基于光纖傳感技術(shù)的橋梁檢測探討

王劍波

摘 ?要：在橋梁工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與質(zhì)量要求不斷增加的今天，為了確保橋梁工程的質(zhì)量，必須要采取有效的檢測方法與技術(shù)對其質(zhì)量進(jìn)行仔細(xì)校核。文章以光纖傳感技術(shù)為研究對象，重點對其在橋梁檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了深入探討，希望為后續(xù)橋梁工程質(zhì)檢的相關(guān)研究提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;質(zhì)量檢測;光纖傳感技術(shù)

中圖分類號：U446 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）31-0154-02

Abstract： Today， with the increase in complexity and quality requirements for bridge engineering structure， in order to ensure the quality of bridge engineering， effective testing methods and techniques must be adopted to carefully check its quality. This paper takes the optical fiber sensing technology as the research object， and focuses on its application in bridge detection， in the hope of providing some help for the follow-up research of bridge engineering quality inspection.

Keywords： bridge engineering; quality inspection; optical fiber sensing technology

橋梁工程具有里程長、工程造價高、覆蓋面廣、施工難度大以及質(zhì)量要求高等特征，尤其是新時期橋梁工程在后期運營中常常需要承受過大的持續(xù)性荷載，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性與強(qiáng)度具有較高要求。為了確保橋梁工程建設(shè)的質(zhì)量，或者為已建橋梁工程的改擴(kuò)建提供必要的指導(dǎo)意見，有必要采取一些先進(jìn)的質(zhì)檢技術(shù)。

1 橋梁檢測中光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

在以往的橋梁工程質(zhì)檢當(dāng)中普遍采取電檢測技術(shù)，通過在測定的關(guān)鍵位置處設(shè)置電阻應(yīng)變片，通過監(jiān)測電阻和電阻應(yīng)變片之間的規(guī)律進(jìn)行測定。由于該種檢測技術(shù)本身以“應(yīng)變-電量”為核心依據(jù)，非常容易受到測定環(huán)境因素的影響。比如，如果測定環(huán)境中的空氣具有比較大的濕度，那么容易增大電阻，進(jìn)而會誘發(fā)短路問題，影響點檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。而光纖傳感技術(shù)本身是以光信號為檢測的核心數(shù)據(jù)傳遞媒介，本身不會給橋梁結(jié)構(gòu)造成過大損害的同時，可以顯著增強(qiáng)其抗干擾能力，相應(yīng)的檢測分辨率與靈敏度也比較高。在實際的檢測過程中，在電磁場、壓力與溫度等外界條件的影響下，通過光纖中的光波參數(shù)會發(fā)生改變，通過測定光波參數(shù)的變化來了解相關(guān)物理量的大小，具體原理圖見圖1。

歸結(jié)起來，光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用優(yōu)勢主要表現(xiàn)如下：其一，操作便捷，抗干擾性能顯著。光纖傳感器發(fā)出的光信號不會受到外部環(huán)境中充斥的電磁波或噪聲等因素影響，更有利于保證測定結(jié)果可靠性。其二，光纖本身的柔韌性比較強(qiáng)，可以結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的不同形狀來針對性制作適宜形狀的光纖傳感器。其三，具有更寬的測量頻帶以及更大的動態(tài)響應(yīng)范圍，可以適應(yīng)于多種情況下的工程測量情況。

2 橋梁檢測中光纖傳感技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 應(yīng)用于橋梁振動檢測

橋梁結(jié)構(gòu)振動是影響橋梁工程正常通車的一個重要因素，嚴(yán)重的會危及橋梁結(jié)構(gòu)使用的安全性。在對橋梁結(jié)構(gòu)振動情況進(jìn)行檢測的過程中，如果可以創(chuàng)新應(yīng)用光纖傳感技術(shù)，那么可以對橋梁結(jié)構(gòu)的振幅、頻率等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有效地檢測，尤其是不單單可以從整體上對橋梁結(jié)構(gòu)的振動情況進(jìn)行測定，同樣可以結(jié)合實際的需求對局部部位的橋梁結(jié)構(gòu)振動情況進(jìn)行檢測。在對橋梁結(jié)構(gòu)振動情況進(jìn)行檢測期間，可以首先在橋梁內(nèi)部或表層位置處合理地安裝信號光纖，這樣可以使其伴隨著橋梁結(jié)構(gòu)本身的振動情況而相應(yīng)地做出振動響應(yīng)，而終端所輸出的光信號參數(shù)也會相應(yīng)地出現(xiàn)周期性變化。然后可以將這些具有振動信號特征的光信號參數(shù)傳遞給處理系統(tǒng)，并利用FFT分析這些反映振動因素的光信號參數(shù)變化之后即可確定出最終的橋梁結(jié)構(gòu)振動周期與頻率。

2.2 應(yīng)用于橋梁應(yīng)變檢測

橋梁結(jié)構(gòu)變形問題也是影響橋梁工程使用性能的一個重要因素，會給橋梁工程結(jié)構(gòu)使用的安全性與穩(wěn)定性帶來比較嚴(yán)重的影響，所以無論是新建路橋工程或者是在服役的路橋工程，對它們本身的應(yīng)變情況進(jìn)行檢測是路橋工程檢測的重要內(nèi)容之一。而在橋梁應(yīng)變檢測中應(yīng)用光纖傳感技術(shù)期間同樣可以根據(jù)相應(yīng)的傳感原理，在橋梁工程結(jié)構(gòu)檢測應(yīng)變的關(guān)鍵位置處科學(xué)安裝應(yīng)變傳感器，并做好相應(yīng)的應(yīng)變標(biāo)注。在標(biāo)注操作完畢后即可檢測橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況，同時在開展應(yīng)變檢測期間也要注意相應(yīng)地做好應(yīng)變檢測結(jié)果的觀察與記錄，最終可以直觀地觀察到橋梁結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)變情況。實際上，在橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)檢過程中，應(yīng)變與應(yīng)力都是關(guān)系橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性與安全性的重要參數(shù)。對橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力檢測而言，針對橋梁局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測可以采用E-P光纖傳感器進(jìn)行測定;針對橋梁結(jié)構(gòu)分布應(yīng)力監(jiān)測可以采用光纖布拉格光柵傳感器進(jìn)行測定。

以橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測為例，其在應(yīng)用光纖傳感技術(shù)期間主要涉及到如下幾個關(guān)鍵的步驟：其一，有效判定外部靜態(tài)環(huán)境條件是否滿足有關(guān)的規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn);其二，針對已經(jīng)標(biāo)注的各種傳感器，要專門性挑選適合類型的機(jī)械設(shè)備;其三，針對橋梁應(yīng)變在靜態(tài)環(huán)境當(dāng)中的情況檢測，要相應(yīng)地對測點進(jìn)行均勻分布，確保測點分布的均勻性與全面性。其四，要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)量開展工作應(yīng)力輸入，并對輸入與輸出的對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時記錄。然后可以調(diào)整輸入值到零值，重新對輸入與輸出兩個量的對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。依此操作開展重復(fù)二次操作，最后可以通過特定曲線公式結(jié)合測定橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變的數(shù)據(jù)來對橋梁結(jié)構(gòu)的最終應(yīng)變值進(jìn)行計算。

2.3 應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)檢測

混凝土結(jié)構(gòu)是橋梁結(jié)構(gòu)的“筋骨”，對結(jié)構(gòu)的承載性、強(qiáng)度與穩(wěn)固性具有較高要求。一旦混凝土結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度不滿足規(guī)定要求，就容易影響其使用性能的發(fā)揮，甚至誘發(fā)比較嚴(yán)重的安全事故。但是橋梁工程使用時間越久，其結(jié)構(gòu)材料容易遭受更加嚴(yán)重的侵蝕，進(jìn)而可能會形成越來越多程度各不相同的裂紋。根據(jù)裂紋的大小情況，一般可以將其相應(yīng)地劃分為貫穿裂縫與深裂縫兩種類型，其中后者的裂縫深度尺寸一般控制在0.2～0.3mm，而前者在出現(xiàn)之后會對橋梁結(jié)構(gòu)使用性能的正常發(fā)揮帶來不利影響，增加其出現(xiàn)安全事故的概率，甚至?xí)娼档蜆蛄航Y(jié)構(gòu)的整體承載性與強(qiáng)度，危及其使用的安全性。而裂縫也會逐漸發(fā)展成更為嚴(yán)重的質(zhì)量問題，甚至誘發(fā)坍塌等一些突出的施工安全事故，如影響橋梁結(jié)構(gòu)破損或嚴(yán)重變形等等。

如果橋梁工程本身出現(xiàn)了裂縫，那么要及時采取一些切實可行的手段與方法對它們進(jìn)行合理調(diào)整，如可以借助光纖傳感器技術(shù)來對其進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，之后結(jié)合檢測所得到的結(jié)果來優(yōu)化調(diào)整混凝土結(jié)構(gòu)，保證其使用性能的正常發(fā)揮。而在實際的橋梁結(jié)構(gòu)檢測過程中如果可以有效地運用光纖傳感技術(shù)，那么可以通過分布式檢測技術(shù)與手段的應(yīng)用來確保整體檢測的全面性，避免出現(xiàn)漏檢或錯檢問題的出現(xiàn)。相較于以往的電檢測技術(shù)，光纖傳感技術(shù)的靈活應(yīng)用更容易確保整體測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且相應(yīng)的操作比較便捷，不會嚴(yán)重破壞所檢測的混凝土結(jié)構(gòu)，這樣更有利于確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。在實際的混凝土結(jié)構(gòu)檢測過程中，可以通過提前在混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)埋入可埋式光纖傳感器（圖2）的方式，對混凝土結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度、耐久性等相關(guān)情況進(jìn)行有效地檢測。

圖2 可埋式光纖傳感器

2.4 應(yīng)用于橋梁其他檢測

除了上述幾個主要的橋梁結(jié)構(gòu)檢測中應(yīng)用光纖傳感器之外，還可以將光纖傳感器應(yīng)用于其他方面的橋梁檢測項目當(dāng)中，如可以將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于檢測橋梁受力結(jié)構(gòu)附件上面，如拱橋系桿、吊桿、懸索橋主纜以及系桿等中;也可以將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于錨桿與錨索等一些橋梁工程當(dāng)中的預(yù)應(yīng)力錨固構(gòu)件的質(zhì)量檢測當(dāng)中。通過有效地應(yīng)用光纖傳感技術(shù)，可以對構(gòu)件的受力大小情況、檢測值以及分布情況等進(jìn)行仔細(xì)地測定，這樣可以對橋梁結(jié)構(gòu)本身的使用性能進(jìn)行更加準(zhǔn)確地反映。簡言之，無論是新建工程或者是在服役的橋梁工程當(dāng)中，針對涉及到應(yīng)力、應(yīng)變以及強(qiáng)度和耐久性等使用性能的檢測，都可以結(jié)合實際的質(zhì)量檢測工作的需求，靈活地制定光纖傳感技術(shù)應(yīng)用方案，保證可以充分發(fā)揮其在提升檢測結(jié)果準(zhǔn)確性方面的積極作用，有效確保橋梁結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。

3 結(jié)束語

總之，光纖傳感技術(shù)是在當(dāng)前橋梁工程質(zhì)檢領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種檢測技術(shù)。在實際橋梁工程檢測中應(yīng)用光纖傳感技術(shù)，具有檢測效率高，成本低和操作便捷等應(yīng)用優(yōu)勢，具體可以應(yīng)用于橋梁振動、應(yīng)變、混凝土結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域中，保證可以充分發(fā)揮光纖傳感技術(shù)在確保最終橋梁工程質(zhì)量檢測效果方面的積極作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹泰松.橋梁新型檢測技術(shù)的研究和分析[J].中華建設(shè)，2019（7）：172-173.

[2]李祥.道路橋梁試驗檢測技術(shù)分析[J].工程技術(shù)研究，2017（11）：59+103.

[3]宋沛.光纖傳感技術(shù)與城市橋梁檢測[J].中國招標(biāo)周刊，2011（38）：55-57.

[4]張宇輝.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)與方法研究[D].湖南大學(xué)，2005.