沈化榮 高培偉 樂(lè)建新 習(xí)雨同

1.淮陰工學(xué)院，土木工程系，江蘇 淮安 223001

2.南京航空航天大學(xué)，土木工程系，南京 210016

0 引 言

近幾年來(lái)，我國(guó)一些機(jī)場(chǎng)的主跑道、滑行道，由于設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)不當(dāng)，加之飛機(jī)荷載、起降架次的增大和增多等因素影響，出現(xiàn)了大量的縱、橫向裂縫甚至斷板等道面病害，使跑道的安全性、飛機(jī)滑行和起降的舒適性大大降低，甚至造成了機(jī)毀人亡的慘劇，使裂縫監(jiān)測(cè)和及時(shí)處理就顯得日益重要[1-3]。

為了能長(zhǎng)期有效地監(jiān)控機(jī)場(chǎng)道面的健康狀況，及時(shí)采取修補(bǔ)等措施，并為未來(lái)機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)提供必要的參考信息，本文分析和研究了埋入分布式光纖傳感器的監(jiān)測(cè)機(jī)場(chǎng)裂縫技術(shù)和方法。

自20 世紀(jì)70 年代光纖傳感器出現(xiàn)以來(lái)，主要經(jīng)歷了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用三個(gè)階段（20 世紀(jì)90 年代至今）。目前，我國(guó)正處于基礎(chǔ)建設(shè)的高峰時(shí)期，高速公路、鐵路、高層建筑、橋梁、隧道、邊坡等大型土木工程的建設(shè)，為我國(guó)光纖傳感技術(shù)的成長(zhǎng)和應(yīng)用帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)[4]。

1 光纖傳感技術(shù)的進(jìn)展

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的傳感技術(shù)面臨著更新?lián)Q代的新階段。一些高科技傳感器相繼涌現(xiàn)，且性能優(yōu)異。在各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的傳感器高科技中，光纖傳感以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)居于突出地位，光纖傳感已開始應(yīng)用于土建工程，但主要集中在建筑、橋梁、鐵路和隧道等領(lǐng)域中。

Hendriek[5]等曾將單模光纖埋入飛機(jī)跑道上檢測(cè)其應(yīng)力分布，以進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的監(jiān)測(cè)和診斷[6,7]?；炷两Y(jié)構(gòu)的裂縫可分為由應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)裂縫和由溫度引起的溫度裂縫，其中前者危及結(jié)構(gòu)的安全，后者影響結(jié)構(gòu)的使用。及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫尤為重要，Kai Tai Wan 和Christopher K.Y.Leung 為監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的開裂，提出了一種基于 OTDR 的彎曲損失測(cè)量法的分布式光纖傳感器[8,9]。

安裝在工程結(jié)構(gòu)上的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由各種傳感器構(gòu)成，用以采集埋設(shè)部位的物理力學(xué)參量，包括變形、荷載、溫度等。常規(guī)的傳感器一般是點(diǎn)式電測(cè)儀器，包括最常用的卡爾遜式或弦式傳感器。常規(guī)電測(cè)傳感儀器歷史久、應(yīng)用廣，積累了許多實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，迄今仍是健康監(jiān)測(cè)的主要設(shè)備。但另一方面，它們也在工程實(shí)踐中暴露了技術(shù)局限性，主要表現(xiàn)在兩方面：（1）由于是小范圍的點(diǎn)式檢測(cè)，導(dǎo)致檢測(cè)在空間上的不連續(xù)性，結(jié)果工程中的局部損傷處很可能沒(méi)有埋設(shè)檢測(cè)儀器，容易導(dǎo)致漏檢和漏查。（2）由于絕緣老化、金屬器件氧化、蠕變時(shí)效等因素，導(dǎo)致電測(cè)儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定性不高。

2 分布式光纖傳感器的特征

相較于傳統(tǒng)的常規(guī)傳感器，分布式光纖傳感器具有顯著的優(yōu)勢(shì)，能對(duì)沿光纖連續(xù)分布的環(huán)境信息和物理參量進(jìn)行傳感并加以定位，從而實(shí)現(xiàn)大范圍的連續(xù)監(jiān)測(cè)。不論何時(shí)何處，一旦出現(xiàn)裂縫等損壞并與光纖相交，即可被感知，并測(cè)定損傷程度和位置，排除經(jīng)驗(yàn)判斷的主觀任意性影響。由于傳感光纖的耐久性，除施工期和竣工期起到檢測(cè)功能外，運(yùn)營(yíng)期仍可繼續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷，評(píng)價(jià)和診斷結(jié)構(gòu)健康狀況并做出相應(yīng)的維護(hù)決策。

現(xiàn)階段工程領(lǐng)域常用的分布式光纖傳感器主要有兩類：一種是基于瑞利（Rayleigh）散射原理的強(qiáng)度型分布式光纖傳感器。瑞利散射主要是由光波導(dǎo)的 SiO2材料在拉絲凝固過(guò)程中形成的材料密度組成的微觀非均勻性以及折射率細(xì)觀起伏所引起，屬于本征散射，沿光纖全程分布，可作為彈性場(chǎng)間裂縫的監(jiān)測(cè)參量信息載體，提供光路全程單值的、連續(xù)的檢測(cè)信號(hào)。另一種是基于布拉格（Bragg）光柵理論的波長(zhǎng)調(diào)制型分布式布拉格光纖光柵（FBG）傳感器。FBG 光纖光柵傳感器是一種波長(zhǎng)（或光柵）調(diào)制型光纖傳感器。通過(guò)外界對(duì)其Bragg波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息。傳感機(jī)制主要為：應(yīng)變引起的彈性形變（elastic distortion）和彈光效應(yīng)（strain-optic effect）；溫度引起的熱膨脹效應(yīng)（thermal expansion effect）和熱光效應(yīng)（thermo-optic effect）；磁場(chǎng)引起的Faraday 效應(yīng)。

分布式裂縫光纖傳感技術(shù)即由外界被測(cè)彈性場(chǎng)（裂縫）通過(guò)微彎損耗效應(yīng)，調(diào)制影響光纖的散射（損耗）系數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)[9,10]。利用光時(shí)域反射儀（OTDR）對(duì)后向瑞利散射光加以接受、分析，可檢測(cè)出微彎損耗，得出衰減波形，即損耗沿光程的空間變化。

3 機(jī)場(chǎng)道面裂縫光纖傳感技術(shù)應(yīng)用分析與探討

機(jī)場(chǎng)道面裂縫主要分為荷載型裂縫和非荷載型裂縫兩大類。荷載型裂縫是在交通荷載作用下，面層的底部產(chǎn)生拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力大于道面材料的抗拉強(qiáng)度，底部很快開裂，在荷載的反復(fù)作用下，底部的裂縫就會(huì)逐漸擴(kuò)展。而混凝土早期裂縫的生成，一般是非荷載作用的結(jié)果，大部分可歸結(jié)為溫度變形和收縮變形等間接作用的原因?；炷猎缙谑湛s裂縫控制的重點(diǎn)，目前主要集中于自收縮和干燥收縮的研究[11,12]。對(duì)機(jī)場(chǎng)道面而言，整體澆注的道面板施工完成后形成暴露面比較大，混凝土失水形成早期收縮裂縫的趨勢(shì)較大。溫度型裂縫包括溫度收縮和溫度疲勞裂縫，是機(jī)場(chǎng)道面裂縫的主要形式。

在機(jī)場(chǎng)道面健康監(jiān)測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外目前還沒(méi)有定量的、長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)方法。道面混凝土的裂縫損傷發(fā)生發(fā)展的基本特點(diǎn)是時(shí)空隨機(jī)性，對(duì)于這種隨機(jī)且隱蔽的混凝土裂縫的監(jiān)測(cè)，常規(guī)的點(diǎn)式電測(cè)傳感器就顯得無(wú)能為力了，超聲法也缺乏可靠性，分布式光纖傳感為此提供了有效解決途徑。機(jī)場(chǎng)道面分布式光纖裂縫傳感器的監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：道面內(nèi)部有無(wú)裂縫，裂縫的條數(shù)、縫寬、部位、開裂時(shí)間過(guò)程。由于水泥混凝土機(jī)場(chǎng)道面的結(jié)構(gòu)裂縫主要發(fā)生在主跑道，而僅在主跑道埋設(shè)分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，利用基于瑞利散射原理的微彎損耗型分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)機(jī)場(chǎng)道面進(jìn)行監(jiān)測(cè)在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上是容易實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于微彎損耗型的光纖傳感技術(shù)，關(guān)鍵在于如何由被測(cè)量參量引發(fā)光纖微彎和局部高損耗，即力學(xué)量到光學(xué)量的轉(zhuǎn)換。一般的微彎型的光纖傳感器都是用齒板等變形器夾在一段光纖兩側(cè)，隨壓力、位移等被測(cè)量變動(dòng)，齒板夾緊，光纖生成波浪形微彎。但是，若用齒板埋入混凝土，既不現(xiàn)實(shí)，也不能構(gòu)成分布式傳感。微彎型光纖傳感由點(diǎn)式發(fā)展為分布式的難點(diǎn)，在于打破對(duì)變形器的依賴。以非正交光纖構(gòu)型實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)換機(jī)制的機(jī)理在于混凝土斷裂變形時(shí)光纖受到挾持而變形，光纖的變形和受力可歸納為兩種構(gòu)型：（1）光纖與斷裂面正交時(shí)：混凝土斷裂使光纖純粹受拉而伸長(zhǎng)，不出現(xiàn)彎曲，光波導(dǎo)無(wú)局部高損耗。盡管純拉伸也會(huì)增大光損耗，但靈敏性大為降低。（2）光纖與斷裂面非正交：混凝土斷裂使光纖受拉伸－剪切力雙重作用，生成微彎，引發(fā)光波導(dǎo)局部高損耗。傳感光纖與界面呈特定的非正交構(gòu)型布置時(shí)，一旦界面開裂，光纖即直接生成微彎，力學(xué)量直接轉(zhuǎn)化為光學(xué)量，如圖1 所示。

圖1 光纖傳感監(jiān)測(cè)裂縫Fig.1 Optical fiber sensing monitoring crack

當(dāng)?shù)烂媪芽p逐漸形成并擴(kuò)展時(shí)，將牽動(dòng)光纖，對(duì)光纖施加拉剪作使之出現(xiàn)微彎和相應(yīng)的局部高損耗，引起后向散射光劇烈衰減。非正交光纖構(gòu)型保證了光衰減對(duì)裂縫變形的敏感性，保障對(duì)混凝土斷裂的感知功能。這樣，被測(cè)量力學(xué)斷裂量直接轉(zhuǎn)換成光纖微彎和光信號(hào)調(diào)制，不需借助附加變形器來(lái)生成微彎。當(dāng)機(jī)場(chǎng)道面裂縫發(fā)展時(shí)，光纖受到的側(cè)向剪切和拉伸作用使其微彎增大，引起后向散射光劇烈衰減；由混凝土彈性場(chǎng)的裂縫直接產(chǎn)生光纖微彎，并調(diào)制光學(xué)信號(hào)，引起局部高損耗，直接構(gòu)成裂縫－微彎－損耗單值對(duì)應(yīng)的道面裂縫傳感系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

機(jī)場(chǎng)道面裂縫中荷載型裂縫和非荷載型裂縫均可通過(guò)埋設(shè)分布式光纖傳感器的方法對(duì)道面裂縫進(jìn)行短期或長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容有道面內(nèi)部有無(wú)裂縫、裂縫的條數(shù)、縫寬、部位、開裂時(shí)間過(guò)程。

水泥混凝土機(jī)場(chǎng)道面的主跑道發(fā)生結(jié)構(gòu)裂縫較多，在主跑道埋設(shè)分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上是相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的；傳感技術(shù)受實(shí)際道面工程施工和運(yùn)營(yíng)影響較大，實(shí)際應(yīng)用還有待工程檢驗(yàn)和完善。

我國(guó)在未來(lái)將新增大量機(jī)場(chǎng)，如能將此技術(shù)完善并推廣使用，可長(zhǎng)期有效地監(jiān)控機(jī)場(chǎng)道面健康狀況、及時(shí)采取修補(bǔ)，為未來(lái)機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)提供必要技術(shù)支持。

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