基于分布式光纖傳感的橋梁結構應變測量應用技術研究

侯娜

（ 1、遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽110111 2、遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽110111）

1 概述

現代電子信息、傳感技術和網絡技術的高速發展，為傳統土木行業工程測試測量帶來了新的技術手段和應用前景。近十幾年來，橋梁結構安全監測的快速發展和應用正是體現了新技術和傳統土木行業的融合促進。然而目前較成熟的橋梁安全結構監測系統基本是通過大量布設點式傳感器，通過局部測量來評估橋梁結構的整體安全狀態。隨著近幾年分布式光纖傳感技術在國內的研發應用，可以實現橋梁結構長距離大范圍的分布式連續應變測量，是目前橋梁結構安全監測良好的補充內容。

2 分布式光纖傳感基本原理

光的傳播介質不均勻性產生光的散射。有些散射現象是介質本身所固有的，與介質本身的純凈度沒有本質關系。這類散射現象包括瑞利散射,拉曼散射和布里淵散射。其中布里淵散射的本質是入射光與聲學聲子相互作用的非彈性散射。光通過光纖時，會有布里淵散射的微弱光返回，它的頻率變化會和光纖的應變成正比。布里淵散射分為自發布里淵散射和受激布里淵散射。布里淵時域分析技術（BOTDA）是基于受激布里淵散射原理，分別從光纖的兩端注入短脈沖光和連續探測光，通過測量光纖中受激布里淵散射光的頻率變化，就能獲得光纖軸向各點的應變信息。BOTDA 原理如圖1。

圖1 BOTDA 原理

利用這一特性測量結構體的應變就是光纖傳感。光纖傳感技術是一種在廣域內連續地測量光纖上產生應變的技術。將光纖敷設在被測結構體上，就能通過光纖應變測出結構體應變情況。分布式光纖傳感的特性：分布式、長距離、耐久性、抗干擾且傳感光纜廉價。

3 測量應用實現方法

3.1 傳感光纜選型與布設工藝

普通單模光纖可作為傳感元件，滿足傳感功能，但封裝方式不利于工程施工。粗獷的施工環境下布設纖細的光纖很容易發生彎折導致光損過大甚至光纖折斷無法完成測量。工程應用中，傳感光纜需要特定的封裝設計，使其具有良好的耦合性、應變傳遞性和高強度保護性。目前可采用兩種不同封裝的傳感光纜，金屬基索狀應變感測光纜和玻璃纖維復合基應變感測光纜。

布設方式分預埋式和表貼式兩種。預埋式布設適合應用在新建橋梁結構，將金屬基索傳感光纜預拉用扎帶固定在待測位置的鋼筋上，傳感光纜兩端標注光纖位置和進出線端。澆筑完成后，根據實際應用環境使用適合長度的鎧裝通訊光纜作為延長鏈路與傳感光纜熔接，并將通信光纜兩端熔接插頭接入BOTDA 解調設備。表貼式布設適合應用在役橋梁結構，可將玻璃纖維布傳感光纜拉直，用浸漬膠將傳感光纜黏貼于被測結構表面。其他工序如前述方法。光纜布設完成，需對傳感光纜定位，便于后續剝離應變傳感數據，提高分析效率。

3.2 BOTDA 解調設備應用

BOTDA 解調設備采用商用的NBX-6050A，該設備基于PPP-BOTDA 原理，可實現長距離、高分辨率、高精度分布式應變測量。測試距離大于20 km，最優空間分辨率為5cm，應變精度可達7.5με。但目前商用BOTDA 設備無法實現多回路測量，為解決此問題測量系統可集成多通道光開關模塊，實現多通道光路拓展。設備測試流程如圖2 所示。

4 橋面板模型加載試驗

4.1 試驗材料與儀器

試驗橋面板采用C40 混凝土，配普通鋼筋，試驗橋面板尺寸1000mm×220mm×2200mm，橋面板混凝土體積0.484 立方米。預埋傳感光纜為金屬基索狀應變感測光纜，直徑5mm，傳感光纜總長度30.5m，通信光纜總長度20m。BOTDA 解調儀型號NBX-6050A，空間分辨率50mm。

4.2 試驗方法

圖2 BOTDA 解調設備測試流程

傳感光纖分別布設于橋面板頂層和底層鋼筋上，沿頂層縱向鋼筋方向回旋布設傳感光纜，長度2100mm×4，橫向間隔光纜長度200mm×3；沿頂層橫向鋼筋方向回旋布設傳感光纜,長度1000mm×5,縱向間隔光纜長度400mm×4。底層只布設縱向光纜，和頂層對稱布設。利用激光筆測試三個鏈路的傳感光纜成活率，光纜分別通光正常后三個鏈路串聯熔接，形成一個光纖鏈路，并熔接延長的通訊光纜連接至BOTDA 解調儀，進行模型板加載試驗。加載工況0 kN 至120 kN，步進值10 kN，120 kN 至460 kN，步進值20 kN，加載至破壞工況。加載試驗如圖3所示。

圖3 橋面板模型加載試驗

4.3 試驗結果分析

對比分布式光纖與單點電阻式應變傳感器測試數據，選取跨中截面，測點位置“應變計- 頂”為頂板中心，“應變計- 腹1”為腹板距頂板30mm，“應變計- 腹2”為腹板距頂板70mm，“應變計- 腹3”為腹板中心距頂板110mm.傳感光纜通過定點截取跨中截面數據點，定位精度50mm ，“光纖- 頂”預埋光纜距頂板60mm ，“光纖- 底”預埋光纜距頂板150mm。加載力0 至420 kN，應變分布曲線如圖4 所示。從數據對比曲線可以看出隨著荷載的增加，應變值不斷增大且中性軸隨著荷載的增加逐漸上升。

圖4 跨中截面應變分布曲線

另外,預埋在橋面板內的分布式傳感光纜，較直觀地反應了加載過程中橋面板內部混凝土應變分布規律。如圖5 所示,分別反映了橋面板縱向4 個截面，混凝土上緣（上圖）和下緣（下圖）的應變分布規律。加載過程中，橋面板截面，下緣混凝土受拉，上緣混凝土受壓，且下緣的拉應變大于上緣的壓應變，隨著中性軸的上升，上緣混凝土由受壓轉為受拉。利用4 個截面上下緣的應變數據可繪制橋面板加載狀態下的三維應變分布圖。

圖5 橋面板縱向混凝土上下緣應變曲線

5 結論

本文主要介紹了分布式光纖傳感技術在橋梁結構應變測量中的應用，簡述了BOTDA 基本原理，基于BOTDA 測量的分布式光纜選型與光纜布設工藝和商用設備集成應用情況。依托于鋼筋混凝土橋面板模型受彎試驗，驗證了分布式光纖傳感技術在結構應變測量應用中的可行性，雖然分布式光纖傳感的應變精度低于傳統點式應變傳感器，但可作為應變監測的輔助手段，監測沿縱橋向各位置的應力、應變分布情況，了解結構在受力狀態下的應變分布規律。可將預埋分布式傳感光纜預制于大型鋼筋混凝土結構中，從而監測結構全壽命期的應變情況。