光纖光柵傳感器在城軌橋梁監測中的設計與應用★

郭 玲 朱茂之

(1.廣東水利電力職業技術學院，廣東廣州 510635; 2.廣州復旦奧特科技股份有限公司，廣東廣州 510660)

1 概述

隨著中國城市化進程的不斷深入，現代城市軌道交通里程數日益增長，其中很多都需要架設橋梁鋪設軌道運送列車，以廣州地鐵四號線為例，全長46 km，高架線路就有30 km。城市軌道交通橋梁，因其鋪設鋼軌，荷載沉重，運輸對象又都是乘客，健康監測尤為重要，城軌橋梁一旦發生變形、垮塌等故障事故，將嚴重威脅到國家和人民的財產生命安全。如果能在災難來臨之前進行預測，對橋梁的損傷進行監測，從而對橋梁的健康狀況給出評估，那就會大大減少經濟和人員損傷，因此橋梁健康監測系統得到了迅速發展和運用，這項課題日益成為國內外橋梁學術界和工程界的研究熱點[1]。

已經建立橋梁健康監測系統的著名大橋有英國的Foyle連續鋼梁大橋[2]，美國的 Sunshine Skyway Bridge[3]，國內的江陰大橋、徐浦大橋等，這些橋梁監測系統基本上都是采用多種傳感器(甚至多達幾百個)檢測環境及橋梁結構變化情況，通過數據分析了解橋梁的實際運營狀態。橋梁健康監測系統的最終目標[4]是對結構的損傷位置和程度進行診斷，對橋梁的服役情況、可靠性進行智能評估，在橋梁運營狀態嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁的維修、養護與管理決策提供依據和指導。

目前橋梁檢測主要有電測、超聲、三維激光掃描、GPS、光纖光柵等技術。其中，電測技術測量結構件的應變變形，超聲技術能夠測量裂縫深度和混凝土強度，三維激光掃描技術可以反映橋梁的總體變形趨勢和量級，GPS進行形變識別。但是這些主流檢測技術通常只能檢測橋梁的一種狀態，而不能覆蓋所有檢測內容，難以實現實時長效檢測。在這些技術手段中，只有GPS和光纖光柵技術能夠實現長期檢測，但是GPS采樣率不夠高，定位精度低，其應用受到了限制。而光纖光柵技術因其耐久性好，靈敏度高，抗電磁干擾，可分布式測量等特點，近年來受到了橋梁檢測領域專家學者的廣泛注意。本文通過對光纖光柵傳感器的研究，介紹了一種橋梁健康監測系統的設計和應用方法。

2 光纖光柵傳感器

光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)是一種新型材料[5，6]，它以光纖為媒介，當檢測光在光纖中傳播時，因光纖的全部或部分環節所在環境(物理量、化學量等)的變化，光傳輸特性也會改變。其傳感器原理是:光柵周期改變量ΔΛ和反向耦合模的有效折射率neff主要決定了光纖光柵的波長光譜，任何使這兩個參量發生改變的物理過程都將引起光柵布拉格波長的漂移，它們與波長改變量ΔλB之間具有如下關系:

根據探測物理量的不同，可以把光纖光柵封裝成不同的傳感器，如動應變傳感器、加速度計、靜力水準儀等。

應變引起的光柵布拉格波長漂移可用下式表示:

其中，Pe為FBG的彈光系數;Ke為測量應變的靈敏度;e為應變量。

溫度變化引起的FBG波長漂移可用下式表示:

其中，a為FBG的熱膨脹系數;ξ為FBG的熱光系數;T為溫度;KT為測量溫度的靈敏度。

加速度引起的FBG波長漂移，可由動力學公式推導，具體推導公式可參考文獻[7]，結果如下:

其中，vg0為初始加速度;Ka為測量加速度的靈敏系數。

光纖光柵作為位移計的計算公式推導可參考文獻[8]，結果公式為:

其中，x為位移量;Kx為測量位移的靈敏系數。

由式(1)～式(5)可知，光纖光柵應變傳感器是以光的波長移位量為最小計量單位的，目前檢測FBG波長移動的分辨率已高達pm量級，因此，光纖光柵應變傳感器具有非常高的測量精度和電磁抗干擾能力。

3 光纖光柵技術在城軌橋梁監測中的設計和應用

簡支梁結構在城軌橋梁中應用廣泛，以廣州地鐵4號線為例，橋跨總長1 972 m，就有44孔簡支梁，5節段連續梁。因此選取兩跨典型簡支梁布設橋梁健康監測系統進行技術研究。

3.1 監測內容的設定

橋梁監測系統監測內容的確定至關重要[9]。與城市公路高架橋梁相比，城市軌道交通高架橋梁的顯著特點是軌道系統的存在。針對城軌橋梁運輸的特點，確立城軌橋梁狀態監測系統主要測試結構的受力、幾何變形和振動特性[10]。具體的測試內容為:1)加速度測試:主要測試橋面在行車作用下的振動加速度，以及重要結構振動加速特性，加速度測試包括豎向、橫向加速度的測試。2)動應力測試:了解結構在活載、溫度等各種荷載作用下的應力或內力狀態，動應力測試包括橋梁結構控制截面梁體或桿件的應力監測，以及橋結合部等復雜結構局部的最不利應力與疲勞應力幅值的監測。3)自振特性測試:主要測試橋梁結構豎向、橫向前3階自頻率、振型與阻尼比，以及扭轉一階頻率、振型與阻尼比等自振特性。4)橋梁幾何位移(主要是縱向線型)測試:通常溫度、意外荷載以及混凝土收縮徐變等因素都會引起橋梁軸線位置的變化，對簡支梁結構，一般監測項目是主梁撓度、墩臺變位等。

因此設定監測系統的監測項目見表1。

表1 橋梁健康監測系統的監測內容

3.2 橋梁監測系統設計

橋梁監測系統設計見圖1。

圖1 橋梁健康監測系統方案設計

系統包含了應力狀態監測子系統、位移監測子系統，以及加速度監測子系統。前端傳感器由光纖光柵應變傳感器、靜力水準儀、加速度傳感器、溫度傳感器、車輛感應器構成，光纖光柵傳感器通過單芯光纜串聯后，在橋面設置光纖接續盒，引入到本地控制室的解調儀，前端傳感器數據經過解調后變為數字信號，供存儲和分析使用。同時，遠方控制室相關人員可以通過Internet網絡得到他們關心的數據和結果。

3.3 光纖光柵傳感器的布置

由于經濟和結構運行狀態等方面的原因，在整座橋梁所有自由度上安置傳感器是不可能也是不現實的，因此，就出現了傳感器的優化布設問題。通過盡可能少的傳感器來獲取最可靠而最全面的橋梁健康狀況信息，就是優化布設的目的。采用分類型混合方法進行傳感器優化設計:在可能最大應變截面進行應變傳感器布設;在可能最大位移點進行位移傳感器布設;通過建立橋梁三維有限元模型，得到橋梁基本動力特性，由識別誤差最小準則等進行振動傳感器的布設。最終設計2跨3墩簡支梁城軌橋梁的監測方案如下:

1)橋梁位移(即撓度)變形檢測。在兩橋梁的跨中和兩橋中間橋墩頂位置(圖2中B，D，E橫截面)梁箱布置了靜力水準儀D1001，D1002，D1003(見圖3～圖5)，三水準儀同側等高布置，重點考慮橋梁箱梁撓度變形監測。橋梁恒載作用下箱梁的軸線是橋梁整體安全狀態的重要標志之一，通過對橋梁箱梁撓度的監測，可以從整體上把握橋梁健康和安全狀態。

2)橋梁動應變狀態檢測。在兩橋墩間跨中截面布置應變測點，在主梁箱內上下板共設置了4個應變測點 S1001，S1002，S1003和S1004，布設點盡量靠近列車線路中心。結構應力是判斷結構安全最直接的指標，結構亞健康狀態往往將導致應力超限或應力異常重分布，所以對于應力的異常變化應給予足夠的重視，并結合環境、變形等其他監測結果來綜合判定結構狀態是否處在安全及可控的范圍。

圖2 2跨3墩簡支橋梁上監測系統傳感器的布置圖

圖3 光纖光柵加速度傳感器布置圖（圖2中截面B）

圖4 光纖光柵位移傳感器布置圖（圖2中截面D）

圖5 光纖光柵應變傳感器布置圖（圖2中截面E）

3)橋梁振動狀態檢測(加速度)。共布置加速度傳感器5個(A1001，A1002，A1003為豎向加速度傳感器，分別位于跨中，1/4跨，3/4跨處;A2001，A2002為橫向加速度傳感器，跨中和墩頂)，除A2002安裝于墩頂外其他均安裝于梁箱側壁上。

兩跨簡支梁橋梁監測系統的傳感器用量總結見表2。

表2 兩跨簡支梁橋梁監測系統傳感器用量 個

4 結語

本文介紹了一種城軌橋梁實時在線健康監測方法，分析了光纖光柵傳感器的特點，并介紹了兩跨簡支梁城軌橋梁的健康監測系統設計及傳感器布設方法。目前該系統已經在廣州地鐵四號線示范應用。靜力水準儀的采樣頻率是1 Hz，應變和加速度傳感器的采樣頻率是100 Hz，1個月的采樣數據接近2G，海量數據處理及橋梁狀態的綜合判斷是下一步工作的重點。應用結果表明，光纖光柵傳感器可有效監控橋梁狀態變化，非常適合橋梁長期監測的需要，本文設計的橋梁健康監測系統將為研究橋梁在復雜工作環境及不確定因素下的特性變化提供有力支持，為城軌橋梁安全運營開辟新的空間。

[1] Harms Tyler，Sedigh Sahra，Bastianini Filippo.Structural health monitoring of bridges using wireless sensor networks[J].Instrumentation ＆ Measurement Magazine，IEEE，2010，13(6):14-18.

[2] Sloan T D，Kirkpatrick J，Boyd J W，et al.Monitoring the inservice behaviour of the Foyle bridge[J].Structural Engineer，1992，70(7):91-93.

[3] Shahawy M A，Arockiasamy M.Field instrumentation to study the time-dependent behavior in Sunshine Skyway Bridge[J].Journal of Bridge Engineering，1996，1(2):76-86.

[4] 鄔曉光，徐祖恩.大型橋梁健康監測動態及發展趨勢[J].長安大學學報(自然科學版)，2003，23(1):39-42.

[5] Watkins Steve E.Smart bridges with fiber-optic sensors[J].Instrumentation ＆ Measurement Magazine，IEEE，2003，6(2):25-30.

[6] Richard H，Scott，Pradipta Banerji，et al.Commissioning and E-valuation of a Fiber-Optic Sensor System for Bridge Monitoring[J].Sensors Journal，IEEE，2013，13(7):2555-2562.

[7] 沈 洋.光纖光柵加速度傳感器的研發與應用[D].上海:同濟大學，2009.

[8] 傅 棟，李宏偉，冷志鵬，等.結構健康監測的自補償光纖光柵位移計的研究[J].低溫建筑技術，2009，31(6):1-5.

[9] 藍章禮.橋梁健康監測系統的數據獲取:理論和方法研究[D].重慶:重慶大學，2008.

[10] 周建庭，楊建喜，梁宗寶.實時監測橋梁壽命預測理論及應用[M].北京:科學出版社，2010:64-70.