光纖傳感器在橋梁結構安全監控中的應用

■宋曉青 ■九江公路局都昌分局，江西 九江 332007

1 引言

隨著我國人民生活水平的提高，道路交通負荷大幅度增加，行車密度及車輛載重越來越大，在風雨侵蝕和嚴寒酷暑交相侵襲以及超載車輛的荷載加速作用下，隨著橋齡的增長和材料的老化，會不可避免的產生某些不安全因素，經歷一個建成使用、漸趨老化直至消亡的“生老病死”過程。我國是橋梁大國，現有橋梁約60余萬座，其中40%的橋梁使用年限在20年以上，三、四類橋大約占30%。近幾年來，橋梁事故頻發，2011年7月，9天內就有4座橋梁垮塌1座橋梁傾斜，表1列出了近八年來垮塌的部分橋梁。如此密集的橋梁事故，引起了社會各界的高度關注。

表1 近八年來垮塌的橋梁［1］

橋梁作為交通的咽喉，其安全狀況不僅直接影響到整個交通路網的正常運營，而且因為橋梁的特殊性，一旦發生橋毀人亡的事件，社會影響力巨大，些橋梁事故的原因是多種多樣的，如何能夠盡早的發現橋梁的安全隱患成為了保障橋梁安全運行的重要手段。

2 光纖傳感技術在橋梁監測中的應用現狀

在國外，1989美國布朗大學的Mendez［4］等人首先提出了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結構和建筑檢測的可能性。世界各國都對其十分關注并開展了廣泛的應用研究，如:美國、加拿大、英國、德國、日本、瑞士等發達國家，紛紛將光纖傳感技術應用在橋梁、大壩等大型民用基礎設施的安全監測中，取得了令人鼓舞的進展。如英國的Foyle橋、丹麥的Great Belt East橋、加拿大的Confederation橋、韓國的Namhae大橋、日本的明石海峽大橋。

國內，清華大學、同濟大學、重慶大學、武漢理工大學、哈爾濱工程大學等院校已對光纖傳感器應用于橋梁檢測進行了全面的理論研究，并且已經在部分大型橋梁的健康監測中得到了應用。如黑龍江省呼蘭河大橋、重慶大佛寺長江大橋、杭州灣大橋和舟山跨海大橋等。

從目前已建立的監測系統的系統構成、監測方法以及實現的功能來看，這些監測具有如下一些共同特點:(1)橋梁監測系統由硬件系統與軟件系統組成，硬件系統一般由傳感器系統、數據采集與傳輸系統以及數據分析與處理系統構成，軟件系統主要實現對結構狀態的識別和安全性評估;(2)通過布設在橋梁上的傳感器獲取反映橋梁結構行為的記錄，并且重視對橋梁環境條件如溫度、風、交通荷載等的監測;(3)由于測試技術和通訊技術的發展，使得監測系統采集的信息更加準確與完備，并且可以實現系統的大容量和網絡化共享;(4)重視對大橋監測系統的研究與實踐，而忽視對中小橋自身特點的監測系統的研究。

3 光纖傳感器在橋梁結構安全監控中的應用

由于光纖傳感器具有耐久性好，適于長期監測;無火花，適于特殊監測領域;既可以實現點測量，也可以實現準分布式測量;測量動態范圍只受光源譜寬的限制，不存在多值函數問題;檢出量是波長信息，因此不受接頭損失、光沿程損失等因素的影響;同時對環境干擾不敏感，抗電磁干擾;波長編碼，可以方便實現絕對測量;正是這些突出優點，光纖傳感器受到土木工程領域的廣泛關注與青睞。

利用光纖傳感技術對橋梁實現安全監測主要是實現對橋梁的重要結構的應變及應力、環境的溫度、橋梁重要部位的位移、裂縫狀況實施實時在線監測，以用于對橋梁的工作狀況做出診斷和評估，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。

3．1 光纖傳感器對結構應力應變的監測

結構內應力是橋梁健康狀態的一個重要評價指標，對橋梁結構內應力的監測是橋梁監測的重要內容。光纖傳感器利用光的波長變化與應變力之間的關系，來實現對應力應變的測量。波長的變化與應變以及溫度的變化可用下式來表示:

根據上式1可知，結構應變勢必導致光柵波長的變化，同樣溫度變化也會引起光柵布拉格波長的變化。這為采用光纖布拉格光柵制成光纖應變傳感器提供了最基本的物理特性。

目前采用較多的是F-P光纖傳感器和光纖布拉格光柵傳感器。F-P光纖傳感器主要用于局部應力的測試，光纖布拉格光柵傳感器則用于分布應力監測。Sungsan橋是韓國首爾漢江上跨度最大的橋梁，其車流量近7萬輛次/d，采用F-P光纖傳感器對此橋進行了靜、動態測試，在靜態測試中光纖傳感器的分辨率近似可達0．12個微應變;在動態測試中，它清楚地顯示出了卡車不同速度時的橋體內部應變趨勢。

3．2 光纖傳感器對混凝土溫度的監測

大體積混凝土養護過程中有大量的熱量釋放，從而在混凝土中產生溫度應力和溫度裂縫。為防止溫度裂縫的發生，可通過埋置于混凝土中的光纖溫度感知器監測混凝土內部的溫度，為養護過程中控制冷卻速率提供依據。

向光纖發射一束脈沖光，該脈沖光會以略低于真空中的光速的速度向前傳播，同時向四周發射散射光。散射光的一部分又會沿光纖返回到入射端，測量發入射光和反射光之間的時間差T，則發射散射光的位置距入射端的距離X為

式2中:C為光纖中的光速，C=C0/n，C0為真空的光速;n為光纖的折射率。

反射回入射端的反射光中，有一種稱做Raman散射光。該Raman散射光含有兩種成份．光纖測溫方式，直接測量的是Raman反射光中兩種成分之比，與絕對值無關，因此既使光纖隨時間老化，沿程光損失增加，仍可消除光損失的影響，從而可一直保證測溫精度。

如在南京長江三橋北岸連續梁施工中，在移動模架上布置了光纖監測系統，實現了在混凝土澆筑過程中，實時監測模架關鍵部位的應力變化情況以及評估混凝土澆注過程中的安全性，并在出現不安全苗頭時利用實測應力值指導模架控制。利用該光纖監測系統與控制手段，可有效地降低模架應力值，實現信息化施工，保證了混凝土澆筑施工的安全。

3．3 光纖傳感器對混凝土結構裂縫的監測

混凝土結構的裂縫可分為由應力引起的結構裂縫和由溫度引起的溫度裂縫。前者危及結構的安全，后者影響結構的使用。因此，及時發現和處理混凝土結構中的裂縫尤為重要。利用光纖裂紋傳感器測量混凝土架構裂縫，其原理為環形光纖傳輸的光是裂縫增長引起光傳播波動的函數。Christopher K．Y．Leung等提出了一種新型分布式光纖傳感器，可用于混凝土結構物裂縫檢測，其優點是不需要事先知道裂縫的方向，只要裂縫方向與光纖斜交，就能感知裂縫的存在，并對影響感知初始裂縫寬度的因素(縫與光纖的夾角)和光損耗同縫寬的關系進行了詳細研究如圖1。

光纖在粘貼到混凝土結構表面或埋入混凝土結構內部時，光纖與裂縫成一定的角度(因為混凝土結構可能產生的裂縫方向是可以預知的)。光從光纖的一端注入，用光時域反射計(OTDR)探測光纖內部各點的損耗及其位置。在裂縫形成前，OTDR探測到的損耗曲線基本上是平坦的，一旦產生裂縫，埋入混凝土中的光纖就會產生彎曲，部分光從纖芯中出來形成損耗。由于裂縫造成的損耗使OTDR探測到的后向散射信號有一個突降，因此根據損耗的大小可以確定裂縫的寬度，由光纖上損耗點的位置就可以確定裂縫的位置。

4 結束語

在我國中小跨徑混凝土梁式橋占有很大比例，如何實現中小梁式橋結構狀態實時監控就顯得尤為重要，相比通過定期的人工檢測或借助荷載試驗，當橋梁結構出現病害需要加固維修或改建時，申報、立項、批復到正式實施往往需要一個較長的周期。而利用光纖傳感器進行實時監控服務于我省中小跨徑梁式橋，對其工作狀態跟蹤監測，以便實時、準確地掌握橋梁工作狀況，采取切實有效的措施，保證中小跨徑混凝土梁式橋在剩余使用壽命期內的安全運營，具有良好的效果，可將有限的養護經費較合理地用到最需要進行養護的橋梁上，達到資源的優化配置，具有極高的經濟效益。

［1］李永才．近年來我國橋梁垮塌事故調查與研究［J］．城市建設理論研究，2012，(2)．

［2］荊濤．道路橋梁質量通病及解決辦法研究［J］．江西建材，2014，(19)．

［3］曹亮．基于封裝壓電傳感器的混凝土梁損傷檢測試驗研究［J］．江西建材，2010，(3)．

［4］Mendez A，Morse T F，Mendez F．Application of embedded optical fiber sensors in reinforced concete buildings．And structures［C］。The International Society for Optical Engineering，SPIE，1989，1179 60-69．