光纖光柵傳感器在鋼橋面鋪裝長期監(jiān)測中的應(yīng)用

黃 運(yùn) ，陳 瑋 ，李伯楠

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，上海200125；

3.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)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(dǎo)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(yīng)力、應(yīng)變的研究多采用有限元進(jìn)行分析，實(shí)橋?yàn)r青鋪裝層進(jìn)行系統(tǒng)化的加載試驗(yàn)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(jìn)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(shè)計(jì)提供可靠的力學(xué)依據(jù)。

光纖傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成光信號來進(jìn)行檢測的光學(xué)傳感器。利用光纖傳感器可實(shí)現(xiàn)對多個(gè)物理量的測量，如檢測位移、應(yīng)變、振動、壓力、速度、加速度、角度、加速度等[1]。自上世紀(jì)80年代以來，光纖傳感技術(shù)取得了廣泛的發(fā)展，已有上千種光纖傳感器應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域[2]。

本文以桃浦路蘊(yùn)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(shè)方案，安裝方法進(jìn)行詳細(xì)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(yùn)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(yùn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1 應(yīng)變試驗(yàn)設(shè)備

應(yīng)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(yīng)變傳感器分為光纖光柵應(yīng)變傳感器、振弦式應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變式傳感器。對于應(yīng)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(shí)”、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(yīng)變值，它需能承受較大的溫度。試驗(yàn)路段中，鋪裝層的施工溫度都在180℃左右，所以，應(yīng)變傳感器的工作溫度最大值應(yīng)大于200℃左右。鋪裝結(jié)構(gòu)中計(jì)算應(yīng)變較大值可達(dá)300 με，所以，量程至少應(yīng)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(yīng)變傳感器測試水平橫向和縱向應(yīng)變，量程均為±1 500 με，滿足施工及測試要求。

2.2 溫度試驗(yàn)設(shè)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(yàn)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(yīng)變傳感器進(jìn)行溫補(bǔ)。橋梁底部采用光纖光柵溫度傳感器QST100進(jìn)行橋底面溫度測試，并對應(yīng)變進(jìn)行溫度補(bǔ)償。采集系統(tǒng)為FBG8600，與光纖光柵應(yīng)變傳感器同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 傳感器布設(shè)方案

由于該橋?yàn)殍旃埃旒芙M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(diǎn)于桁拱最大縱坡及桁架部分。兩個(gè)橫隔板間距3.375 m。輪跡帶寬取1.8 m。

布設(shè)原則：（1）在橋面板底部及鋪裝結(jié)構(gòu)中分別布設(shè)傳感器，且盡量相互對應(yīng)。（2）便于埋設(shè)安裝，線路盡量短，所以要在最外側(cè)車道上進(jìn)行埋設(shè)。（3）應(yīng)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(yīng)變：橫橋向，在橫隔板處、兩個(gè)橫隔板1/2處布設(shè)傳感器；縱橋向，在U形肋、兩個(gè)U形肋1/2處、系梁、縱梁等處布置。

3.1 應(yīng)變傳感器布設(shè)方案

（1）橋面板底部應(yīng)變傳感器布置方案：在兩個(gè)橫隔板中間1/2直線上測試縱向應(yīng)變，應(yīng)變傳感器分別布置于系梁底面中心位置、第二個(gè)U形肋底部中心、第二、三U形肋1/2中間橋面板上、第五個(gè)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(yīng)變傳感器6個(gè)，并聯(lián)連接至一個(gè)1×6的分路盒中，光纖光柵溫度傳感器1個(gè)，布置于應(yīng)變傳感器附近并串聯(lián)至距離最近的一個(gè)應(yīng)變傳感器中。橫隔板處測試橫向應(yīng)變，傳感器布設(shè)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(shè)示意圖

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

3.2 溫度傳感器布設(shè)方案

該項(xiàng)試驗(yàn)中隨施工共布設(shè)溫度傳感器12個(gè)，桁拱結(jié)構(gòu)與桁架結(jié)構(gòu)各6個(gè)，在每一部分，鋪裝結(jié)構(gòu)中埋設(shè)Pt100溫度傳感器4個(gè)，橋底面光纖光柵溫度傳感器2個(gè)。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(shè)1個(gè)，距離機(jī)非分隔欄桿橫向1 m。

4 傳感器安裝埋設(shè)

4.1 橋底面?zhèn)鞲衅靼惭b

應(yīng)變傳感器安裝：首先根據(jù)布設(shè)方案準(zhǔn)確確定應(yīng)變傳感器的位置，清理干凈橋面板表面，并作嚴(yán)格標(biāo)記。然后對標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)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(jìn)行應(yīng)變傳感器焊接工作，焊接時(shí)，要注意傳感器不能偏離縱向或橫向方位；在焊接過程中，應(yīng)變傳感器應(yīng)接通到光纖光柵解調(diào)儀上，時(shí)刻關(guān)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(yīng)及時(shí)拆除重新進(jìn)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(yīng)的橫梁下翼板上，緊貼鋼板，以準(zhǔn)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(yīng)變傳感器打磨處進(jìn)行修補(bǔ)，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(shè)

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

4.2.1 位置標(biāo)記

首先要在埋設(shè)傳感器的試驗(yàn)段上準(zhǔn)確確定應(yīng)變傳感器的位置，清理干凈表面，并在適當(dāng)位置上作嚴(yán)格編號和標(biāo)記，以備后續(xù)加載及數(shù)據(jù)采集時(shí)辨別使用。

4.2.2 應(yīng)變傳感器安裝埋設(shè)

在環(huán)氧層底應(yīng)變傳感器埋設(shè)時(shí)，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(jī)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(xì)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(shí)，最后要及時(shí)鋪筑面層材料并適當(dāng)碾壓。在SMA層底埋設(shè)時(shí)，在埋設(shè)點(diǎn)開挖淺槽，大小宜放得下傳感器為準(zhǔn)，其他操作同環(huán)氧層底傳感器埋設(shè)。

4.2.3 溫度傳感器安裝埋設(shè)

埋設(shè)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(gè)過程要避免氣泡的產(chǎn)生，因?yàn)闅馀輹绊憸囟鹊膫鬟f。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(diǎn)稍微低于埋設(shè)點(diǎn)表面，整個(gè)過程中也要避免產(chǎn)生氣泡。為了盡量跟現(xiàn)實(shí)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(shí)。最后把電纜放入電纜溝之中，用路面冷補(bǔ)料填充搗實(shí)。

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(dǎo)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(cuò)誤信號。

瀝青層線槽開挖時(shí)，若在施工完畢后，采取手動開挖，由于混合料的膠結(jié)及強(qiáng)度的形成，此種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且線槽不規(guī)整。試驗(yàn)中所用方法為：在壓路機(jī)碾壓3～4遍后至路面不出現(xiàn)較大的推移時(shí)，在要開挖線槽的位置放置一根直徑與線槽大小相當(dāng)?shù)匿摻睿趬郝窓C(jī)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(xì)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(shè)

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

在埋設(shè)過程中，傳感器皆連接到采集儀上，進(jìn)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(yīng)變傳感器與鋪裝層間布設(shè)位置對應(yīng)，在加載測試前進(jìn)行安裝，步驟為：位置標(biāo)記、傳感器粘貼、數(shù)據(jù)線布設(shè)。

（1）位置確定：根據(jù)先前標(biāo)記確定測點(diǎn)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(qiáng)力膠牢固粘貼于測點(diǎn)位置。建議：表面?zhèn)鞲衅餍柚辽儆诩虞d前2 h粘貼以達(dá)到穩(wěn)定粘結(jié)強(qiáng)度。

（3）數(shù)據(jù)線布設(shè)：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(biāo)記。

5 結(jié)論

本文以鋼橋面鋪裝應(yīng)力及溫度采集工作為例，對傳感器的使用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。重點(diǎn)研究了傳感器的選取、傳感器布設(shè)的原則。對不同位置的傳感器的標(biāo)記、安裝，以及線路布設(shè)等進(jìn)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(yīng)用 [J].交通世界，2011，(14):147－149.

[2]宋志強(qiáng)，張復(fù)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(yīng)用研究[J].山東科學(xué)，2011，(5):18－19.