智能化光纖技術在城市橋梁預防性養護中的應用

衛文哲 張 磊 郭昌祚

(北京市道路工程質量監督站，北京 100076)

1 概述

道路的安全與暢通是城市賴以生存發展的重要基礎。但是近幾年國內外塌橋事件屢有發生，從2012年哈爾濱陽明灘大橋發生坍塌到去年意大利Morandi bridge斜拉橋坍塌事故，無不時刻給世人敲響著警鐘。作為首都北京，其自身政治重要性不言而喻，任何安全事故的發生都會對社會產生巨大的負面影響。而自20世紀90年代，隨著北京市對基礎建設投資的加大，城區道路建設發展突飛猛進，尤其近年來，面臨著超載現象日趨嚴重、橋梁量多質低、結構維修養護不及時等問題給主責單位的管理帶來了挑戰。

為了避免出現橋梁安全事故，必須采取監測養護措施，確保其運營安全、有序、穩定。通過近幾年對北京城區環線橋梁檢測大數據篩查，發現有很多共性的橋梁損傷病害，如萬柳橋、西直門立交等存在網裂病害等問題；還有很多混凝土橋梁內部存在空腔，其處難以到達，致使許多病害情況不能第一手獲得，構成了很大的安全隱患。按照近代力學的觀點，裂縫是評價混凝土結構內部損傷程度和安全性最直接最關鍵的參數之一,而傳統的混凝土裂縫檢測技術屬于單點或人工檢測法，準確度雖高，但不能連續進行信息采集，存在局限性。光纖傳感技術屬于結構安全監測手段之一，其可以對橋梁狀態進行監控，能對混凝土和鋼結構的整體及關鍵部位進行全面有效的在線病害監測，及時準確的發現結構內外部損傷情況，并通過“互聯網+”傳輸技術實時反饋至中控平臺，以便在結構造成破壞前，能夠采取行之有效的維修措施，確保結構的安全性和可靠性。

本文研究依托于某高架立交橋預防性養護項目，采用的是新型分布式光纖傳感測試技術，通過智能化系統在城市橋梁預防性養護中的應用，提升橋梁管養單位的管理水平和安全保障能力，確保城市橋梁群的運營安全和長久耐用。

2 總體方案簡介

2.1 方案內容

總體系統包括分布式光纖結構監測子系統、系統融合與評估子系統。

分布式光纖結構監測子系統采用分布式光纖傳感技術，用于監測橋梁結構的應變、裂縫分布及變化趨勢，獲取橋梁結構病害信息，對結構異常部位進行預警。系統融合和評估子系統將分布式光纖裂縫監測子系統、分布式光纖應變監測子系統的監測數據進行融合，綜合評價橋梁的健康狀況。

2.2 分布式光纖應變監測原理

分布式光纖應變監測是一種新型光纖傳感方法，可用來對結構體表面的應變量進行監測，一般由解調儀和傳感光纖(光纜)兩部分組成。解調儀發出泵浦光和探測光(斯托克斯光)兩路光，分別從光纖的兩端注入傳感光纖中。當兩路光的頻率差落在布里淵光譜內，光纖中產生受激布里淵效應，能量從泵浦光向探測光發生轉移，使探測光受到增益，背向散射的探測光的時域分布反映出光纖各位置點所受布里淵增益的情況，測得光纖各點的布里淵頻移值，即可測得光纖各點所受應變。

與現有的應變(裂縫)監測技術相比，分布式光纖應變監測系統具有以下優勢。

1)總體分布測量，可準確給出每個傳感光纜所及的任何位置點處的應變情況，避免因理論建模推算引起的誤差；

2)可對結構體的應變情況進行準確定位，方便排查異常應變處的受力情況，排查故障；

3)由于粘接采用單根光纜，一致性比點式應變監測技術更好；

4)采用通信用光纜，使應變分布監測的成本大幅下降；

5)與電阻式、振弦式等非光纖監測方案比，分布式光纖應變監測系統，實現了光電分離，傳感端無需供電和無需采集設備，降低配套施工量。

2.3 光纖光柵監測原理

光纖光柵是一種性能優異的窄帶反射濾波無源器件。當光波傳輸通過光纖布拉格光柵時，滿足布拉格光纖光柵條件的光波矢將被反射回來，當布拉格光柵受到外界應力(應變)作用時，光柵周期會發生變化。利用應變或溫度改變光柵中心波長(周期)，達到測試被測物理量的目的。

光纖光柵的優點:一是數字式傳感，壽命長，可靠性高；二是靈敏度高，測量精度高；三是可實現大容量、遠程分布式測量，有利于網絡化；四是可對窄小空間和材料內部進行測量，有利于智能化。

2.4 技術路線

常用橋梁預防性養護項目研究開發基于光纖光柵和分布式光纖傳感技術的橋梁結構損傷裂縫監測識別系統，借此評價橋梁結構安全狀況并進行預警報警處理以確保運營安全；在此基礎上通過對橋梁裂縫病害的監測、識別和分析評估，以此作為進行橋梁結構預防性養護的依據。系統結構框圖如圖1所示。

2.5 系統特點

橋梁結構監測識別系統具有以下特點：一是點式與分布式并行監測；二是結合光纖光柵點式和分布式光纖傳感技術，既可監測大型結構關鍵位置處的應變、溫度等信息，又可給出結構整體的變化情況；三是實時全光監測，安全可靠；四是全光傳輸、現場無需供電、抗電磁干擾、抗雷擊；五是實時在線監測；六是工作壽命較長。

3 典型數據分析和預防性措施

3.1 第一次數據采集結果

選取六月中旬某天，進行全天測量，圖2對應四段T梁的應變變化結果。

從圖2可得，全天應變變化曲線中，四片梁的應變變化兩端較大，中間較小，說明通車過程中，對橋梁兩端的受力影響較大。

3.2 第二次數據采集結果

選取七月中旬某天，進行全天測量，圖3對應的是四段T梁的應變變化結果。

從圖3可得，全天應變變化曲線中，四片梁的應變變化兩端較大，整體變化不大，說明當天溫度變化較小，對整體應力影響較小。

3.3 兩天對比結果

兩天測量結果進行對比：

從圖4四片梁的測試結果對比可得，整體應變變化不大，但是在橋梁的兩端位置出現應變突變較大的情況，說明兩端受擾動變化較大，裂縫會出現增大的情況。

3.4 測試結果分析

通過數據分析判斷得出，四片梁的整體應變變化不大，但是在橋梁的兩端位置會出現應變突變較大的情況，說明兩端的裂縫會出現增大的情況。與現場對比可得，的確存在此種情況，梁體兩端裂縫分布十分密集，分析原因可能是由于墩臺伸縮縫位置由于下雨漏水的緣故，導致梁體兩端鋼筋銹蝕，裂縫增多。針對梁體兩端裂縫的情況，后續準備采取預防性養護措施，采取相應的技術措施用于改善橋梁的系統的功能狀況，減少裂縫的增長速度和出現，延長其使用壽命，提升路面服務水平。

4 結語

本文簡單研究了光纖傳感測試技術在城市橋梁預防性養護中的實際應用，結合典型數據分析，得到通過定期測試可發現橋梁的病害位置，最后提出針對性的預防性養護措施。以光纖物聯網為基礎的智能檢測技術擁有預知橋梁病害的發展趨勢的能力，可為橋梁預防性養護提供必要的技術支持，對延緩橋梁大修和翻建的期限，提高橋梁的使用水平和壽命，為設計、施工和管養單位決策提供參考依據。