光纖傳感在斜拉橋塔柱應變監測中的應用研究

張乙彬 郭 倩

（1.貴州橋梁建設集團有限責任公司，貴陽 550000；2.貴州交通職業技術學院，貴陽. 550000）

0 引言

斜拉橋憑借其獨特的構造與良好的外觀，在當前的橋梁工程建設中得到了越來越廣泛的應用[1-2]。塔身應力控制是保障結構安全和裂縫控制的關鍵手段，受施工荷載和氣候變化影響，塔身應力也會經常變化，應力過大將造成塔身表面產生裂縫，影響結構安全。現有應力監控方法是在特征點埋設應變片進行監控量測，傳統傳感器不僅安裝施工復雜，而且后期監測線路凌亂，難以進行大面積、大范圍監測，數據采集主要依靠人工監測，不能做到實時采集及傳輸。而新興的光纖傳感器監測方法能對橋塔施工期進行應變監測，實時分析橋塔施工時的應力狀態，控制主塔施工質量和安全。本文就光纖傳感在斜拉橋塔柱應變監測中的具體應用進行介紹。

1 工程概況

某特大橋為249.5m+2×550m+249.5m 的疊合梁斜拉橋，橋梁全長2135m。全橋平面均位于直線段。主塔采用鉆石形索塔，塔柱在橫橋向下橫梁以上的形式為“A”型，下橫梁以下的形式為花瓶型；在縱橋向上橫梁以上的形式為單肢空心薄壁型，上橫梁以下至下塔柱的形式為雙肢空心薄壁型，塔墩的形式為單肢空心薄壁型。上塔柱高78.2m，中塔柱高75.55m，下塔柱高50.25m，塔墩高116.0m。塔柱采用C50混凝土澆筑。

2 監測方案

2.1 監測目的

塔身應力控制是保障結構安全和裂縫控制的關鍵手段，受施工荷載和氣候變化影響，塔身應力也會經常變化，應力過大將造成塔身表面產生裂縫，影響結構安全。同時，中塔柱為傾斜式，在完成上橫梁施工前，中塔柱一直處于懸臂狀態，需在適當位置加設臨時橫撐，因此開展中塔柱應變監測，對判斷截面應力是否滿足規范要求是必要的[3]，同時實時監測可反映中塔柱受力狀態，為增設臨時橫撐提供依據。

2.2 傳感器選擇

振弦式傳感器是基于機械結構式原理研發的傳感器，易受復雜的橋梁施工條件影響，如氣候、施工荷載等因素，使其適用范圍具有很大的局限性。同時，特大橋外部條件的復雜性，也是造成傳統傳感器及其引線破壞的重要原因，使得傳統傳感器難以滿足長期監測的任務。

光纖傳感技術是一種新興的傳感監測技術。目前研制成功的光纖傳感器可以實現包括應變、溫度、位移等絕大部分物理量的監測，已廣泛地應用于土木、水利、智能結構等眾多領域。光纖傳感技術的優勢在于，可以實現大范圍、高精度、長時期地監測；同時，因其主要材料為二氧化硅，其絕緣性好、穩定性高，可對異常區進行精準定位。因此，本次監測工作采用先進的光纖傳感技術。

2.3 監測點布置

塔柱從下橫梁頂開始分為4個中塔柱，在4個中塔柱底布置監測截面，見圖1，每個中塔柱截面角點處布置4 個測點，見圖2。每個監測點布置帶有溫度補償的光纖應變傳感器。

圖1 監測截面示意圖

圖2 監測點位布置圖

2.4 傳感器安裝

為了保證傳感器對變形的敏感性，結合現場實際情況，采用封裝好的埋入式傳感器，并將應變傳感器與溫度傳感器封裝在一起。將4 支軸向應變計串聯成一個光纖串（見圖3），引出兩個感測跳線頭，并將感測跳線接入無線值守型光纖光柵調制解調儀（見圖4）。

圖3 傳感器熔接

圖4 無線值守型光纖光柵調制解調儀

2.5 數據處理

光纖傳感器測得的直接變量為光纖的中心波長值，需經過數據處理，轉變為應變值。

式中：λ0、λT0——分別為光纖應變傳感器、溫度傳感器的初始波長值；

λi、λTi——分別為第i 次測得的光纖應變傳感器、溫度傳感器的波長值；

εi——測點的應變值；K為應變標定系數。

3 4個塔柱應變監測結果分析

3.1 A、B、C、D號塔柱應變監測結果

A號塔、B號塔、C號塔和D號塔柱應變監測時程曲線分別見圖5～圖8，四個塔柱4個監測點的應變變化同步，C號塔柱2#監測點光纖傳輸線破損無法繼接。

圖5 A塔柱應變監測時程曲線

圖6 B塔柱應變監測時程曲線

圖7 C塔柱應變監測時程曲線

圖8 D塔柱應變監測時程曲線

A 號塔柱全截面在監測期間均呈現受壓狀態。3#、4#監測點位于塔柱內側，3#監測點壓應變最大（最大壓應變713.83με），4#監測點次之，而1#和2#監測點應變相當。4 個監測點在雙肢合攏前壓應變隨塔高增加基本呈線性增長，雙肢合攏及上塔柱施工期間壓應變基本處于穩定狀態。

B 號塔柱外側（1#點和2#點）在前期處于受拉狀態，內側全過程處于受壓狀態。3#、4#監測點位于塔柱內側，4#監測點壓應變最大（最大壓應變610.35με），3#監測點次之，2#監測點壓應變最小。4個監測點在雙肢合攏前壓應變隨塔高增加基本呈線性增長，雙肢合攏及上塔柱施工期間壓應變基本處于穩定狀態。

C 號塔柱外側（3#點和4#點）在前期處于受拉狀態，內側全過程處于受壓狀態。1#、2#監測點位于塔柱內側，1#監測點壓應變最大（最大壓應變603.72με），2#監測點次之，3#監測點壓應變最小。3個監測點在雙肢合攏前壓應變隨塔高增加基本呈線性增長，雙肢合攏及上塔柱施工期間壓應變基本處于穩定狀態。

D 號塔柱外側和4#點全過程處于受拉狀態；3#點前期處于受拉狀態，在上肢合攏前處于受壓狀態，上肢合攏及上塔柱施工期間回歸受拉狀態；內側全過程處于受壓狀態。1#、2#監測點位于塔柱內側，2#監測點壓應變最大（最大壓應變737.58με），2#監測點次之，3#監測點壓應變最小。3 個監測點在雙肢合攏前壓應變隨塔高增加基本呈線性增長，雙肢合攏及上塔柱施工期間壓應變基本處于穩定狀態。

3.2 監測結果分析討論

中塔柱在合攏前處于懸臂狀態，在塔柱自身及施工荷載的作用下，內側、外側受力狀態不同，甚至在外側產生拉應力，在塔柱底部形成彎矩應力[4]。本次傳感器是在中塔柱底部第一節段鋼筋綁扎完成后安裝的，因此，在混凝土凝結前，傳感器記錄的主要是鋼筋受力的應變值，為反應混凝土的受力特征，以混凝土凝結后采集的光纖光柵波長值作為初始值。處理后的監測數據顯示，4根中塔柱內側最大壓應變為552～669με（見圖9），各塔柱底部軸力值相差約4MPa，反映各塔柱承受的荷載基本相同，這種應力差可能是由于施工過程中，安裝臨時橫撐時兩側的塔柱進度不一致，懸臂長度不等導致的自重應力差異；中塔柱外側在前期承受拉應力，在施工臨時橫撐后，應變狀態逐漸轉變為壓應力，這也反映出臨時橫撐對塔柱施工質量的重要作用[5]。

圖9 中塔柱內角點最大壓應變監測值

目前，鉆石型索塔或H 型索塔中塔柱均為單肢型。在臨時橫撐設計時，僅需考慮橫橋向的彎矩作用，而本次依托工程中塔柱為雙肢薄壁型，除橫橋向有較大的彎矩外，縱橋向也存在應力差。以A 塔柱監測數據為例（見圖10），橫橋向1#、4#監測點應變差值最大為270με，2#、3#監測點應變差值最大為559με，縱橋向1#、2#監測點應變差值最大為32με，3#、4#監測點應變差值最大為337με，可見，縱橋向的應力差可達到橫橋向應力差的1/2以上，雙肢中塔柱實際處于壓扭性受力狀態，較僅受偏壓的單肢塔柱更復雜，因此縱橋向的應力控制也是不能忽視的。

圖10 A塔柱典型應變場云圖

4 結束語

（1）本次通過光纖傳感器采集的應變監測數據，符合塔柱應力狀態，反映光纖傳感技術在橋梁結構健康監測中的應用潛力。

（2）臨時橫撐能有效地控制中塔柱塔底截面應力，結合光纖實時監測數據，可對臨時橫撐布置高度、數量進行動態調整，以使其塔底截面應力處于合理范圍內。

（3）鉆石型索塔雙肢薄壁中塔柱與傳統的鉆石單肢型中塔柱或H 型索塔不同，在考慮橫橋向彎矩時，還應對縱橋向應力控制引起重視。