基于光纖傳感技術的橋梁拉索健康監測技術試驗研究

何武超，李劭暉，江 震，俞建群，朱 駿，馬 骉

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海市 200092；2.上海市政工程檢測中心有限公司,上海市 201114；3.上海浦江纜索股份有限公司,上海市 200120；4.江蘇駿龍光電科技股份有限公司,江蘇 泰州 214599）

0 引言

資料顯示，許多國內外拉索橋梁，特別是斜拉橋，在運營過程中會由于鋼絲銹蝕、斷絲等病害而降低拉索承載能力，從而導致拉索未達到設計使用年限而不得不被更換[1]。據不完全統計，20世紀70至90年代初我國修建的30余座斜拉橋中，已經加固修復的橋梁超過65%，其中有超過46%的斜拉橋已全部或部分更換了斜拉索，最近幾年仍有數座20世紀90年代后修建的斜拉橋需要換索。解決拉索的健康監測問題已顯得日益重要[2]。

目前斜拉橋拉索健康監測，尤其是對拉索內部鋼絲健康狀況的檢測還缺乏有效的檢測手段和技術。目前的拉索檢測僅限于索力測量，一般采用壓力表測定法、壓力傳感器測定法、頻率法、磁通量法等方法，但此類方法無法提供拉索健康狀況的數據和信息[3]。

本文通過對FBG光纖光柵傳感器和光纖數據傳輸技術的介紹，提出了將光纖傳感技術應用于拉索內部鋼絲健康監測，并通過實驗室技術驗證和實橋應用驗證，從拉索制備和實橋應用兩個方面驗證了本文所闡述技術的可行性和可靠性。

1 基于光纖光柵健康監測技術原理

1.1 斜拉橋拉索結構及索力測量原理

斜拉橋拉索索體是由數十乃至上百根高強度鋼絲經過排列扭絞而成，索體外部再輔以高強度繞包帶及高密度聚乙烯作為防護。通常使用的鋼絲直徑有 ?5 mm和 ?7 mm兩種，鋼絲強度有1 670、1 770、1 860 MPa等。

常見的斜拉橋拉索結構主要有錨具和拉索索體構成，錨具通過冷鑄或熱鑄方法與拉索中的高強度鋼絲進行錨固連接。在斜拉橋上使用時拉索的兩端錨具分別固定在橋的塔端和梁端，兩端與中間部分的拉索共同受力[4]。

當拉索處于工作狀態且正常受力時，理論上每根拉索索力會平均分配到索內每根鋼絲上。在索力不斷變化時，每根鋼絲的拉力也不斷地被重新平均分配。理論上如果能獲得單根鋼絲的應變情況就能根據應力-應變關系推算鋼絲的拉力及整根拉索的索力，從而準確掌握拉索的實際受力狀況及健康狀況[5]。

拉索鋼絲在彈性范圍內由于受力而被拉伸，其伸長量是極其微小的[6]，使用普通傳感器無法獲取準確數據，這就需要使用高精度的光纖傳感器。將光纖傳感器粘結固定在鋼絲上，可以認為在粘結固定區域范圍內，等長度的鋼絲與傳感器傳感部分在軸向應力作用下產生同步變形時，兩者具有相同的應變。

1.2 光纖傳感器介紹及選擇

光纖傳感技術是一種以光纖為媒介，以光為載體，感知和傳輸外界信號（被測量）的新型傳感技術，是伴隨著光導纖維及光纖通信技術發展而逐步形成的。

光纖傳感器與傳統傳感器相比具有很多明顯優勢：（1）體積小、質量輕；（2）抗電磁干擾能力強、耐高溫、耐腐蝕；（3）屬于無源器件，對被測對象影響較小；（4）便于多重使用，便于成網；（5）傳輸頻帶寬，動態范圍大，測量距離長；（6）可以實現對結構應變、溫度以及壓力等的多點監測[7]。

目前FBG光纖光柵傳感器常被選擇用作拉索監測用傳感器。

1.3 FBG光纖光柵傳感器原理

FBG光纖光柵傳感器的光纖沿徑向從里向外分為纖芯、包層、涂覆層3部分，通過利用特殊的紫外光照射工藝，對特定部位的光纖纖芯進行紫外照射，使得該區域光纖纖芯的折射率發生周期性變化，從而制成特定中心波長的光纖光柵。

光纖光柵的作用相當于一個有選擇性的光譜反射鏡，最主要的功能是能將入射光中滿足布拉格條件的某一特定波長的光部分或全部反射。光纖光柵的中心波長和應變、溫度成線性關系，根據這些特性可將光纖光柵制作成應變、溫度、壓力、加速度等多種傳感器。

1.4 FBG傳感器用于拉索監測技術難點

目前光纖光柵傳感器用于拉索監測尚有諸多問題需要解決：

（1）傳感器的安裝方式。由于拉索全密閉的結構及其制錨工藝，無法將傳感器合理地安裝在拉索上進行監測。

（2）光纖光柵傳感器與鋼絲粘結工藝。由于拉索鋼絲之間內部縫隙狹小，在鋼絲縫隙之間注入膠水并粘結傳感器是一個難題。

2 FBG傳感器植入拉索工藝研究

研究人員經過反復對比，發現一種能夠不破壞原拉索結構的傳感器植入方式，就是在拉索錨具部位預置一個不銹鋼鋼管通道，在拉索制作完成后，通過該通道進行傳感器的植入。傳感器植入拉索結構圖見圖1。

FBG光纖光柵傳感器在工廠內植入拉索的制作工藝和普通斜拉索基本相同，僅在制錨時增加了傳感器的預置通道和密封防護措施。拉素預置通道見圖2。

圖1 FBG光纖光柵傳感器植入拉索結構圖

圖2 拉索預置通道

為解決傳感器與不銹鋼管的粘結問題，試驗人員通過蘸膠法和注膠法進行比選，通過反復試驗發現注膠法更為可靠。該方法通過使用自動拌料器、注膠器、定制針頭等工具，在預置不銹鋼管的特定位置進行注膠。采用注膠法后傳感器的粘結質量、可靠性大大提高，而且施工簡單方便。

3 FBG傳感器與拉索受力相關性試驗研究

為了完整掌握拉索應力分布情況，專門制作了1根試驗索。試驗索規格為 ?7-223,長度為5 m，錨具一端采用植入鋼絲法預留通道，另一端采用預置通道法進行制作。試驗采用2種類型的FBG光纖光柵傳感器，其中T1型傳感器長為1.1 m（含1個傳感器），T2型傳感器長度為1.5 m（含2個傳感器）。

T1、T2型傳感器布置圖見圖3、圖4。

圖3 T1型傳感器布置圖

圖4 T2型傳感器布置圖

為測試拉索不同位置植入FBG光纖光柵傳感器的可靠性，以及確定不同位置拉索受力的分布情況，試驗前分別將傳感器植入了不同的部位。

傳感器植入拉索后，將拉索放在實驗室靜載試驗機上進行拉伸試驗，試驗時拉索加荷以每次500 kN的力遞增至5 000 kN，當到達試驗最大值后再以同樣的速度卸載，每級荷載持荷30 s，以保證拉索受力的穩定性和試驗數據的可靠性。通過反復幾次的施力和卸載來測試拉索不同位置的應力情況。

試驗結果顯示，上述工藝和方法是可行、有效的，傳感器和拉索有極強的相關性，且可重復性能良好，拉索不同位置的應力和理論分析時完全一致。

4 FBG傳感器實橋應用試驗研究

都（昌）九（江）高速鄱陽湖二橋是江西省第二大跨徑斜拉橋，主橋主跨420 m，斜拉索采用空間扇形雙索面形式，共36對144根拉索，其中選取B8和Z9索號拉索安裝光纖光柵傳感器進行監測試驗。鄱陽湖二橋施工監測中使用FBG光纖光柵傳感器及相關設備。

傳感器安裝完成圖見圖5，光纖光柵數據采集見圖6。

圖5 傳感器安裝完成圖

圖6 光纖光柵數據采集

4.1 試驗用傳感器

鄱陽湖二橋試驗采用的FBG光纖光柵傳感器外形全長為900 mm和850 mm，位于直徑不大于1 mm的柔性鋼絲套內。傳輸光纖長度為50 m，連接端為FC/APC接口。傳感器量程±4 000 μm/m，分辨率0.5 μm/m，光柵柵區長度為15 mm。

4.2 拉索張拉國產FBG光纖檢測試驗

不同于實驗室試驗可以對鋼絲進行多次加載和卸載，實橋試驗中根據現場測試點隨機進行監測，并與頻率法的試驗結果進行數據對比。

在試驗中由于無法獲得全程錨索計數據，故將頻率法索力作為參照基準。由表1可知，光纖測得的相對索力能夠與頻率法測得數據基本一致。

表1 鄱陽湖二橋B8索測試數據

5 結語

本文通過一系列試驗，總結了一整套行之有效的FBG光纖光柵傳感器植入拉索技術和制造工藝，分別以實驗室驗證和實橋驗證的方式證明國產光纖傳感、檢測技術用于拉索健康監測是可行、有效的，并完全可以達到實際應用水平。

結合本文介紹的光纖傳感技術，輔以整套監測數據處理系統，可以通過無線傳輸的方式對斜拉橋拉索進行全天候24 h的健康監測?；谶@些優勢，以FBG光纖光柵傳感器為基礎的光纖檢測技術在斜拉橋拉索健康監測方面的應用將有良好的前景。