散射光。散射光的一部分又會沿光纖返回到入射端，測量發(fā)入射光和反射光之間的時間差T，則發(fā)射散射光的位置距入射端的距離X為

式2中:C為光纖中的光速，C=C0/n，C0為真空的光速;n為光纖的折射率。

反射回入射端的反射光中，有一種稱做Raman散射光。該Raman散射光含有兩種成份．光纖測溫方式，直接測量的是Raman反射光中兩種成分之比，與絕對值無關(guān)，因此既使光纖隨時間老化，沿程光損失增加，仍可消除光損失的影響，從而可一直保證測溫精度。

如在南京長江三橋北岸連續(xù)梁施工中，在移動模架上布置了光纖監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了在混凝土澆筑過程中，實時監(jiān)測模架關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化情況以及評估混凝土澆注過程中的安全性，并在出現(xiàn)不安全苗頭時利用實測應(yīng)力值指導(dǎo)模架控制。利用該光纖監(jiān)測系統(tǒng)與控制手段，可有效地降低模架應(yīng)力值，實現(xiàn)信息化施工，保證了混凝土澆筑施工的安全。

3．3 光纖傳感器對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的監(jiān)測

混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫可分為由應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)裂縫和由溫度引起的溫度裂縫。前者危及結(jié)構(gòu)的安全，后者影響結(jié)構(gòu)的使用。因此，及時發(fā)現(xiàn)和處理混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫尤為重要。利用光纖裂紋傳感器測量混凝土架構(gòu)裂縫，其原理為環(huán)形光纖傳輸?shù)墓馐橇芽p增長引起光傳播波動的函數(shù)。Christopher K．Y．Leung等提出了一種新型分布式光纖傳感器，可用于混凝土結(jié)構(gòu)物裂縫檢測，其優(yōu)點是不需要事先知道裂縫的方向，只要裂縫方向與光纖斜交，就能感知裂縫的存在，并對影響感知初始裂縫寬度的因素(縫與光纖的夾角)和光損耗同縫寬的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)研究如圖1。

光纖在粘貼到混凝土結(jié)構(gòu)表面或埋入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部時，光纖與裂縫成一定的角度(因為混凝土結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的裂縫方向是可以預(yù)知的)。光從光纖的一端注入，用光時域反射計(OTDR)探測光纖內(nèi)部各點的損耗及其位置。在裂縫形成前，OTDR探測到的損耗曲線基本上是平坦的，一旦產(chǎn)生裂縫，埋入混凝土中的光纖就會產(chǎn)生彎曲，部分光從纖芯中出來形成損耗。由于裂縫造成的損耗使OTDR探測到的后向散射信號有一個突降，因此根據(jù)損耗的大小可以確定裂縫的寬度，由光纖上損耗點的位置就可以確定裂縫的位置。

4 結(jié)束語

在我國中小跨徑混凝土梁式橋占有很大比例，如何實現(xiàn)中小梁式橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)實時監(jiān)控就顯得尤為重要，相比通過定期的人工檢測或借助荷載試驗，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害需要加固維修或改建時，申報、立項、批復(fù)到正式實施往往需要一個較長的周期。而利用光纖傳感器進(jìn)行實時監(jiān)控服務(wù)于我省中小跨徑梁式橋，對其工作狀態(tài)跟蹤監(jiān)測，以便實時、準(zhǔn)確地掌握橋梁工作狀況，采取切實有效的措施，保證中小跨徑混凝土梁式橋在剩余使用壽命期內(nèi)的安全運營，具有良好的效果，可將有限的養(yǎng)護(hù)經(jīng)費較合理地用到最需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的橋梁上，達(dá)到資源的優(yōu)化配置，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］李永才．近年來我國橋梁垮塌事故調(diào)查與研究［J］．城市建設(shè)理論研究，2012，(2)．

［2］荊濤．道路橋梁質(zhì)量通病及解決辦法研究［J］．江西建材，2014，(19)．

［3］曹亮．基于封裝壓電傳感器的混凝土梁損傷檢測試驗研究［J］．江西建材，2010，(3)．

［4］Mendez A，Morse T F，Mendez F．Application of embedded optical fiber sensors in reinforced concete buildings．And structures［C］。The International Society for Optical Engineering，SPIE，1989，1179 60-69．