光纖光柵傳感器在鋼橋面鋪裝長期監(jiān)測中的應用

黃 運 ，陳 瑋 ，李伯楠

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.上海市城市建設設計研究總院，上海200125；

3.同濟大學交通運輸工程學院，上海201800）

0 前言

鋼橋面板在車輛荷載作用下易產(chǎn)生較大的局部變形，從而導致鋼橋面板上的瀝青鋪裝產(chǎn)生裂縫。國內(nèi)對與橋面鋪裝應力、應變的研究多采用有限元進行分析，實橋瀝青鋪裝層進行系統(tǒng)化的加載試驗及長期監(jiān)測還處于空白階段。因此，有必要對鋼橋面板和瀝青混合料鋪裝在靜載、動載作用下的變形狀況，以及自然因素條件下的溫度狀況進行系統(tǒng)的研究和分析，以便為鋼橋面瀝青混合料鋪裝的結(jié)構(gòu)設計提供可靠的力學依據(jù)。

光纖傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成光信號來進行檢測的光學傳感器。利用光纖傳感器可實現(xiàn)對多個物理量的測量，如檢測位移、應變、振動、壓力、速度、加速度、角度、加速度等[1]。自上世紀80年代以來，光纖傳感技術取得了廣泛的發(fā)展，已有上千種光纖傳感器應用到各個領域[2]。

本文以桃浦路蘊藻浜大橋工程為依托，從不同結(jié)構(gòu)、不同用途傳感器選取方面入手，對傳感器的埋設方案，安裝方法進行詳細介紹，為以后工程中傳感器使用提供了借鑒。

1 工程概況

桃浦路蘊藻浜大橋是軌道交通11號線重要的配套工程，包括主橋、引橋、梯道天橋和地面輔道等，全長1.15 km。桃浦路蘊藻浜大橋工程主橋采用兩跨連續(xù)下承式鋼桁架拱全焊接組合鋼結(jié)構(gòu)，跨徑組合66m+135m。主橋橋?qū)?3m，總用鋼量約4400t。鋪裝層上面層采用SMA－13混合料，下面層采用EA－10混合料，粘結(jié)層采用環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料。

2 實驗設備

2.1 應變試驗設備

應變傳感器按信號的采集傳輸和處理原理可以把現(xiàn)有的應變傳感器分為光纖光柵應變傳感器、振弦式應變傳感器和電阻應變式傳感器。對于應變傳感器而言，判斷其優(yōu)劣的依據(jù)主要是其變形與所測物質(zhì)的“同時”、傳感器的穩(wěn)定性以及傳感器的存活率。

用于面層中的傳感器主要是用來測量結(jié)構(gòu)層層底的水平應變值，它需能承受較大的溫度。試驗路段中，鋪裝層的施工溫度都在180℃左右，所以，應變傳感器的工作溫度最大值應大于200℃左右。鋪裝結(jié)構(gòu)中計算應變較大值可達300 με，所以，量程至少應大于500 με。綜合考慮以上各種因素，選擇光纖光柵傳感器TDR－FBG－G－LE100及薄片狀TDRFBG－G－VE40應變傳感器測試水平橫向和縱向應變，量程均為±1 500 με，滿足施工及測試要求。

2.2 溫度試驗設備

由于路面材料中集料的棱角性、瀝青混合料的高溫性、道路施工的相對粗放性，以及施加循環(huán)荷載大且次數(shù)多，試驗中選擇定制的Pt100溫度傳感器。其測量范圍是－200℃～650℃，精度為0.01℃，誤差0.5℃。另外，溫度傳感器的溫度結(jié)果也用于對應變傳感器進行溫補。橋梁底部采用光纖光柵溫度傳感器QST100進行橋底面溫度測試，并對應變進行溫度補償。采集系統(tǒng)為FBG8600，與光纖光柵應變傳感器同時進行數(shù)據(jù)采集。

3 傳感器布設方案

由于該橋為桁拱－桁架組合結(jié)構(gòu)，為了體現(xiàn)兩種不同結(jié)構(gòu)的受力情況，分別選定測點于桁拱最大縱坡及桁架部分。兩個橫隔板間距3.375 m。輪跡帶寬取1.8 m。

布設原則：（1）在橋面板底部及鋪裝結(jié)構(gòu)中分別布設傳感器，且盡量相互對應。（2）便于埋設安裝，線路盡量短，所以要在最外側(cè)車道上進行埋設。（3）應變傳感器布置于輪跡帶處，此橋自邊緣開始，將第二及第五U形肋處于輪跡帶上。（4）盡量測試不同處較大荷位的應變：橫橋向，在橫隔板處、兩個橫隔板1/2處布設傳感器；縱橋向，在U形肋、兩個U形肋1/2處、系梁、縱梁等處布置。

3.1 應變傳感器布設方案

（1）橋面板底部應變傳感器布置方案：在兩個橫隔板中間1/2直線上測試縱向應變，應變傳感器分別布置于系梁底面中心位置、第二個U形肋底部中心、第二、三U形肋1/2中間橋面板上、第五個U形肋底部中心及其邊緣橋面底、縱梁底面中心位置。每一排中光纖光柵應變傳感器6個，并聯(lián)連接至一個1×6的分路盒中，光纖光柵溫度傳感器1個，布置于應變傳感器附近并串聯(lián)至距離最近的一個應變傳感器中。橫隔板處測試橫向應變，傳感器布設同橫隔板1/2處。桁拱、桁架部分各布置上述兩排，如圖1所示。

圖1 橋底傳感器布設示意圖

（2）鋪裝結(jié)構(gòu)中應變傳感器布置方案：在兩個橫隔板中間1/2直線上測試橫向應變，應變傳感器分別布置于第二個U形肋底部中心、第五個U形肋底部中心的面層對應位置。在橫隔板處直線上測試縱向應變，應變傳感器位置同上，如圖2所示。

圖2 .2 鋪裝結(jié)構(gòu)中傳感器布設示意圖

3.2 溫度傳感器布設方案

該項試驗中隨施工共布設溫度傳感器12個，桁拱結(jié)構(gòu)與桁架結(jié)構(gòu)各6個，在每一部分，鋪裝結(jié)構(gòu)中埋設Pt100溫度傳感器4個，橋底面光纖光柵溫度傳感器2個。鋪裝結(jié)構(gòu)中SMA層底及環(huán)氧瀝青混合料層底，在兩橫隔板處及兩橫隔板中間各埋設1個，距離機非分隔欄桿橫向1 m。

4 傳感器安裝埋設

4.1 橋底面?zhèn)鞲衅靼惭b

應變傳感器安裝：首先根據(jù)布設方案準確確定應變傳感器的位置，清理干凈橋面板表面，并作嚴格標記。然后對標記點進行打磨，去除鋼板表面油漆，打磨區(qū)域大約為邊長為6 cm的正方形。接下來用焊槍進行應變傳感器焊接工作，焊接時，要注意傳感器不能偏離縱向或橫向方位；在焊接過程中，應變傳感器應接通到光纖光柵解調(diào)儀上，時刻關注其波長圖，觀察是否發(fā)生異常變化或是波長消失，如有問題應及時拆除重新進行焊接。而且，傳感器線路盡量簡易清晰，每隔大約30 cm用磁鐵及凸型貼片固定至鋼板上。

橋底面溫度傳感器安裝：在橫隔板處，將溫度傳感器固定于相應的橫梁下翼板上，緊貼鋼板，以準確測試橋面板的底面溫度。在兩橫隔板1/2處，將溫度傳感器固定于U形肋或橋面板上。

在橋底面?zhèn)鞲衅靼惭b完畢后，用油漆對應變傳感器打磨處進行修補，防止鋼板生銹，影響整體美觀。

4.2 鋪裝層中傳感器安裝埋設

按照設計的應變傳感器的布置間距、數(shù)量和方位進行布設。由于面層施工溫度高，在埋設傳感器前，對傳感器及接頭關鍵部位等用耐高溫膠帶進行包裹處理。

4.2.1 位置標記

首先要在埋設傳感器的試驗段上準確確定應變傳感器的位置，清理干凈表面，并在適當位置上作嚴格編號和標記，以備后續(xù)加載及數(shù)據(jù)采集時辨別使用。

4.2.2 應變傳感器安裝埋設

在環(huán)氧層底應變傳感器埋設時，在防水粘結(jié)層上灑布熱瀝青，以便使傳感器能很好地被粘住，減少攤鋪機的推動干擾。此外，要在傳感器上及周圍灑鋪將要鋪筑的面層細料，灑鋪范圍超出傳感器邊緣4 cm～5 cm為宜，并用木槌或橡膠錘輕輕擊實，最后要及時鋪筑面層材料并適當碾壓。在SMA層底埋設時，在埋設點開挖淺槽，大小宜放得下傳感器為準，其他操作同環(huán)氧層底傳感器埋設。

4.2.3 溫度傳感器安裝埋設

埋設于結(jié)構(gòu)層中的溫度傳感器束要用瀝青混合料裂縫灌縫材料充分裹覆，不要填滿，要低于面層表面，整個過程要避免氣泡的產(chǎn)生，因為氣泡會影響溫度的傳遞。然后把裹覆好的溫度傳感器束放入開挖好的溫度傳感器坑洞中，使其最高的熱電阻敏感點稍微低于埋設點表面，整個過程中也要避免產(chǎn)生氣泡。為了盡量跟現(xiàn)實的環(huán)境接近，用從電纜溝中開挖出來的材料灑在傳感器洞之上壓實。最后把電纜放入電纜溝之中，用路面冷補料填充搗實。

4.2.4 線路槽的開挖

線路槽的走向一定要先沿傳感器接頭光纜方向走至少5cm，以免使光纜出現(xiàn)小半徑圓弧，阻礙光的傳遞。然后才能根據(jù)需要，將所有傳感器光纜逐步歸并到總的線槽之中并導出路面之外，這是由于汽車啟動或剎車過程或其他外界因素作用下會引起路面結(jié)構(gòu)挫動，這為了避免因這種挫動牽扯數(shù)據(jù)線而引起的傳感器失靈或輸出錯誤信號。

瀝青層線槽開挖時，若在施工完畢后，采取手動開挖，由于混合料的膠結(jié)及強度的形成，此種方式費時費力，且線槽不規(guī)整。試驗中所用方法為：在壓路機碾壓3～4遍后至路面不出現(xiàn)較大的推移時，在要開挖線槽的位置放置一根直徑與線槽大小相當?shù)匿摻睿趬郝窓C的碾壓作用下，鋼筋被壓入路面形成斷面規(guī)整的線槽，線槽開挖好之后一定要仔細清掃傳感器槽和線槽，掃除大顆粒和尖銳顆粒，防止這些顆粒刮傷傳感器和數(shù)據(jù)線。

4.2.5 數(shù)據(jù)線的埋設

線槽中鋪一些過篩細料，用來保護數(shù)據(jù)線不被割破。把數(shù)據(jù)線沿線槽鋪設，并引到路面結(jié)構(gòu)之外，最后用面層細料回填完畢，擊實，達到原來面層的高度。

在埋設過程中，傳感器皆連接到采集儀上，進行狀態(tài)監(jiān)測。

4.3 鋪裝層表面?zhèn)鞲衅靼惭b

鋪裝層表面應變傳感器與鋪裝層間布設位置對應，在加載測試前進行安裝，步驟為：位置標記、傳感器粘貼、數(shù)據(jù)線布設。

（1）位置確定：根據(jù)先前標記確定測點位置，并清理表面平整。

（2）傳感器粘貼：將傳感器主體及兩端用絕緣膠帶包裹，用強力膠牢固粘貼于測點位置。建議：表面?zhèn)鞲衅餍柚辽儆诩虞d前2 h粘貼以達到穩(wěn)定粘結(jié)強度。

（3）數(shù)據(jù)線布設：用膠帶將數(shù)據(jù)線固定于鋪裝層表面以減少車輛的揉搓推移，做好標記。

5 結(jié)論

本文以鋼橋面鋪裝應力及溫度采集工作為例，對傳感器的使用進行了詳細的介紹。重點研究了傳感器的選取、傳感器布設的原則。對不同位置的傳感器的標記、安裝，以及線路布設等進行了闡述，為橋面鋪裝長期監(jiān)測工作提供了借鑒。

[1]張成鋼.光纖傳感器及其工程應用 [J].交通世界，2011，(14):147－149.

[2]宋志強，張復榮，趙林，周忠，劉統(tǒng)玉.光纖光柵傳感器在路基沉降監(jiān)測中的應用研究[J].山東科學，2011，(5):18－19.