基于干涉型光纖傳感器橋梁變形監(jiān)測

趙祥林

（中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511442）

1 概述

通過監(jiān)測橋墩的內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，能夠確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，保證橋梁結(jié)構(gòu)受力合理和線形平順，為大橋安全提供重要保障[1-5]。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者通過多種監(jiān)測手段監(jiān)測分析橋墩。

張鴻祥等[6]利用徠卡TS30高精度全站儀監(jiān)測橋墩平面位移；熊一[7]為保護(hù)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(jiān)測系統(tǒng)，開展系統(tǒng)性監(jiān)測，并分析對比所獲得的監(jiān)測結(jié)果，研究橋體的穩(wěn)定性；李振東等[8]研究了碳納米管混凝土在橋墩節(jié)點(diǎn)處的智能監(jiān)測；王守越等[9]提出特殊的橋墩水平位移監(jiān)測方法，在實(shí)際跨海大橋橋墩水平位移監(jiān)測工作中開展應(yīng)用分析。

以上方法對橋墩監(jiān)測具有一定的實(shí)用性，但在監(jiān)測精度和廣度上仍需進(jìn)一步改進(jìn)研究。光纖監(jiān)測是近年來一種高精度、基于光纖傳感的滲流溫度監(jiān)測系統(tǒng)，可持續(xù)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(shù)據(jù)來檢測微小的滲流變化并計(jì)算橋墩結(jié)構(gòu)中的滲流率，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。本文以某省道大橋?yàn)槔捎梅植际焦饫w監(jiān)測分析橋墩內(nèi)部的力學(xué)和熱力學(xué)性能，同時(shí)還對比分析了傳統(tǒng)監(jiān)測手段與光纖監(jiān)測結(jié)果的異同，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

本文選取的大橋?yàn)橹骺?50m連續(xù)剛構(gòu)橋梁，墩身為薄壁實(shí)心鋼筋混凝土墩，除應(yīng)用了包括伸長計(jì)、壓力計(jì)、熱電偶、GPS和大地測量儀器在內(nèi)的傳感器監(jiān)測橋墩外，還額外安裝了一個(gè)分布式光纖監(jiān)測傳感器系統(tǒng)（以下簡稱“DFOS”），主要目的是驗(yàn)證常規(guī)傳感器的測量結(jié)果，特別是用于掌握應(yīng)變、溫度和混凝土裂縫發(fā)展?fàn)顩r。將DFOS安裝在橋墩上，并在4個(gè)多月的不同時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)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(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)，包括兩個(gè)引伸計(jì)、1個(gè)測縫儀、1個(gè)壓力計(jì)和結(jié)構(gòu)內(nèi)的5個(gè)熱電偶式溫度計(jì)。DFOS安裝形成了一個(gè)環(huán)形路徑，因此，如果DFOS在其一個(gè)位置損壞，其他位置仍然可以開展監(jiān)測工作。探測器被放置在1個(gè)有控制和恒溫條件的盒子中。安裝光纖后，用高強(qiáng)度砂漿（通常用于橋墩維修）填充網(wǎng)格溝槽，以避免光纖和混凝土之間的相對應(yīng)變（位移）。本文給出的結(jié)果范圍為2018年9月～12月，氣溫從18℃下降到零下10℃。

3 數(shù)據(jù)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(yīng)變Δε的變化成正比。從數(shù)學(xué)上來說，可以用如下方程來表示：

比例系數(shù)與每種不同纖維的性能相關(guān)。本文所采用的光纖V9和DIS光纖類型相同，因此可以假設(shè)系數(shù)近似相等，只要已知其中一個(gè)應(yīng)變和溫度，就能從方程式（1）中獲得全部應(yīng)變和溫度。當(dāng)前，主要有兩種不同的方法來獲取兩個(gè)未知數(shù)中的一個(gè)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(shù)。最簡單的方法是用兩個(gè)獨(dú)立的DFOS測量，其中一個(gè)只受溫度變化影響和使用此信息補(bǔ)償?shù)诙€(gè)相鄰DFOS（V9）上的熱效應(yīng)。該程序采用方程式（2）計(jì)算：

對于數(shù)據(jù)的收集識別，首先在橋墩面不同位置加熱DFOS，識別網(wǎng)格的初始部分和末端部分。熱源在確定的DFOS位置產(chǎn)生了較大的應(yīng)變，從而可以在安裝的網(wǎng)格上精確映射信號。柵格幾何體由8個(gè)相鄰的夾角組成，總寬度為4m，高度為7.8m。DFOS的預(yù)埋件總長度為8m。所采用的幾何結(jié)構(gòu)允許在水平和垂直應(yīng)變分量變化之間進(jìn)行清晰的分離。值得一提的是，安裝時(shí)必須優(yōu)化DFOS路徑，避免交叉，導(dǎo)致干擾信息嵌入。

4 測量結(jié)果分析

通常使用DFOS獲得的溫度和應(yīng)變測量值是相對的，而不是絕對的，并且始終與參考零點(diǎn)測量值相關(guān)。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(gè)嵌入式傳感器）的變化。如圖所示，測量結(jié)果出現(xiàn)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(gè)嵌入式DFOS的應(yīng)變變化。由圖可知，測量結(jié)果有3個(gè)～4個(gè)主峰，與DFOS在3個(gè)～4個(gè)不同位置的垂直裂縫交點(diǎn)相對應(yīng)。圖2給出了橋墩表面不同時(shí)期和位置的溫度和應(yīng)變的疊加變化。這是由于覆土的隔熱效應(yīng)，基礎(chǔ)埋件溫度相對穩(wěn)定。

圖1 溫度與應(yīng)變測量結(jié)果

圖2 溫度和應(yīng)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(gè)重要的觀察結(jié)果是，也可以在相同位置的DTS傳感器電纜中識別應(yīng)變峰值（明顯由裂紋引起）。當(dāng)電纜發(fā)生較大變形時(shí)，DTS傳感器電纜中的光纖也可能開始拉伸，從而變得對應(yīng)變敏感。

圖3給出了不同時(shí)期沿著橋墩表面的應(yīng)變場的演變，參考測量從9月21日開始。DFOS測量值是在整個(gè)表面上進(jìn)行線性插值，以獲得二維應(yīng)變場。深色區(qū)域?qū)?yīng)壓縮應(yīng)變（負(fù)），淺色區(qū)域代表拉伸應(yīng)變（正）。從圖3中，可以清楚地觀察到由淺色區(qū)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(rèn)。由于溫度下降，裂縫應(yīng)變在冬季達(dá)到峰值，意味著橋墩收縮裂縫正在擴(kuò)大，應(yīng)當(dāng)采取一定的應(yīng)急防范措施，同時(shí)也表明光纖監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

圖3 不同時(shí)期沿著壩墻的應(yīng)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(jiān)測結(jié)果是通過時(shí)間序列積分得到的。通過觀察發(fā)現(xiàn)，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(jié)果表明，10月白天的溫度梯度最高。根據(jù)這些結(jié)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(jiān)測與傳統(tǒng)測縫計(jì)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(tǒng)的測試結(jié)果一致性，但DFOS精度更高。使用DFOS應(yīng)變傳感器測量出了大于2000微應(yīng)變的大應(yīng)變，可以清楚地看到裂紋的變化規(guī)律。本文通過測量結(jié)果，提出了一種簡化方法，通過DFOS測量來估計(jì)裂紋寬度。通常，峰值與應(yīng)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(cè)的拉伸應(yīng)變分布來估計(jì)。顯然，裂紋寬度遠(yuǎn)小于測量拉伸應(yīng)變的區(qū)域，光纖在比裂紋更寬的區(qū)域內(nèi)拉伸，如果將拉伸應(yīng)變在特征長度上進(jìn)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(jié)束語

本文以某省道大橋?yàn)槔捎梅植际焦饫w監(jiān)測分析了橋墩內(nèi)部的力學(xué)和熱力學(xué)性能，同時(shí)還對比分析了傳統(tǒng)監(jiān)測手段與光纖監(jiān)測結(jié)果的異同。結(jié)果表明，光纖監(jiān)測能夠明顯監(jiān)測出橋墩內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)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(jì)。最后，通過對比光纖監(jiān)測與傳統(tǒng)測縫計(jì)監(jiān)測結(jié)果得出，大量常規(guī)和不同類型的裂縫測量設(shè)備可以用DFOS代替，大大降低了監(jiān)測成本，同時(shí)也提高了監(jiān)測安全性，值得應(yīng)用推廣。