何武超，李劭暉，江 震，俞建群，朱 駿，馬 骉

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海市 200092；2.上海市政工程檢測中心有限公司,上海市 201114；3.上海浦江纜索股份有限公司,上海市 200120；4.江蘇駿龍光電科技股份有限公司,江蘇 泰州 214599）

0 引言

資料顯示，許多國內(nèi)外拉索橋梁，特別是斜拉橋，在運(yùn)營過程中會由于鋼絲銹蝕、斷絲等病害而降低拉索承載能力，從而導(dǎo)致拉索未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限而不得不被更換[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)70至90年代初我國修建的30余座斜拉橋中，已經(jīng)加固修復(fù)的橋梁超過65%，其中有超過46%的斜拉橋已全部或部分更換了斜拉索，最近幾年仍有數(shù)座20世紀(jì)90年代后修建的斜拉橋需要換索。解決拉索的健康監(jiān)測問題已顯得日益重要[2]。

目前斜拉橋拉索健康監(jiān)測，尤其是對拉索內(nèi)部鋼絲健康狀況的檢測還缺乏有效的檢測手段和技術(shù)。目前的拉索檢測僅限于索力測量，一般采用壓力表測定法、壓力傳感器測定法、頻率法、磁通量法等方法，但此類方法無法提供拉索健康狀況的數(shù)據(jù)和信息[3]。

本文通過對FBG光纖光柵傳感器和光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的介紹，提出了將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于拉索內(nèi)部鋼絲健康監(jiān)測，并通過實(shí)驗(yàn)室技術(shù)驗(yàn)證和實(shí)橋應(yīng)用驗(yàn)證，從拉索制備和實(shí)橋應(yīng)用兩個方面驗(yàn)證了本文所闡述技術(shù)的可行性和可靠性。

1 基于光纖光柵健康監(jiān)測技術(shù)原理

1.1 斜拉橋拉索結(jié)構(gòu)及索力測量原理

斜拉橋拉索索體是由數(shù)十乃至上百根高強(qiáng)度鋼絲經(jīng)過排列扭絞而成，索體外部再輔以高強(qiáng)度繞包帶及高密度聚乙烯作為防護(hù)。通常使用的鋼絲直徑有 ?5 mm和 ?7 mm兩種，鋼絲強(qiáng)度有1 670、1 770、1 860 MPa等。

常見的斜拉橋拉索結(jié)構(gòu)主要有錨具和拉索索體構(gòu)成，錨具通過冷鑄或熱鑄方法與拉索中的高強(qiáng)度鋼絲進(jìn)行錨固連接。在斜拉橋上使用時(shí)拉索的兩端錨具分別固定在橋的塔端和梁端，兩端與中間部分的拉索共同受力[4]。

當(dāng)拉索處于工作狀態(tài)且正常受力時(shí)，理論上每根拉索索力會平均分配到索內(nèi)每根鋼絲上。在索力不斷變化時(shí)，每根鋼絲的拉力也不斷地被重新平均分配。理論上如果能獲得單根鋼絲的應(yīng)變情況就能根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系推算鋼絲的拉力及整根拉索的索力，從而準(zhǔn)確掌握拉索的實(shí)際受力狀況及健康狀況[5]。

拉索鋼絲在彈性范圍內(nèi)由于受力而被拉伸，其伸長量是極其微小的[6]，使用普通傳感器無法獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，這就需要使用高精度的光纖傳感器。將光纖傳感器粘結(jié)固定在鋼絲上，可以認(rèn)為在粘結(jié)固定區(qū)域范圍內(nèi)，等長度的鋼絲與傳感器傳感部分在軸向應(yīng)力作用下產(chǎn)生同步變形時(shí)，兩者具有相同的應(yīng)變。

1.2 光纖傳感器介紹及選擇

光纖傳感技術(shù)是一種以光纖為媒介，以光為載體，感知和傳輸外界信號（被測量）的新型傳感技術(shù)，是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)發(fā)展而逐步形成的。

光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比具有很多明顯優(yōu)勢：（1）體積小、質(zhì)量輕；（2）抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕；（3）屬于無源器件，對被測對象影響較?。唬?）便于多重使用，便于成網(wǎng)；（5）傳輸頻帶寬，動態(tài)范圍大，測量距離長；（6）可以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度以及壓力等的多點(diǎn)監(jiān)測[7]。

目前FBG光纖光柵傳感器常被選擇用作拉索監(jiān)測用傳感器。

1.3 FBG光纖光柵傳感器原理

FBG光纖光柵傳感器的光纖沿徑向從里向外分為纖芯、包層、涂覆層3部分，通過利用特殊的紫外光照射工藝，對特定部位的光纖纖芯進(jìn)行紫外照射，使得該區(qū)域光纖纖芯的折射率發(fā)生周期性變化，從而制成特定中心波長的光纖光柵。

光纖光柵的作用相當(dāng)于一個有選擇性的光譜反射鏡，最主要的功能是能將入射光中滿足布拉格條件的某一特定波長的光部分或全部反射。光纖光柵的中心波長和應(yīng)變、溫度成線性關(guān)系，根據(jù)這些特性可將光纖光柵制作成應(yīng)變、溫度、壓力、加速度等多種傳感器。

1.4 FBG傳感器用于拉索監(jiān)測技術(shù)難點(diǎn)

目前光纖光柵傳感器用于拉索監(jiān)測尚有諸多問題需要解決：

（1）傳感器的安裝方式。由于拉索全密閉的結(jié)構(gòu)及其制錨工藝，無法將傳感器合理地安裝在拉索上進(jìn)行監(jiān)測。

（2）光纖光柵傳感器與鋼絲粘結(jié)工藝。由于拉索鋼絲之間內(nèi)部縫隙狹小，在鋼絲縫隙之間注入膠水并粘結(jié)傳感器是一個難題。

2 FBG傳感器植入拉索工藝研究

研究人員經(jīng)過反復(fù)對比，發(fā)現(xiàn)一種能夠不破壞原拉索結(jié)構(gòu)的傳感器植入方式，就是在拉索錨具部位預(yù)置一個不銹鋼鋼管通道，在拉索制作完成后，通過該通道進(jìn)行傳感器的植入。傳感器植入拉索結(jié)構(gòu)圖見圖1。

FBG光纖光柵傳感器在工廠內(nèi)植入拉索的制作工藝和普通斜拉索基本相同，僅在制錨時(shí)增加了傳感器的預(yù)置通道和密封防護(hù)措施。拉素預(yù)置通道見圖2。

圖1 FBG光纖光柵傳感器植入拉索結(jié)構(gòu)圖

圖2 拉索預(yù)置通道

為解決傳感器與不銹鋼管的粘結(jié)問題，試驗(yàn)人員通過蘸膠法和注膠法進(jìn)行比選，通過反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)注膠法更為可靠。該方法通過使用自動拌料器、注膠器、定制針頭等工具，在預(yù)置不銹鋼管的特定位置進(jìn)行注膠。采用注膠法后傳感器的粘結(jié)質(zhì)量、可靠性大大提高，而且施工簡單方便。

3 FBG傳感器與拉索受力相關(guān)性試驗(yàn)研究

為了完整掌握拉索應(yīng)力分布情況，專門制作了1根試驗(yàn)索。試驗(yàn)索規(guī)格為 ?7-223,長度為5 m，錨具一端采用植入鋼絲法預(yù)留通道，另一端采用預(yù)置通道法進(jìn)行制作。試驗(yàn)采用2種類型的FBG光纖光柵傳感器，其中T1型傳感器長為1.1 m（含1個傳感器），T2型傳感器長度為1.5 m（含2個傳感器）。

T1、T2型傳感器布置圖見圖3、圖4。

圖3 T1型傳感器布置圖

圖4 T2型傳感器布置圖

為測試?yán)鞑煌恢弥踩隖BG光纖光柵傳感器的可靠性，以及確定不同位置拉索受力的分布情況，試驗(yàn)前分別將傳感器植入了不同的部位。

傳感器植入拉索后，將拉索放在實(shí)驗(yàn)室靜載試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)拉索加荷以每次500 kN的力遞增至5 000 kN，當(dāng)?shù)竭_(dá)試驗(yàn)最大值后再以同樣的速度卸載，每級荷載持荷30 s，以保證拉索受力的穩(wěn)定性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。通過反復(fù)幾次的施力和卸載來測試?yán)鞑煌恢玫膽?yīng)力情況。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，上述工藝和方法是可行、有效的，傳感器和拉索有極強(qiáng)的相關(guān)性，且可重復(fù)性能良好，拉索不同位置的應(yīng)力和理論分析時(shí)完全一致。

4 FBG傳感器實(shí)橋應(yīng)用試驗(yàn)研究

都（昌）九（江）高速鄱陽湖二橋是江西省第二大跨徑斜拉橋，主橋主跨420 m，斜拉索采用空間扇形雙索面形式，共36對144根拉索，其中選取B8和Z9索號拉索安裝光纖光柵傳感器進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)。鄱陽湖二橋施工監(jiān)測中使用FBG光纖光柵傳感器及相關(guān)設(shè)備。

傳感器安裝完成圖見圖5，光纖光柵數(shù)據(jù)采集見圖6。

圖5 傳感器安裝完成圖

圖6 光纖光柵數(shù)據(jù)采集

4.1 試驗(yàn)用傳感器

鄱陽湖二橋試驗(yàn)采用的FBG光纖光柵傳感器外形全長為900 mm和850 mm，位于直徑不大于1 mm的柔性鋼絲套內(nèi)。傳輸光纖長度為50 m，連接端為FC/APC接口。傳感器量程±4 000 μm/m，分辨率0.5 μm/m，光柵柵區(qū)長度為15 mm。

4.2 拉索張拉國產(chǎn)FBG光纖檢測試驗(yàn)

不同于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)可以對鋼絲進(jìn)行多次加載和卸載，實(shí)橋試驗(yàn)中根據(jù)現(xiàn)場測試點(diǎn)隨機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，并與頻率法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。

在試驗(yàn)中由于無法獲得全程錨索計(jì)數(shù)據(jù)，故將頻率法索力作為參照基準(zhǔn)。由表1可知，光纖測得的相對索力能夠與頻率法測得數(shù)據(jù)基本一致。

表1 鄱陽湖二橋B8索測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文通過一系列試驗(yàn)，總結(jié)了一整套行之有效的FBG光纖光柵傳感器植入拉索技術(shù)和制造工藝，分別以實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和實(shí)橋驗(yàn)證的方式證明國產(chǎn)光纖傳感、檢測技術(shù)用于拉索健康監(jiān)測是可行、有效的，并完全可以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平。

結(jié)合本文介紹的光纖傳感技術(shù)，輔以整套監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以通過無線傳輸?shù)姆绞綄π崩瓨蚶鬟M(jìn)行全天候24 h的健康監(jiān)測?；谶@些優(yōu)勢，以FBG光纖光柵傳感器為基礎(chǔ)的光纖檢測技術(shù)在斜拉橋拉索健康監(jiān)測方面的應(yīng)用將有良好的前景。