劉發(fā)水

（福州市公路局，福州 福建 350211）

分布式裂縫監(jiān)測技術(shù)在橋梁上的應用

劉發(fā)水

（福州市公路局，福州 福建 350211）

裂縫檢測及監(jiān)測一直是橋梁管理養(yǎng)護中的重要任務(wù)，而傳統(tǒng)的應變傳感器是點式的監(jiān)測方式，難以覆蓋橋梁上出現(xiàn)裂縫的部位。文章對分布式的光纖傳感技術(shù)進行了介紹，通過室內(nèi)試驗應用于混凝土梁，驗證了該技術(shù)裂縫監(jiān)測的效果，結(jié)果表明分布式裂縫監(jiān)測技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)的點式傳感的缺點，具有重要的工程價值。

分布式傳感技術(shù)；混凝土裂縫；應變傳感器；結(jié)構(gòu)安全；狀態(tài)評估

1 概述

近年來，國民經(jīng)濟快速發(fā)展對道路交通的要求越來越高，我國的公路橋梁建設(shè)突飛猛進，各類橋梁拔地而起。我國的橋梁建設(shè)不論在建設(shè)數(shù)量、規(guī)模，還是技術(shù)難度上，都已位居世界橋梁建設(shè)強國之列。預計到2020年，中國還將新建大中小橋梁20萬座。但是橋梁結(jié)構(gòu)的運營安全狀態(tài)形勢卻日趨嚴峻。我國最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在70多萬座公路橋梁中，各類病橋的數(shù)量已逼近10萬座，其中危橋近2萬座，且各類惡性事故屢有發(fā)生。

因此，需要對橋梁的健康狀況做定期檢查以了解橋梁的損傷程度以及剩余承載能力。既有橋梁的結(jié)構(gòu)損傷檢測和狀態(tài)評估問題20世紀50年代就已提出并深受重視，除大量研究文獻外，已出版有若干方法和規(guī)程。

在影響橋梁安全的多種病害中，混凝土裂縫是橋梁中常見的病害，其中嚴重的結(jié)構(gòu)開裂將會對橋梁結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。因此，裂縫檢測及監(jiān)測一直是橋梁管理和養(yǎng)護中的重要任務(wù)。本文提出一種基于長標距光纖的分布式傳感技術(shù)，介紹了裂縫監(jiān)測原理，并在實驗室中進行了試驗驗證。試驗結(jié)果對長標距光纖分布式傳感技術(shù)的應用具有指導意義。

2 光纖傳感技術(shù)分析

光纖傳感技術(shù)是在20世紀70年代隨著光纖制造和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，是一種以光為載體，光纖為媒介，感知與傳輸外界信號為一體的高精度傳感技術(shù)。光纖傳感技術(shù)的類型多，可以監(jiān)測的物理量多，包括應變、溫度、變形，以及各種化學參量等。

與傳統(tǒng)的電信號相比，光纖傳感器具有眾多獨特的優(yōu)勢： (1)質(zhì)量輕、體積小，普通光纖外徑為250 μm，最細的傳感光纖外徑直徑僅為35～40 μm，可在結(jié)構(gòu)表面或者埋入結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，對被測結(jié)構(gòu)影響??；(2)靈敏度高，傳輸頻帶寬，采用波長調(diào)制技術(shù)，分辨率可達到納米量級；(3)耐腐蝕，光纖涂覆層為高分子材料，化學性能穩(wěn)定，適合長期監(jiān)測；(4)抗電磁干擾，光信號傳輸時，不會與電磁場產(chǎn)生作用，因而信息在傳輸過程中抗電磁干擾能力較強；(5)分布或準分布式測量，能夠用一根光纖測量空間多點或者無限自由度的參數(shù)分布；(6)使用期限內(nèi)維護費用低。

隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，分布式光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)裂縫檢測方面的優(yōu)勢更加明顯，它能同時測量空間多個點的環(huán)境參數(shù)，甚至能測量空間連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)。對于大型重要結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)損傷的開展存在較大不確定性，傳統(tǒng)的“點式”傳感器難以準確反映結(jié)構(gòu)的損傷信息，分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展應用很好地實現(xiàn)了土木結(jié)構(gòu)的分布式監(jiān)測。丁睿等［1］基于分布式光纖傳感技術(shù)檢測裂縫的原理,討論了光纖的布置方式，并通過模型實驗探討了光衰減與裂縫寬度的關(guān)系，獲得了相應的經(jīng)驗公式；唐天國等［2］研究并應用了一種新型分布式光纖傳感器，埋入混凝土并與預期裂縫相交一定斜角，當裂縫出現(xiàn)引起光纖局部微彎,并誘發(fā)瑞利散射光產(chǎn)生衰減，用光時域反射技術(shù)實現(xiàn)分布式檢測；毛江鴻等［3］圍繞BOTDA技術(shù)應用于結(jié)構(gòu)應變和開裂監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)，通過理論分析和試驗研究完善了分布式傳感光纖在混凝土內(nèi)部的布設(shè)工藝，同時進行了分布式光纖監(jiān)測結(jié)構(gòu)開裂的試驗研究；張少杰等［4］采用混凝土模型實驗研究一種新型光纖碳涂覆光纖的傳感特性，測定了分布式光纖傳感用于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測中的力-光本構(gòu)關(guān)系和性能參數(shù)；郭宗蓮等研究了可用于重大工程結(jié)構(gòu)的分布式傳感技術(shù)，包括基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)、封裝長標距光纖光柵（FBG）技術(shù)［5］等等，這些傳感技術(shù)的特征是具有長的測量標距（按實際需求確定），且可以實現(xiàn)大范圍的分布監(jiān)測，其中長標距FBG傳感技術(shù)可用于動靜態(tài)精確測量，測量精度1～2 με，適用于結(jié)構(gòu)在動力荷載下的動態(tài)監(jiān)測。

目前，光纖傳感器可以測量位移、震動、轉(zhuǎn)角、壓力、加速度、溫度、濕度和應變等物理量。

普通FBG的傳感柵區(qū)大約2 cm左右，與常用的鋼筋電阻應變片的尺寸相仿，將FBG全面粘貼在結(jié)構(gòu)表面，除了傳輸通道為一根光纖外，與應變片一樣，只監(jiān)測了結(jié)構(gòu)某些點的應變，并不能實現(xiàn)分布式測量。當隨機裂縫產(chǎn)生時，沒有與裂縫在同一位置的長標距光纖FBG有可能應變值下降，無法實施有效的損傷識別。但是通過兩個錨固點FBG可以測量它們之間的結(jié)構(gòu)平均應變。在FBG長標距化之后，通過不同方向串聯(lián)傳感器，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的一維、二維和三維的分布式測量。長標距光纖光柵傳感器如圖1所示。

圖1 長標距光纖光柵傳感器

3 基于分布式光纖監(jiān)測的RC梁試驗

作為一種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能的評價方法，現(xiàn)場測試因為其理論簡單以及較少的數(shù)據(jù)處理和信號分析，受到人們的青睞。因此，采用室內(nèi)實驗研究分布式長標距FBG監(jiān)測系統(tǒng)在混凝土橋梁監(jiān)測中的可行性很有必要。

3.1 試驗準備

采用6 m長的RC梁進行靜載試驗，采用四點彎曲加載，從而驗證本文監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性以及分布式長標距FBG監(jiān)測理論對于健康監(jiān)測的適用性?；炷亮旱某叽?、配筋及加載形式如圖2所示。

圖2 試驗梁加載形式及配筋圖（單位：mm）

封裝好傳感器分別布設(shè)于梁的受拉和受壓區(qū)，監(jiān)測梁的分布應變。開槽埋入梁的底部受拉側(cè)和受壓翼緣，其標距和具體布設(shè)情況如圖3所示。梁撓度采用電測百分表（LVDT）進行測量。采用同類型的FBG傳感器粘貼于不受力的混凝土試塊上進行溫度補償，加載過程中使用裂縫觀測儀對梁的裂縫進行觀測。

圖3 傳感器布設(shè)示意圖（單位：mm）

此外，為了保證解調(diào)設(shè)備的正常工作，位于同一通道內(nèi)的FBG初始波長選擇應留有足夠的間隔，否則，各標距內(nèi)不同步的應變變化，有可能導致FBG中心波長的重疊，使解調(diào)失效。一般來說一個通道內(nèi)的FBG，其初始波長間隔2 nm以上將能滿足測試要求。

本次試驗加載采用采用液壓式千斤頂加載，分5級加載，第一級荷載12.5 kN，每10 kN為一級，至52.5 kN（80%的極限荷載）。每級加載后，持載1 min，待儀表的讀數(shù)基本穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)。試驗前進行預加載，保證傳感器與結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作后，讀取一段平穩(wěn)時間FBG的初始中心波長數(shù)據(jù)，取平均值后作為初始值保存。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

部分傳感器的荷載-應變曲線如圖4所示。從圖中可以看出，在應變較小的梁端區(qū)段曲線呈直線，這表明梁的該區(qū)段仍然處于彈性工作階段，未出現(xiàn)損傷。傳感器3在第三級荷載下應變出現(xiàn)了突然的增大，表明該區(qū)段在該級荷載下可能出現(xiàn)了損傷。對于位于跨中最有可能最先出現(xiàn)裂縫的傳感器6所在區(qū)段，其應變的突變在第四級荷載下才出現(xiàn)，并沒有很好地探測到梁的初損傷。經(jīng)過分析，這有可能是因為液壓千斤頂加載難于控制，荷載步長又過大，在預加載階段，梁就已經(jīng)出現(xiàn)了初損傷，而第四級荷載下的應變突變，對應的應該是該區(qū)段出現(xiàn)第二次損傷。

圖4 荷載-應變曲線

裂縫觀測儀得到的梁的裂縫開展情況如圖5所示（圖中省略了未出現(xiàn)裂縫的單元）?？梢钥闯觯現(xiàn)BG傳感器探測到了所有裂縫的出現(xiàn)。從試驗結(jié)果可以看出，相比傳統(tǒng)的應變片，長標距的FBG傳感器覆蓋了更大的空間，擁有更大的傳感范圍，可以準確地捕捉裂縫的出現(xiàn)。

圖5 梁裂縫圖

4 結(jié)論

混凝土裂縫是橋梁中常見的病害，其早期發(fā)現(xiàn)對于保證橋梁安全具有重要意義。傳統(tǒng)的傳感器往往是點式監(jiān)測，如果測點少則無法覆蓋整個結(jié)構(gòu)，測點過多又耗費巨大的成本。因此本文提出了一種基于光纖的分布式傳感技術(shù)。

此外，通過實驗室內(nèi)混凝土梁的試驗，對該分布式傳感技術(shù)的裂縫監(jiān)測方法和可靠性進行了分析，結(jié)果表明該傳感可以準確地監(jiān)測到裂縫，因此該方法對于實際橋梁的應用具有重要意義。

［1］丁睿，劉浩吾.分布式光纖傳感技術(shù)在裂縫檢測中的應用［J］.西南交通大學學報，2003（6）：651-654.

［2］唐天國，陳春華，劉浩吾.分布式光纖傳感用于大壩基座裂縫監(jiān)測(英文)［J］.傳感技術(shù)學報，2007（10）：2357-2360.

［3］毛江鴻.分布式光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)應變及開裂監(jiān)測中的應用研究［D］.杭州：浙江大學，2012.

［4］張少杰，陳江，閔興鑫，等.碳涂覆光纖用于分布式裂縫檢測的實驗研究［J］.四川大學學報（工程科學版），2010（4）：230-233.

［5］郭宗蓮，張宇峰，陳紫妍，等.分布式長標距FBG傳感技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應用研究［J］.世界橋梁，2015（1）：70-74.

Research on Bridge Fracture Monitoring Technology Based on Distributed Sensing

Liu Fashui
（Fuzhou Highway Bureau, Fuzhou 350211, China）

Concrete crack is a common diseases in the bridge, the serious structural cracking will be a threat to the safety of bridge structure. As a result, the crack detection and monitoring are always the important task of bridge management and maintenance. Traditional strain gauges are monitoring point by point, which is difficult to cover the crack area of bridge. This paper introduces the distributed optical fiber sensing technology, then it is applied in laboratory test on a concrete beam, which verifies the reliability of the proposed monitoring method. Distributive sensing technology for crack monitoring can overcome drawbacks of traditional strain gauges, and it has significant value for engineering practice.

distributed sensing technology; concrete crack; strain sensor; structural safety; condition assessment

U446.2

A

1672-9889（2016）06-0059-03

2016-10-31）

劉發(fā)水（1966-），男，福建長樂人，高級工程師，主要從事科技管理、養(yǎng)護工程管理工作。