應(yīng)用光纖光柵傳感技術(shù)監(jiān)測鐵路鋼橋螺栓斷裂脫落的模型試驗(yàn)研究

李俊鑫 賴志華 強(qiáng)小俊 李道震

（1.鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東深圳 518000；2.深圳地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)控工程實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518000；3.中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司深圳工程建設(shè)指揮部，廣東深圳 518000）

高強(qiáng)度螺栓是鋼結(jié)構(gòu)橋梁安裝的主要連接方式之一。其空間受力狀態(tài)復(fù)雜，長期處于高頻、高幅值的動(dòng)力循環(huán)荷載作用下，易在螺紋牙邊界產(chǎn)生微裂紋，在雨水侵入的情況下與周圍空氣介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而逐漸銹蝕甚至斷裂脫落。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的高強(qiáng)度螺栓斷裂脫落，既會(huì)造成極大的行車安全隱患，又可能導(dǎo)致鋼橋節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)性能退化，結(jié)構(gòu)整體承載能力降低，橫向剛度減小［1-2］，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生坍塌。對鐵路橋梁高強(qiáng)度螺栓脫落損傷的調(diào)研表明，11座存在螺栓斷裂脫落問題的橋梁中，累計(jì)斷裂脫落數(shù)量大于50副的有3座，且完全依靠鐵路工務(wù)部門定期巡查、采用望遠(yuǎn)鏡目視發(fā)現(xiàn)病害［3-4］。因此，研發(fā)一種可靠的螺栓斷裂脫落自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，對于保證鐵路運(yùn)營安全是十分必要的。

對于工程結(jié)構(gòu)中螺栓斷裂脫落監(jiān)測、識別的研究很少。趙而年等［5］通過在塔架結(jié)構(gòu)塔身主桿法蘭拼裝節(jié)點(diǎn)法蘭盤外側(cè)布置應(yīng)變傳感器，根據(jù)結(jié)構(gòu)在完好狀態(tài)和發(fā)生螺栓脫落損傷2種情況對沖擊激勵(lì)下自由振動(dòng)豎向應(yīng)變響應(yīng)的差異來判斷螺栓脫落情況。趙欣欣等［6］利用相機(jī)、手機(jī)等設(shè)備拍攝某座鐵路橋梁螺栓缺失圖像并構(gòu)建基于機(jī)器視覺的專業(yè)數(shù)據(jù)集，提出基于附加混合注意力子網(wǎng)絡(luò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鐵路橋梁高強(qiáng)度螺栓缺失圖像識別方法。唐超［7］提出運(yùn)用壓電陶瓷傳感器采集鋼結(jié)構(gòu)在不同損傷程度下的機(jī)電耦合導(dǎo)納，通過分析健康狀態(tài)和損傷狀態(tài)下導(dǎo)納曲線的變化情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)螺栓松動(dòng)及腐蝕損傷識別。

上述研究中的螺栓損傷識別方法均能有效識別螺栓脫落，然而難以滿足鐵路運(yùn)營線復(fù)雜環(huán)境對于監(jiān)測自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性的要求。此外，傳統(tǒng)電阻及振弦式傳感器易受鐵路線路電路的影響，限制了其在鐵路監(jiān)測中的應(yīng)用。因此，本文提出一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的鐵路鋼桁梁橋高強(qiáng)度螺栓斷裂脫落在線實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，并通過搭建鋼桁梁橋橫聯(lián)聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)模型驗(yàn)證該方法的可行性。

1 光纖光柵傳感技術(shù)原理

光纖光柵具有抗電磁干擾、靈敏度高、體積小、復(fù)用能力強(qiáng)、耐腐蝕、便于實(shí)現(xiàn)分布式傳感等優(yōu)點(diǎn)，為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段［8］。光纖光柵是利用光纖纖芯與包層光敏性的不同，通過相位掩膜、全息干涉法等在纖芯內(nèi)產(chǎn)生折射率周期性永久變化的相位光柵。當(dāng)一束寬帶光在光纖中傳輸經(jīng)過光纖光柵時(shí)會(huì)產(chǎn)生模式耦合，滿足布拉格相位匹配條件的光發(fā)生反射，其余的光則透過光纖光柵繼續(xù)傳播［9］，工作原理如圖1所示。

圖1 光纖光柵工作原理

根據(jù)光纖的耦合模式理論，滿足相位匹配條件時(shí)，中心波長為

式中：neff為光纖有效折射率；Λ為光纖光柵周期。

對式（1）進(jìn)行微分，得到

由式（2）可以看出，光纖光柵的中心波長偏移量與光纖的有效折射率和光柵周期成線性關(guān)系。光纖有效折射率和光柵周期在外部因素（溫度和應(yīng)變）的影響下會(huì)發(fā)生變化［10］。光纖光柵中心波長偏移量與溫度和應(yīng)變的關(guān)系式為

式中：ke、kT分別為光纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)和溫度靈敏度系數(shù)。

光纖光柵中心波長偏移量與應(yīng)變和溫度均線性相關(guān)，利用光纖光柵解調(diào)儀測試得到光纖光柵的中心波長偏移量，通過溫度補(bǔ)償可實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變監(jiān)測。

2 高強(qiáng)度螺栓斷裂脫落監(jiān)測方法

極少數(shù)高強(qiáng)度螺栓斷裂對鋼橋的整體影響較小，因此選取結(jié)構(gòu)局部損傷特征作為脫落監(jiān)測的標(biāo)識量。通過捕捉損傷特征的突變信息進(jìn)行鋼桁梁橋聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)螺栓脫落情況的判定。

針對鐵路鋼桁梁橋上弦平聯(lián)、橫聯(lián)聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)的高強(qiáng)度螺栓斷裂脫落后存在侵入線路影響行車安全的問題，高強(qiáng)度螺栓脫落監(jiān)測防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從螺栓脫落監(jiān)測和防護(hù)2 方面入手，包括螺栓防護(hù)裝置設(shè)計(jì)和光纖光柵傳感器設(shè)計(jì)。螺栓防護(hù)裝置尺寸以高強(qiáng)度螺栓恰能嵌入其中為宜，內(nèi)表面噴涂環(huán)氧樹脂膠后安裝于螺栓上，聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)螺栓群防護(hù)裝置通過超高分子聚乙烯纖維連接形成放射網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，中心結(jié)點(diǎn)與固定于鋼桁梁上的對應(yīng)光纖光柵應(yīng)變傳感器相連。其中鋼桁梁橋橫聯(lián)聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控防護(hù)裝置布置如圖2所示。

圖2 鋼桁梁橋橫聯(lián)聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控防護(hù)布置示意

超高分子聚乙烯纖維作為高強(qiáng)度螺栓脫落的暫時(shí)性防護(hù)結(jié)構(gòu)，既能承受單個(gè)或多個(gè)斷裂螺栓的沖擊作用，又具有很好的耐久性，安裝完成后處于松弛狀態(tài)。當(dāng)高強(qiáng)度螺栓發(fā)生斷裂脫落時(shí)，重力和慣性力通過放射網(wǎng)狀防護(hù)結(jié)構(gòu)中心結(jié)點(diǎn)作用于光纖光柵應(yīng)變傳感器，使其中心波長在沖擊作用下產(chǎn)生一個(gè)峰值變化。當(dāng)斷裂螺栓脫落后逐漸穩(wěn)定下來時(shí)，光纖光柵應(yīng)變傳感器僅受螺栓的重力作用。與初始狀態(tài)相比，此時(shí)光纖光柵應(yīng)變傳感器中心波長出現(xiàn)一定的偏移量，即

式中：Δλi為i聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)光纖光柵應(yīng)變傳感器的中心波長偏移量；Δλij為i聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)j斷裂螺栓脫落引起的中心波長偏移量；mij為i聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)j斷裂螺栓部件的質(zhì)量；A，E分別為超高分子聚乙烯纖維的橫截面積、彈性模量。

由式（3）—式（5）可得i聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變?yōu)?/p>

某鐵路鋼橋斷裂螺栓部件統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：高強(qiáng)度螺栓（M24×100）斷裂部件的質(zhì)量介于311～330 g，每個(gè)斷裂螺栓部件的質(zhì)量近似相等。因此，高強(qiáng)度螺栓斷裂脫落產(chǎn)生的應(yīng)變與其數(shù)量之間為線性關(guān)系，通過捕捉分析相應(yīng)的光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)即可確定高強(qiáng)度螺栓發(fā)生斷裂脫落的時(shí)間、聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)位置及數(shù)量信息。

3 鋼桁橋螺栓脫落監(jiān)測的模型試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述方法對斷裂螺栓脫落監(jiān)測的可行性，根據(jù)某鐵路鋼桁梁橋的高強(qiáng)度螺栓安裝情況制作橫聯(lián)聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停▓D3）。該節(jié)點(diǎn)包含40個(gè)規(guī)格為M24 的10.9S 級大六角頭高強(qiáng)度螺栓，長度100 mm，光纖光柵傳感器固定于模型鋼桁梁上。試驗(yàn)中利用現(xiàn)場收集的斷裂螺栓部件模擬高強(qiáng)度螺栓發(fā)生斷裂脫落的狀況，即通過人為擾動(dòng)的方法使安裝于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄嗔崖菟ú考袈洹嗔崖菟ú考鐖D4所示。

圖3 橫聯(lián)聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖4 大六角頭高強(qiáng)度螺栓

本次試驗(yàn)?zāi)M2種典型工況下的高強(qiáng)度螺栓斷裂脫落狀態(tài)，如表1所示。

表1 高強(qiáng)度螺栓斷裂脫落試驗(yàn)工況

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集裝置選用MOI 公司研制的光纖光柵解調(diào)儀SM130，掃描頻率設(shè)置為100 Hz。持續(xù)采集試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诔跏紶顟B(tài)、工況1、工況2 下的光纖光柵中心波長。測試得到該聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)光纖光柵應(yīng)變傳感器的波長響應(yīng)曲線，如圖5所示。

圖5 光纖光柵波長響應(yīng)曲線

由圖5（a）可知，光纖光柵波長響應(yīng)曲線在約1，5，8 s時(shí)均出現(xiàn)了突變，且在突變點(diǎn)處經(jīng)歷短暫的波動(dòng)后逐漸趨于平穩(wěn)，準(zhǔn)確反映了試驗(yàn)工況1 中3 個(gè)螺栓依次脫落的情況。由圖5（b）可知，光纖光柵波長響應(yīng)曲線在約2 s 時(shí)出現(xiàn)突變，穩(wěn)定后中心波長的增量較大，與螺栓脫落的實(shí)際情況一致。

由穩(wěn)定狀態(tài)下光纖光柵的中心波長計(jì)算得到各試驗(yàn)工況下的應(yīng)變，結(jié)果見表2。

由表2可知，工況1中3個(gè)螺栓斷裂脫落產(chǎn)生的應(yīng)變依次為86×10-6，61×10-6，59×10-6，工況2 中 2 個(gè)螺栓同時(shí)脫落的近似應(yīng)變?yōu)?28×10-6。在不同工況下應(yīng)變均隨斷裂螺栓脫落數(shù)量的增加近似成倍增加，因此根據(jù)突變點(diǎn)應(yīng)變可以確定發(fā)生斷裂脫落螺栓的數(shù)量。

表2 螺栓斷裂脫落監(jiān)測應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

針對鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓脫落損傷監(jiān)測問題，提出一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的螺栓斷裂脫落監(jiān)測及防護(hù)方法，并開展了螺栓斷裂脫落監(jiān)測模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效識別螺栓斷裂脫落的時(shí)間、數(shù)量及節(jié)點(diǎn)位置信息，從而實(shí)現(xiàn)對螺栓斷裂脫落的實(shí)時(shí)監(jiān)測。