應用于橋梁健康監測中光測法與電測法的試驗對比與探討

李 凱，周 煜，廉經偉，魏濤濤

（1.四平市城市發展投資控股有限公司，吉林 四平 136000；2.南京工大橋隧與軌道交通研究院有限公司，江蘇 南京 210031）

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，橋梁交通壓力越來越大，出現了多起橋梁安全事故［1-2］。例如 1999 年重慶彩虹橋坍塌；2001 年宜賓市南門大橋吊桿斷裂、橋面坍塌；2012 年江西撫州市河東大橋八孔坍塌六孔；2019 年江蘇省無錫市錫港路上跨橋出現橋面側翻。

針對此情況，橋梁健康監測憑借其準確性與及時性越來越受到業界重視，也在很多大橋上得到應用，例如香港青馬大橋、蘇通大橋、安慶長江公路大橋、東海大橋等［3-4］。

隨著新材料的研發與應用，光纖光柵技術得到了快速發展。相對于傳統電測法，光纖光柵憑借不易腐蝕、抗干擾等優異的材料性能，在橋梁、礦山、醫療、建筑等行業逐步推廣。本文通過橋梁加載試驗，將光纖光柵傳感器與電阻應變計對橋梁進行同步監測，比較兩種監測方法的優劣，探討兩種手段對橋梁健康監測的實施性與適用性［5］。

1 試驗方案

本次試驗以某獨塔單索面混合梁斜拉橋為例，對主跨進行車輛加載，并進行建模計算，得出理論值，并將光纖光柵傳感器數據與電阻應變計數據對比分析，得出相關結論。

1.1 工程概況

本橋為獨塔單索面混合梁斜拉橋，橋跨布置為90 m+169 m，結構采用塔—梁—墩全固結體系，橋塔高 75 m，采用轉體法施工工藝。

主梁采用混合梁結構，主跨主梁為鋼箱梁，邊跨主梁為預應力混凝土箱梁，在主塔附近主跨側通過鋼混結合段將不同材質的邊、主跨主梁進行連接。橋寬 36 m。本橋塔身采用鋼—混凝土組合結構。斜拉索采用單索面雙排索布置，共有斜拉索 24 對、共 48 根（見圖 1、圖 2）。

圖1 斜拉橋 Midas/Civil 有限元模型

圖2 試驗加載車輛車型圖（其余單位：cm）

1.2 儀器設備與測點布置

1.2.1 試驗儀器

光纖光柵傳感器 6 只、電阻應變計 6 只、光纖光柵解調儀 1 臺、應變測試儀 1 臺。

加載車輛：單車重 35 t 加載車，應保證總重（主要是后軸重量）的誤差在±1 t。

測試原理如下。

1）光纖光柵傳感器。傳感器運用了光的反射和濾波原理，當一束激光射入光纖中，在光纖布拉格光柵波長范圍內的光會被反射回來，其余波長的光將繼續傳遞。在應力、溫度測試中，布拉格光柵的反射波長會由于應力、溫度的變化而漂移，通過波長的漂移實現參量的測量。反射波長見式（1）：

式中：neff為纖芯折射率，Λ為光柵周期，光波傳播原理［6］如圖 3 所示。

圖3 光波傳輸原理圖

本次試驗采用的是溫度補償型雙參數傳感器［7］，同時測量應變和溫度，對應變數據進行溫度補償，補償公式見式（2）：

式中：με為微應變，λ為測試波長，λ0為初值波長，VT為溫差，K為應變系數，KT為溫度補償系數。

2）電阻應變計。電阻應變計大致有 4 種：金屬應變計、半導體應變計、粘貼式應變計、張絲式應變計。

本次試驗采用的是金屬應變計。當發生形變時，金屬絲的橫截面和長度都會發生變化，從而金屬絲的電阻值發生一定變化，根據相應換算，可以得出應變值。

1.2.2 測點布置

本次試驗測點截面位于主跨跨中，截面測點布置如圖 4 所示。

圖4 截面測點布置圖（單位：mm）

連接方式：光纖光柵傳感器多點串聯，共用導線。電阻應變計單點單線。

加載位置：本次加載為對中加載，具體加載位置如圖 5 所示。

圖5 車輛加載平面布置圖（單位：mm）

溫度測量：采用紅外溫度測試儀測量梁體表面的溫度及環境溫度。

1.3 試驗布驟

加載步驟：①加載試驗分為預加載、逐級加載、卸載三個步驟。②逐級加載分為：一級加載、二級加載和三級加載，每級加載持續時間≥ 20 min，待數據穩定后讀數。③加載時汽車荷載應按規定順序準確就位，卸載時車輛退出橋梁結構試驗影響區，車速≤5 km/h。

2 試驗結果與分析

本次試驗地點位于東北地區，晝夜溫差大，為避免環境溫度的影響，所以試驗選在夜晚進行，另外光纖光柵傳感器與電阻應變計均進行溫度補償，降低溫度對數據的影響。在一級加載前，應對儀器進行歸零校正。

本次測試結果對比分為三個部分：①電阻應變計實測值與理論值對比；②光纖光柵傳感器實測值與理論值對比；③電阻應變計與光纖光柵傳感器對稱測點對比。經過三次對比，得出相關結論。

利用 Midas/Civil 建立有限元模型，對加載工況進行理論值計算，并與電阻應變計實測值對比分析（見表 1）。

表1 電阻應變計所測應變值與理論值對比分析 με

從表 1 中可得出以下結論。

1）結構應變拉壓情況吻合。在加載過程中，頂板1 #、2 #、3 # 為負值，表現為壓應變；底板 4 #、5 #、6 # 為正值，表現為拉應變，與理論一致。

2）應變數值變化趨勢與理論一致。加載過程中頂板 1 #、2 #、3 # 壓應變增大，卸載后，壓應變減小；底板 4 #、5 #、6 # 加載過程中拉應變增大，卸載后，拉應變減小。

3）卸載后，應變數據仍然很大，并沒有返回，所測相對殘余變形較大。

在電阻應變計布設的相同位置處，布設光纖光柵傳感器，將其實測值與理論值對比（見表 2）。

表2 光纖光柵傳感器所測應變值與理論值對比分析 με

從表 2 中可得出以下結論。

1）結構拉壓情況、變化趨勢與理論一致，頂板為壓（負），底板為拉（正）。

2）卸載后，應變數據大部分返回，基本接近于 0，相對殘余較小。

從車輛加載平面布置圖和測點布置圖來看，本次加載為對中加載，1 # 和 3 #、4 # 和 6 # 兩組測點位置對稱，因此 1 # 和 3 #、4 # 和 6 # 理論值相同。現將對稱測點進行差值對比，結果如表 3 所示。

表3 電阻應變計與光纖光柵傳感器對稱測點差值表 με

從表 3 中可得出以下結論。

1）電阻應變計對稱測點差值普遍偏大，最大達到15，其余差值與理論差別較大。

2）光纖光柵傳感器對稱測點差值較小，最大為 5，且大部分接近于 0，更貼合理論。

3 結論

通過本次橋梁加載試驗將光測法和電測法兩者對比，得出以下結論。

1）電阻應變計與光纖光柵傳感器測試數據與理論基本一致，均可用于橋梁健康監測，而電阻應變計殘余應變較大，數據存在一定爭議。

2）經過兩種測試方法對稱測點差值比較，電測法對稱點差值較大，而光測法差值較小，其數據與理論更貼合。

3）電測法易受電磁干擾，而光測法不受電磁干擾，穩定性更高。

4）電測法采用單只單線，導線用量很大。光測法可實現分布式測量［8］，多點串聯，共用導線，節約導線。

5）在橋梁健康監測中，儀器損壞后更換困難，光纖光柵傳感器壽命遠超電阻應變計，更適宜于長期監測。

在橋梁健康監測中，光測法相對于電測法更適用，光纖光柵傳感器在數據準確性、穩定性、連線方式以及使用壽命等方面都優于電阻應變計。