應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測中光測法與電測法的試驗對比與探討

李 凱，周 煜，廉經(jīng)偉，魏濤濤

（1.四平市城市發(fā)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(jīng)濟的飛速發(fā)展，橋梁交通壓力越來越大，出現(xiàn)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?xùn)|大橋八孔坍塌六孔；2019 年江蘇省無錫市錫港路上跨橋出現(xiàn)橋面?zhèn)确?/p>

針對此情況，橋梁健康監(jiān)測憑借其準確性與及時性越來越受到業(yè)界重視，也在很多大橋上得到應(yīng)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(fā)與應(yīng)用，光纖光柵技術(shù)得到了快速發(fā)展。相對于傳統(tǒng)電測法，光纖光柵憑借不易腐蝕、抗干擾等優(yōu)異的材料性能，在橋梁、礦山、醫(yī)療、建筑等行業(yè)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(yīng)變計對橋梁進行同步監(jiān)測，比較兩種監(jiān)測方法的優(yōu)劣，探討兩種手段對橋梁健康監(jiān)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(shù)據(jù)與電阻應(yīng)變計數(shù)據(jù)對比分析，得出相關(guān)結(jié)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(jié)構(gòu)采用塔—梁—墩全固結(jié)體系，橋塔高 75 m，采用轉(zhuǎn)體法施工工藝。

主梁采用混合梁結(jié)構(gòu)，主跨主梁為鋼箱梁，邊跨主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，在主塔附近主跨側(cè)通過鋼混結(jié)合段將不同材質(zhì)的邊、主跨主梁進行連接。橋?qū)?36 m。本橋塔身采用鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)。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(shè)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(yīng)變計 6 只、光纖光柵解調(diào)儀 1 臺、應(yīng)變測試儀 1 臺。

加載車輛：單車重 35 t 加載車，應(yīng)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(nèi)的光會被反射回來，其余波長的光將繼續(xù)傳遞。在應(yīng)力、溫度測試中，布拉格光柵的反射波長會由于應(yīng)力、溫度的變化而漂移，通過波長的漂移實現(xiàn)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(shù)傳感器［7］，同時測量應(yīng)變和溫度，對應(yīng)變數(shù)據(jù)進行溫度補償，補償公式見式（2）：

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

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

本次試驗采用的是金屬應(yīng)變計。當發(fā)生形變時，金屬絲的橫截面和長度都會發(fā)生變化，從而金屬絲的電阻值發(fā)生一定變化，根據(jù)相應(yīng)換算，可以得出應(yīng)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(lián)，共用導(dǎo)線。電阻應(yīng)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(huán)境溫度。

1.3 試驗布驟

加載步驟：①加載試驗分為預(yù)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(xù)時間≥ 20 min，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀數(shù)。③加載時汽車荷載應(yīng)按規(guī)定順序準確就位，卸載時車輛退出橋梁結(jié)構(gòu)試驗影響區(qū)，車速≤5 km/h。

2 試驗結(jié)果與分析

本次試驗地點位于東北地區(qū)，晝夜溫差大，為避免環(huán)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(yīng)變計均進行溫度補償，降低溫度對數(shù)據(jù)的影響。在一級加載前，應(yīng)對儀器進行歸零校正。

本次測試結(jié)果對比分為三個部分：①電阻應(yīng)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(yīng)變計與光纖光柵傳感器對稱測點對比。經(jīng)過三次對比，得出相關(guān)結(jié)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(yīng)變計實測值對比分析（見表 1）。

表1 電阻應(yīng)變計所測應(yīng)變值與理論值對比分析 με

從表 1 中可得出以下結(jié)論。

1）結(jié)構(gòu)應(yīng)變拉壓情況吻合。在加載過程中，頂板1 #、2 #、3 # 為負值，表現(xiàn)為壓應(yīng)變；底板 4 #、5 #、6 # 為正值，表現(xiàn)為拉應(yīng)變，與理論一致。

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

3）卸載后，應(yīng)變數(shù)據(jù)仍然很大，并沒有返回，所測相對殘余變形較大。

在電阻應(yīng)變計布設(shè)的相同位置處，布設(shè)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(yīng)變值與理論值對比分析 με

從表 2 中可得出以下結(jié)論。

1）結(jié)構(gòu)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(yīng)變數(shù)據(jù)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(xiàn)將對稱測點進行差值對比，結(jié)果如表 3 所示。

表3 電阻應(yīng)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(jié)論。

1）電阻應(yīng)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(jié)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(jié)論。

1）電阻應(yīng)變計與光纖光柵傳感器測試數(shù)據(jù)與理論基本一致，均可用于橋梁健康監(jiān)測，而電阻應(yīng)變計殘余應(yīng)變較大，數(shù)據(jù)存在一定爭議。

2）經(jīng)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(shù)據(jù)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(wěn)定性更高。

4）電測法采用單只單線，導(dǎo)線用量很大。光測法可實現(xiàn)分布式測量［8］，多點串聯(lián)，共用導(dǎo)線，節(jié)約導(dǎo)線。

5）在橋梁健康監(jiān)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(yīng)變計，更適宜于長期監(jiān)測。

在橋梁健康監(jiān)測中，光測法相對于電測法更適用，光纖光柵傳感器在數(shù)據(jù)準確性、穩(wěn)定性、連線方式以及使用壽命等方面都優(yōu)于電阻應(yīng)變計。