基于干涉型光纖傳感器橋梁變形監測

趙祥林

（中國鐵建港航局集團有限公司，廣東 廣州 511442）

1 概述

通過監測橋墩的內部運行狀態，能夠確保橋梁結構的安全和穩定，保證橋梁結構受力合理和線形平順，為大橋安全提供重要保障[1-5]。當前，國內外學者通過多種監測手段監測分析橋墩。

張鴻祥等[6]利用徠卡TS30高精度全站儀監測橋墩平面位移；熊一[7]為保護江肇高速主線橋及公路行車安全，針對主線橋的橋墩建立監測系統，開展系統性監測，并分析對比所獲得的監測結果，研究橋體的穩定性；李振東等[8]研究了碳納米管混凝土在橋墩節點處的智能監測；王守越等[9]提出特殊的橋墩水平位移監測方法，在實際跨海大橋橋墩水平位移監測工作中開展應用分析。

以上方法對橋墩監測具有一定的實用性，但在監測精度和廣度上仍需進一步改進研究。光纖監測是近年來一種高精度、基于光纖傳感的滲流溫度監測系統，可持續了解橋墩狀況，提升橋墩安全水平，能夠通過高空間分辨率溫度數據來檢測微小的滲流變化并計算橋墩結構中的滲流率，因此具有廣泛的應用前景。本文以某省道大橋為例，采用分布式光纖監測分析橋墩內部的力學和熱力學性能，同時還對比分析了傳統監測手段與光纖監測結果的異同，研究成果可為相關工程提供參考。

本文選取的大橋為主跨150m連續剛構橋梁，墩身為薄壁實心鋼筋混凝土墩，除應用了包括伸長計、壓力計、熱電偶、GPS和大地測量儀器在內的傳感器監測橋墩外，還額外安裝了一個分布式光纖監測傳感器系統（以下簡稱“DFOS”），主要目的是驗證常規傳感器的測量結果，特別是用于掌握應變、溫度和混凝土裂縫發展狀況。將DFOS安裝在橋墩上，并在4個多月的不同時間間隔內進行檢測。

2 光纖安裝位置

此次研究的DFOS安裝在橋墩上，靠近現有的監測系統，包括兩個引伸計、1個測縫儀、1個壓力計和結構內的5個熱電偶式溫度計。DFOS安裝形成了一個環形路徑，因此，如果DFOS在其一個位置損壞，其他位置仍然可以開展監測工作。探測器被放置在1個有控制和恒溫條件的盒子中。安裝光纖后，用高強度砂漿（通常用于橋墩維修）填充網格溝槽，以避免光纖和混凝土之間的相對應變（位移）。本文給出的結果范圍為2018年9月～12月，氣溫從18℃下降到零下10℃。

3 數據分析方法

如前所述，兩次測量之間的光譜偏移ΔvOBR與溫度ΔT和應變Δε的變化成正比。從數學上來說，可以用如下方程來表示：

比例系數與每種不同纖維的性能相關。本文所采用的光纖V9和DIS光纖類型相同，因此可以假設系數近似相等，只要已知其中一個應變和溫度，就能從方程式（1）中獲得全部應變和溫度。當前，主要有兩種不同的方法來獲取兩個未知數中的一個并求解方程式（1），即使用兩種不同的光纖或使用兩種不同的測量技術。最簡單的方法是用兩個獨立的DFOS測量，其中一個只受溫度變化影響和使用此信息補償第二個相鄰DFOS（V9）上的熱效應。該程序采用方程式（2）計算：

對于數據的收集識別，首先在橋墩面不同位置加熱DFOS，識別網格的初始部分和末端部分。熱源在確定的DFOS位置產生了較大的應變，從而可以在安裝的網格上精確映射信號。柵格幾何體由8個相鄰的夾角組成，總寬度為4m，高度為7.8m。DFOS的預埋件總長度為8m。所采用的幾何結構允許在水平和垂直應變分量變化之間進行清晰的分離。值得一提的是，安裝時必須優化DFOS路徑，避免交叉，導致干擾信息嵌入。

4 測量結果分析

通常使用DFOS獲得的溫度和應變測量值是相對的，而不是絕對的，并且始終與參考零點測量值相關。如圖1（左）給出了與9月21日的參考測量值（首次測量）相比，12月18日溫度分布（整個嵌入式傳感器）的變化。如圖所示，測量結果出現了顯著的溫度變化，從9月到12月，溫度的相對下降約為25℃。圖1（右）給出了12月18日整個嵌入式DFOS的應變變化。由圖可知，測量結果有3個～4個主峰，與DFOS在3個～4個不同位置的垂直裂縫交點相對應。圖2給出了橋墩表面不同時期和位置的溫度和應變的疊加變化。這是由于覆土的隔熱效應，基礎埋件溫度相對穩定。

圖1 溫度與應變測量結果

圖2 溫度和應變的疊加變化

值得一提的是，安裝在混凝土墻中且直接暴露在空氣中的DFOS部分顯示出明顯的下降趨勢。另一個重要的觀察結果是，也可以在相同位置的DTS傳感器電纜中識別應變峰值（明顯由裂紋引起）。當電纜發生較大變形時，DTS傳感器電纜中的光纖也可能開始拉伸，從而變得對應變敏感。

圖3給出了不同時期沿著橋墩表面的應變場的演變，參考測量從9月21日開始。DFOS測量值是在整個表面上進行線性插值，以獲得二維應變場。深色區域對應壓縮應變（負），淺色區域代表拉伸應變（正）。從圖3中，可以清楚地觀察到由淺色區域表示沿著橋墩表面垂直裂縫的位置，之后通過工作人員檢查確認。由于溫度下降，裂縫應變在冬季達到峰值，意味著橋墩收縮裂縫正在擴大，應當采取一定的應急防范措施，同時也表明光纖監測的準確性。

圖3 不同時期沿著壩墻的應變場的演變

圖4給出了3段光纖在橋墩表面垂直位置的延伸/壓縮，每段電纜長4m。這一監測結果是通過時間序列積分得到的。通過觀察發現，橋墩壓縮變形會隨著冬季溫度的降低而增加，10月份白天定期測量結果表明，10月白天的溫度梯度最高。根據這些結果可以得出，白天溫度變化影響可被忽略。

圖4 三段光纖在壩墻垂直位置的延伸/壓縮

5 光纖監測與傳統測縫計對比分析

DFOS的裂縫寬度與測縫儀之間的比較，如圖5所示，隨著溫度的降低，可以清楚地觀察到開口裂紋的變化趨勢，兩種測量系統的測試結果一致性，但DFOS精度更高。使用DFOS應變傳感器測量出了大于2000微應變的大應變，可以清楚地看到裂紋的變化規律。本文通過測量結果，提出了一種簡化方法，通過DFOS測量來估計裂紋寬度。通常，峰值與應變測量值之間的距離可以視為裂紋間距，裂紋寬度可通過整合峰值兩側的拉伸應變分布來估計。顯然，裂紋寬度遠小于測量拉伸應變的區域，光纖在比裂紋更寬的區域內拉伸，如果將拉伸應變在特征長度上進行積分，即可獲得裂紋寬度。

圖5 DFOS 的裂縫寬度與測縫儀之間的比較

6 結束語

本文以某省道大橋為例，采用分布式光纖監測分析了橋墩內部的力學和熱力學性能，同時還對比分析了傳統監測手段與光纖監測結果的異同。結果表明，光纖監測能夠明顯監測出橋墩內部應力狀態變化，其中與9月21日的參考測量值（首次測量）相比，從9月到12月，溫度相對下降約25℃。此外，橋墩壓縮變形隨著冬季溫度的降低而增加，但白天溫度變化影響可以忽略不計。最后，通過對比光纖監測與傳統測縫計監測結果得出，大量常規和不同類型的裂縫測量設備可以用DFOS代替，大大降低了監測成本，同時也提高了監測安全性，值得應用推廣。