分布式裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)在橋梁上的應(yīng)用

劉發(fā)水

（福州市公路局，福州 福建 350211）

分布式裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)在橋梁上的應(yīng)用

劉發(fā)水

（福州市公路局，福州 福建 350211）

裂縫檢測(cè)及監(jiān)測(cè)一直是橋梁管理養(yǎng)護(hù)中的重要任務(wù)，而傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器是點(diǎn)式的監(jiān)測(cè)方式，難以覆蓋橋梁上出現(xiàn)裂縫的部位。文章對(duì)分布式的光纖傳感技術(shù)進(jìn)行了介紹，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)應(yīng)用于混凝土梁，驗(yàn)證了該技術(shù)裂縫監(jiān)測(cè)的效果，結(jié)果表明分布式裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)的點(diǎn)式傳感的缺點(diǎn)，具有重要的工程價(jià)值。

分布式傳感技術(shù)；混凝土裂縫；應(yīng)變傳感器；結(jié)構(gòu)安全；狀態(tài)評(píng)估

1 概述

近年來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)道路交通的要求越來(lái)越高，我國(guó)的公路橋梁建設(shè)突飛猛進(jìn)，各類橋梁拔地而起。我國(guó)的橋梁建設(shè)不論在建設(shè)數(shù)量、規(guī)模，還是技術(shù)難度上，都已位居世界橋梁建設(shè)強(qiáng)國(guó)之列。預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)還將新建大中小橋梁20萬(wàn)座。但是橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全狀態(tài)形勢(shì)卻日趨嚴(yán)峻。我國(guó)最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在70多萬(wàn)座公路橋梁中，各類病橋的數(shù)量已逼近10萬(wàn)座，其中危橋近2萬(wàn)座，且各類惡性事故屢有發(fā)生。

因此，需要對(duì)橋梁的健康狀況做定期檢查以了解橋梁的損傷程度以及剩余承載能力。既有橋梁的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和狀態(tài)評(píng)估問(wèn)題20世紀(jì)50年代就已提出并深受重視，除大量研究文獻(xiàn)外，已出版有若干方法和規(guī)程。

在影響橋梁安全的多種病害中，混凝土裂縫是橋梁中常見(jiàn)的病害，其中嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)開(kāi)裂將會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。因此，裂縫檢測(cè)及監(jiān)測(cè)一直是橋梁管理和養(yǎng)護(hù)中的重要任務(wù)。本文提出一種基于長(zhǎng)標(biāo)距光纖的分布式傳感技術(shù)，介紹了裂縫監(jiān)測(cè)原理，并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)長(zhǎng)標(biāo)距光纖分布式傳感技術(shù)的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

2 光纖傳感技術(shù)分析

光纖傳感技術(shù)是在20世紀(jì)70年代隨著光纖制造和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的，是一種以光為載體，光纖為媒介，感知與傳輸外界信號(hào)為一體的高精度傳感技術(shù)。光纖傳感技術(shù)的類型多，可以監(jiān)測(cè)的物理量多，包括應(yīng)變、溫度、變形，以及各種化學(xué)參量等。

與傳統(tǒng)的電信號(hào)相比，光纖傳感器具有眾多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)： (1)質(zhì)量輕、體積小，普通光纖外徑為250 μm，最細(xì)的傳感光纖外徑直徑僅為35～40 μm，可在結(jié)構(gòu)表面或者埋入結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)影響?。?2)靈敏度高，傳輸頻帶寬，采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)，分辨率可達(dá)到納米量級(jí)；(3)耐腐蝕，光纖涂覆層為高分子材料，化學(xué)性能穩(wěn)定，適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；(4)抗電磁干擾，光信號(hào)傳輸時(shí)，不會(huì)與電磁場(chǎng)產(chǎn)生作用，因而信息在傳輸過(guò)程中抗電磁干擾能力較強(qiáng)；(5)分布或準(zhǔn)分布式測(cè)量，能夠用一根光纖測(cè)量空間多點(diǎn)或者無(wú)限自由度的參數(shù)分布；(6)使用期限內(nèi)維護(hù)費(fèi)用低。

隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，分布式光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)裂縫檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)更加明顯，它能同時(shí)測(cè)量空間多個(gè)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)，甚至能測(cè)量空間連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)。對(duì)于大型重要結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)損傷的開(kāi)展存在較大不確定性，傳統(tǒng)的“點(diǎn)式”傳感器難以準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的損傷信息，分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用很好地實(shí)現(xiàn)了土木結(jié)構(gòu)的分布式監(jiān)測(cè)。丁睿等［1］基于分布式光纖傳感技術(shù)檢測(cè)裂縫的原理,討論了光纖的布置方式，并通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)探討了光衰減與裂縫寬度的關(guān)系，獲得了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式；唐天國(guó)等［2］研究并應(yīng)用了一種新型分布式光纖傳感器，埋入混凝土并與預(yù)期裂縫相交一定斜角，當(dāng)裂縫出現(xiàn)引起光纖局部微彎,并誘發(fā)瑞利散射光產(chǎn)生衰減，用光時(shí)域反射技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)；毛江鴻等［3］圍繞BOTDA技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)應(yīng)變和開(kāi)裂監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究完善了分布式傳感光纖在混凝土內(nèi)部的布設(shè)工藝，同時(shí)進(jìn)行了分布式光纖監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的試驗(yàn)研究；張少杰等［4］采用混凝土模型實(shí)驗(yàn)研究一種新型光纖碳涂覆光纖的傳感特性，測(cè)定了分布式光纖傳感用于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)中的力-光本構(gòu)關(guān)系和性能參數(shù)；郭宗蓮等研究了可用于重大工程結(jié)構(gòu)的分布式傳感技術(shù)，包括基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)、封裝長(zhǎng)標(biāo)距光纖光柵（FBG）技術(shù)［5］等等，這些傳感技術(shù)的特征是具有長(zhǎng)的測(cè)量標(biāo)距（按實(shí)際需求確定），且可以實(shí)現(xiàn)大范圍的分布監(jiān)測(cè)，其中長(zhǎng)標(biāo)距FBG傳感技術(shù)可用于動(dòng)靜態(tài)精確測(cè)量，測(cè)量精度1～2 με，適用于結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載下的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

目前，光纖傳感器可以測(cè)量位移、震動(dòng)、轉(zhuǎn)角、壓力、加速度、溫度、濕度和應(yīng)變等物理量。

普通FBG的傳感柵區(qū)大約2 cm左右，與常用的鋼筋電阻應(yīng)變片的尺寸相仿，將FBG全面粘貼在結(jié)構(gòu)表面，除了傳輸通道為一根光纖外，與應(yīng)變片一樣，只監(jiān)測(cè)了結(jié)構(gòu)某些點(diǎn)的應(yīng)變，并不能實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。當(dāng)隨機(jī)裂縫產(chǎn)生時(shí)，沒(méi)有與裂縫在同一位置的長(zhǎng)標(biāo)距光纖FBG有可能應(yīng)變值下降，無(wú)法實(shí)施有效的損傷識(shí)別。但是通過(guò)兩個(gè)錨固點(diǎn)FBG可以測(cè)量它們之間的結(jié)構(gòu)平均應(yīng)變。在FBG長(zhǎng)標(biāo)距化之后，通過(guò)不同方向串聯(lián)傳感器，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的一維、二維和三維的分布式測(cè)量。長(zhǎng)標(biāo)距光纖光柵傳感器如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)標(biāo)距光纖光柵傳感器

3 基于分布式光纖監(jiān)測(cè)的RC梁試驗(yàn)

作為一種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)方法，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試因?yàn)槠淅碚摵?jiǎn)單以及較少的數(shù)據(jù)處理和信號(hào)分析，受到人們的青睞。因此，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究分布式長(zhǎng)標(biāo)距FBG監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在混凝土橋梁監(jiān)測(cè)中的可行性很有必要。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

采用6 m長(zhǎng)的RC梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，采用四點(diǎn)彎曲加載，從而驗(yàn)證本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性以及分布式長(zhǎng)標(biāo)距FBG監(jiān)測(cè)理論對(duì)于健康監(jiān)測(cè)的適用性?；炷亮旱某叽纭⑴浣罴凹虞d形式如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)梁加載形式及配筋圖（單位：mm）

封裝好傳感器分別布設(shè)于梁的受拉和受壓區(qū)，監(jiān)測(cè)梁的分布應(yīng)變。開(kāi)槽埋入梁的底部受拉側(cè)和受壓翼緣，其標(biāo)距和具體布設(shè)情況如圖3所示。梁撓度采用電測(cè)百分表（LVDT）進(jìn)行測(cè)量。采用同類型的FBG傳感器粘貼于不受力的混凝土試塊上進(jìn)行溫度補(bǔ)償，加載過(guò)程中使用裂縫觀測(cè)儀對(duì)梁的裂縫進(jìn)行觀測(cè)。

圖3 傳感器布設(shè)示意圖（單位：mm）

此外，為了保證解調(diào)設(shè)備的正常工作，位于同一通道內(nèi)的FBG初始波長(zhǎng)選擇應(yīng)留有足夠的間隔，否則，各標(biāo)距內(nèi)不同步的應(yīng)變變化，有可能導(dǎo)致FBG中心波長(zhǎng)的重疊，使解調(diào)失效。一般來(lái)說(shuō)一個(gè)通道內(nèi)的FBG，其初始波長(zhǎng)間隔2 nm以上將能滿足測(cè)試要求。

本次試驗(yàn)加載采用采用液壓式千斤頂加載，分5級(jí)加載，第一級(jí)荷載12.5 kN，每10 kN為一級(jí)，至52.5 kN（80%的極限荷載）。每級(jí)加載后，持載1 min，待儀表的讀數(shù)基本穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)加載，保證傳感器與結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作后，讀取一段平穩(wěn)時(shí)間FBG的初始中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，取平均值后作為初始值保存。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

部分傳感器的荷載-應(yīng)變曲線如圖4所示。從圖中可以看出，在應(yīng)變較小的梁端區(qū)段曲線呈直線，這表明梁的該區(qū)段仍然處于彈性工作階段，未出現(xiàn)損傷。傳感器3在第三級(jí)荷載下應(yīng)變出現(xiàn)了突然的增大，表明該區(qū)段在該級(jí)荷載下可能出現(xiàn)了損傷。對(duì)于位于跨中最有可能最先出現(xiàn)裂縫的傳感器6所在區(qū)段，其應(yīng)變的突變?cè)诘谒募?jí)荷載下才出現(xiàn)，并沒(méi)有很好地探測(cè)到梁的初損傷。經(jīng)過(guò)分析，這有可能是因?yàn)橐簤呵Ы镯敿虞d難于控制，荷載步長(zhǎng)又過(guò)大，在預(yù)加載階段，梁就已經(jīng)出現(xiàn)了初損傷，而第四級(jí)荷載下的應(yīng)變突變，對(duì)應(yīng)的應(yīng)該是該區(qū)段出現(xiàn)第二次損傷。

圖4 荷載-應(yīng)變曲線

裂縫觀測(cè)儀得到的梁的裂縫開(kāi)展情況如圖5所示（圖中省略了未出現(xiàn)裂縫的單元）?？梢钥闯觯現(xiàn)BG傳感器探測(cè)到了所有裂縫的出現(xiàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相比傳統(tǒng)的應(yīng)變片，長(zhǎng)標(biāo)距的FBG傳感器覆蓋了更大的空間，擁有更大的傳感范圍，可以準(zhǔn)確地捕捉裂縫的出現(xiàn)。

圖5 梁裂縫圖

4 結(jié)論

混凝土裂縫是橋梁中常見(jiàn)的病害，其早期發(fā)現(xiàn)對(duì)于保證橋梁安全具有重要意義。傳統(tǒng)的傳感器往往是點(diǎn)式監(jiān)測(cè)，如果測(cè)點(diǎn)少則無(wú)法覆蓋整個(gè)結(jié)構(gòu)，測(cè)點(diǎn)過(guò)多又耗費(fèi)巨大的成本。因此本文提出了一種基于光纖的分布式傳感技術(shù)。

此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)混凝土梁的試驗(yàn)，對(duì)該分布式傳感技術(shù)的裂縫監(jiān)測(cè)方法和可靠性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該傳感可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到裂縫，因此該方法對(duì)于實(shí)際橋梁的應(yīng)用具有重要意義。

［1］丁睿，劉浩吾.分布式光纖傳感技術(shù)在裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（6）：651-654.

［2］唐天國(guó)，陳春華，劉浩吾.分布式光纖傳感用于大壩基座裂縫監(jiān)測(cè)(英文)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007（10）：2357-2360.

［3］毛江鴻.分布式光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)應(yīng)變及開(kāi)裂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012.

［4］張少杰，陳江，閔興鑫，等.碳涂覆光纖用于分布式裂縫檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2010（4）：230-233.

［5］郭宗蓮，張宇峰，陳紫妍，等.分布式長(zhǎng)標(biāo)距FBG傳感技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.世界橋梁，2015（1）：70-74.

Research on Bridge Fracture Monitoring Technology Based on Distributed Sensing

Liu Fashui
（Fuzhou Highway Bureau, Fuzhou 350211, China）

Concrete crack is a common diseases in the bridge, the serious structural cracking will be a threat to the safety of bridge structure. As a result, the crack detection and monitoring are always the important task of bridge management and maintenance. Traditional strain gauges are monitoring point by point, which is difficult to cover the crack area of bridge. This paper introduces the distributed optical fiber sensing technology, then it is applied in laboratory test on a concrete beam, which verifies the reliability of the proposed monitoring method. Distributive sensing technology for crack monitoring can overcome drawbacks of traditional strain gauges, and it has significant value for engineering practice.

distributed sensing technology; concrete crack; strain sensor; structural safety; condition assessment

U446.2

A

1672-9889（2016）06-0059-03

2016-10-31）

劉發(fā)水（1966-），男，福建長(zhǎng)樂(lè)人，高級(jí)工程師，主要從事科技管理、養(yǎng)護(hù)工程管理工作。