智能化光纖技術(shù)在城市橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

衛(wèi)文哲 張 磊 郭昌祚

(北京市道路工程質(zhì)量監(jiān)督站，北京 100076)

1 概述

道路的安全與暢通是城市賴以生存發(fā)展的重要基礎(chǔ)。但是近幾年國(guó)內(nèi)外塌橋事件屢有發(fā)生，從2012年哈爾濱陽(yáng)明灘大橋發(fā)生坍塌到去年意大利Morandi bridge斜拉橋坍塌事故，無(wú)不時(shí)刻給世人敲響著警鐘。作為首都北京，其自身政治重要性不言而喻，任何安全事故的發(fā)生都會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。而自20世紀(jì)90年代，隨著北京市對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)投資的加大，城區(qū)道路建設(shè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，尤其近年來(lái)，面臨著超載現(xiàn)象日趨嚴(yán)重、橋梁量多質(zhì)低、結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護(hù)不及時(shí)等問(wèn)題給主責(zé)單位的管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

為了避免出現(xiàn)橋梁安全事故，必須采取監(jiān)測(cè)養(yǎng)護(hù)措施，確保其運(yùn)營(yíng)安全、有序、穩(wěn)定。通過(guò)近幾年對(duì)北京城區(qū)環(huán)線橋梁檢測(cè)大數(shù)據(jù)篩查，發(fā)現(xiàn)有很多共性的橋梁損傷病害，如萬(wàn)柳橋、西直門(mén)立交等存在網(wǎng)裂病害等問(wèn)題；還有很多混凝土橋梁內(nèi)部存在空腔，其處難以到達(dá)，致使許多病害情況不能第一手獲得，構(gòu)成了很大的安全隱患。按照近代力學(xué)的觀點(diǎn)，裂縫是評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷程度和安全性最直接最關(guān)鍵的參數(shù)之一,而傳統(tǒng)的混凝土裂縫檢測(cè)技術(shù)屬于單點(diǎn)或人工檢測(cè)法，準(zhǔn)確度雖高，但不能連續(xù)進(jìn)行信息采集，存在局限性。光纖傳感技術(shù)屬于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)手段之一，其可以對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，能對(duì)混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的整體及關(guān)鍵部位進(jìn)行全面有效的在線病害監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)外部損傷情況，并通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+”傳輸技術(shù)實(shí)時(shí)反饋至中控平臺(tái)，以便在結(jié)構(gòu)造成破壞前，能夠采取行之有效的維修措施，確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

本文研究依托于某高架立交橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目，采用的是新型分布式光纖傳感測(cè)試技術(shù)，通過(guò)智能化系統(tǒng)在城市橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用，提升橋梁管養(yǎng)單位的管理水平和安全保障能力，確保城市橋梁群的運(yùn)營(yíng)安全和長(zhǎng)久耐用。

2 總體方案簡(jiǎn)介

2.1 方案內(nèi)容

總體系統(tǒng)包括分布式光纖結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、系統(tǒng)融合與評(píng)估子系統(tǒng)。

分布式光纖結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)采用分布式光纖傳感技術(shù)，用于監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、裂縫分布及變化趨勢(shì)，獲取橋梁結(jié)構(gòu)病害信息，對(duì)結(jié)構(gòu)異常部位進(jìn)行預(yù)警。系統(tǒng)融合和評(píng)估子系統(tǒng)將分布式光纖裂縫監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，綜合評(píng)價(jià)橋梁的健康狀況。

2.2 分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)原理

分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)是一種新型光纖傳感方法，可用來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)體表面的應(yīng)變量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一般由解調(diào)儀和傳感光纖(光纜)兩部分組成。解調(diào)儀發(fā)出泵浦光和探測(cè)光(斯托克斯光)兩路光，分別從光纖的兩端注入傳感光纖中。當(dāng)兩路光的頻率差落在布里淵光譜內(nèi)，光纖中產(chǎn)生受激布里淵效應(yīng)，能量從泵浦光向探測(cè)光發(fā)生轉(zhuǎn)移，使探測(cè)光受到增益，背向散射的探測(cè)光的時(shí)域分布反映出光纖各位置點(diǎn)所受布里淵增益的情況，測(cè)得光纖各點(diǎn)的布里淵頻移值，即可測(cè)得光纖各點(diǎn)所受應(yīng)變。

與現(xiàn)有的應(yīng)變(裂縫)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)。

1)總體分布測(cè)量，可準(zhǔn)確給出每個(gè)傳感光纜所及的任何位置點(diǎn)處的應(yīng)變情況，避免因理論建模推算引起的誤差；

2)可對(duì)結(jié)構(gòu)體的應(yīng)變情況進(jìn)行準(zhǔn)確定位，方便排查異常應(yīng)變處的受力情況，排查故障；

3)由于粘接采用單根光纜，一致性比點(diǎn)式應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)更好；

4)采用通信用光纜，使應(yīng)變分布監(jiān)測(cè)的成本大幅下降；

5)與電阻式、振弦式等非光纖監(jiān)測(cè)方案比，分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光電分離，傳感端無(wú)需供電和無(wú)需采集設(shè)備，降低配套施工量。

2.3 光纖光柵監(jiān)測(cè)原理

光纖光柵是一種性能優(yōu)異的窄帶反射濾波無(wú)源器件。當(dāng)光波傳輸通過(guò)光纖布拉格光柵時(shí)，滿足布拉格光纖光柵條件的光波矢將被反射回來(lái)，當(dāng)布拉格光柵受到外界應(yīng)力(應(yīng)變)作用時(shí)，光柵周期會(huì)發(fā)生變化。利用應(yīng)變或溫度改變光柵中心波長(zhǎng)(周期)，達(dá)到測(cè)試被測(cè)物理量的目的。

光纖光柵的優(yōu)點(diǎn):一是數(shù)字式傳感，壽命長(zhǎng)，可靠性高；二是靈敏度高，測(cè)量精度高；三是可實(shí)現(xiàn)大容量、遠(yuǎn)程分布式測(cè)量，有利于網(wǎng)絡(luò)化；四是可對(duì)窄小空間和材料內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，有利于智能化。

2.4 技術(shù)路線

常用橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)基于光纖光柵和分布式光纖傳感技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)損傷裂縫監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，借此評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況并進(jìn)行預(yù)警報(bào)警處理以確保運(yùn)營(yíng)安全；在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)橋梁裂縫病害的監(jiān)測(cè)、識(shí)別和分析評(píng)估，以此作為進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的依據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.5 系統(tǒng)特點(diǎn)

橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：一是點(diǎn)式與分布式并行監(jiān)測(cè)；二是結(jié)合光纖光柵點(diǎn)式和分布式光纖傳感技術(shù)，既可監(jiān)測(cè)大型結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置處的應(yīng)變、溫度等信息，又可給出結(jié)構(gòu)整體的變化情況；三是實(shí)時(shí)全光監(jiān)測(cè)，安全可靠；四是全光傳輸、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需供電、抗電磁干擾、抗雷擊；五是實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)；六是工作壽命較長(zhǎng)。

3 典型數(shù)據(jù)分析和預(yù)防性措施

3.1 第一次數(shù)據(jù)采集結(jié)果

選取六月中旬某天，進(jìn)行全天測(cè)量，圖2對(duì)應(yīng)四段T梁的應(yīng)變變化結(jié)果。

從圖2可得，全天應(yīng)變變化曲線中，四片梁的應(yīng)變變化兩端較大，中間較小，說(shuō)明通車過(guò)程中，對(duì)橋梁兩端的受力影響較大。

3.2 第二次數(shù)據(jù)采集結(jié)果

選取七月中旬某天，進(jìn)行全天測(cè)量，圖3對(duì)應(yīng)的是四段T梁的應(yīng)變變化結(jié)果。

從圖3可得，全天應(yīng)變變化曲線中，四片梁的應(yīng)變變化兩端較大，整體變化不大，說(shuō)明當(dāng)天溫度變化較小，對(duì)整體應(yīng)力影響較小。

3.3 兩天對(duì)比結(jié)果

兩天測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比：

從圖4四片梁的測(cè)試結(jié)果對(duì)比可得，整體應(yīng)變變化不大，但是在橋梁的兩端位置出現(xiàn)應(yīng)變突變較大的情況，說(shuō)明兩端受擾動(dòng)變化較大，裂縫會(huì)出現(xiàn)增大的情況。

3.4 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)據(jù)分析判斷得出，四片梁的整體應(yīng)變變化不大，但是在橋梁的兩端位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變突變較大的情況，說(shuō)明兩端的裂縫會(huì)出現(xiàn)增大的情況。與現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比可得，的確存在此種情況，梁體兩端裂縫分布十分密集，分析原因可能是由于墩臺(tái)伸縮縫位置由于下雨漏水的緣故，導(dǎo)致梁體兩端鋼筋銹蝕，裂縫增多。針對(duì)梁體兩端裂縫的情況，后續(xù)準(zhǔn)備采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，采取相應(yīng)的技術(shù)措施用于改善橋梁的系統(tǒng)的功能狀況，減少裂縫的增長(zhǎng)速度和出現(xiàn)，延長(zhǎng)其使用壽命，提升路面服務(wù)水平。

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單研究了光纖傳感測(cè)試技術(shù)在城市橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的實(shí)際應(yīng)用，結(jié)合典型數(shù)據(jù)分析，得到通過(guò)定期測(cè)試可發(fā)現(xiàn)橋梁的病害位置，最后提出針對(duì)性的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施。以光纖物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智能檢測(cè)技術(shù)擁有預(yù)知橋梁病害的發(fā)展趨勢(shì)的能力，可為橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)提供必要的技術(shù)支持，對(duì)延緩橋梁大修和翻建的期限，提高橋梁的使用水平和壽命，為設(shè)計(jì)、施工和管養(yǎng)單位決策提供參考依據(jù)。