王劍波

摘 ?要：在橋梁工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與質(zhì)量要求不斷增加的今天，為了確保橋梁工程的質(zhì)量，必須要采取有效的檢測(cè)方法與技術(shù)對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行仔細(xì)校核。文章以光纖傳感技術(shù)為研究對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)其在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入探討，希望為后續(xù)橋梁工程質(zhì)檢的相關(guān)研究提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;質(zhì)量檢測(cè);光纖傳感技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U446 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）31-0154-02

Abstract： Today， with the increase in complexity and quality requirements for bridge engineering structure， in order to ensure the quality of bridge engineering， effective testing methods and techniques must be adopted to carefully check its quality. This paper takes the optical fiber sensing technology as the research object， and focuses on its application in bridge detection， in the hope of providing some help for the follow-up research of bridge engineering quality inspection.

Keywords： bridge engineering; quality inspection; optical fiber sensing technology

橋梁工程具有里程長(zhǎng)、工程造價(jià)高、覆蓋面廣、施工難度大以及質(zhì)量要求高等特征，尤其是新時(shí)期橋梁工程在后期運(yùn)營(yíng)中常常需要承受過(guò)大的持續(xù)性荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性與強(qiáng)度具有較高要求。為了確保橋梁工程建設(shè)的質(zhì)量，或者為已建橋梁工程的改擴(kuò)建提供必要的指導(dǎo)意見(jiàn)，有必要采取一些先進(jìn)的質(zhì)檢技術(shù)。

1 橋梁檢測(cè)中光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在以往的橋梁工程質(zhì)檢當(dāng)中普遍采取電檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)在測(cè)定的關(guān)鍵位置處設(shè)置電阻應(yīng)變片，通過(guò)監(jiān)測(cè)電阻和電阻應(yīng)變片之間的規(guī)律進(jìn)行測(cè)定。由于該種檢測(cè)技術(shù)本身以“應(yīng)變-電量”為核心依據(jù)，非常容易受到測(cè)定環(huán)境因素的影響。比如，如果測(cè)定環(huán)境中的空氣具有比較大的濕度，那么容易增大電阻，進(jìn)而會(huì)誘發(fā)短路問(wèn)題，影響點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。而光纖傳感技術(shù)本身是以光信號(hào)為檢測(cè)的核心數(shù)據(jù)傳遞媒介，本身不會(huì)給橋梁結(jié)構(gòu)造成過(guò)大損害的同時(shí)，可以顯著增強(qiáng)其抗干擾能力，相應(yīng)的檢測(cè)分辨率與靈敏度也比較高。在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，在電磁場(chǎng)、壓力與溫度等外界條件的影響下，通過(guò)光纖中的光波參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)定光波參數(shù)的變化來(lái)了解相關(guān)物理量的大小，具體原理圖見(jiàn)圖1。

歸結(jié)起來(lái)，光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)如下：其一，操作便捷，抗干擾性能顯著。光纖傳感器發(fā)出的光信號(hào)不會(huì)受到外部環(huán)境中充斥的電磁波或噪聲等因素影響，更有利于保證測(cè)定結(jié)果可靠性。其二，光纖本身的柔韌性比較強(qiáng)，可以結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的不同形狀來(lái)針對(duì)性制作適宜形狀的光纖傳感器。其三，具有更寬的測(cè)量頻帶以及更大的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，可以適應(yīng)于多種情況下的工程測(cè)量情況。

2 橋梁檢測(cè)中光纖傳感技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 應(yīng)用于橋梁振動(dòng)檢測(cè)

橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)是影響橋梁工程正常通車(chē)的一個(gè)重要因素，嚴(yán)重的會(huì)危及橋梁結(jié)構(gòu)使用的安全性。在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，如果可以創(chuàng)新應(yīng)用光纖傳感技術(shù)，那么可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的振幅、頻率等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有效地檢測(cè)，尤其是不單單可以從整體上對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)定，同樣可以結(jié)合實(shí)際的需求對(duì)局部部位的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)。在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)期間，可以首先在橋梁內(nèi)部或表層位置處合理地安裝信號(hào)光纖，這樣可以使其伴隨著橋梁結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)情況而相應(yīng)地做出振動(dòng)響應(yīng)，而終端所輸出的光信號(hào)參數(shù)也會(huì)相應(yīng)地出現(xiàn)周期性變化。然后可以將這些具有振動(dòng)信號(hào)特征的光信號(hào)參數(shù)傳遞給處理系統(tǒng)，并利用FFT分析這些反映振動(dòng)因素的光信號(hào)參數(shù)變化之后即可確定出最終的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期與頻率。

2.2 應(yīng)用于橋梁應(yīng)變檢測(cè)

橋梁結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題也是影響橋梁工程使用性能的一個(gè)重要因素，會(huì)給橋梁工程結(jié)構(gòu)使用的安全性與穩(wěn)定性帶來(lái)比較嚴(yán)重的影響，所以無(wú)論是新建路橋工程或者是在服役的路橋工程，對(duì)它們本身的應(yīng)變情況進(jìn)行檢測(cè)是路橋工程檢測(cè)的重要內(nèi)容之一。而在橋梁應(yīng)變檢測(cè)中應(yīng)用光纖傳感技術(shù)期間同樣可以根據(jù)相應(yīng)的傳感原理，在橋梁工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)應(yīng)變的關(guān)鍵位置處科學(xué)安裝應(yīng)變傳感器，并做好相應(yīng)的應(yīng)變標(biāo)注。在標(biāo)注操作完畢后即可檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況，同時(shí)在開(kāi)展應(yīng)變檢測(cè)期間也要注意相應(yīng)地做好應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果的觀察與記錄，最終可以直觀地觀察到橋梁結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)變情況。實(shí)際上，在橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)檢過(guò)程中，應(yīng)變與應(yīng)力都是關(guān)系橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性與安全性的重要參數(shù)。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)而言，針對(duì)橋梁局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)可以采用E-P光纖傳感器進(jìn)行測(cè)定;針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)分布應(yīng)力監(jiān)測(cè)可以采用光纖布拉格光柵傳感器進(jìn)行測(cè)定。

以橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)為例，其在應(yīng)用光纖傳感技術(shù)期間主要涉及到如下幾個(gè)關(guān)鍵的步驟：其一，有效判定外部靜態(tài)環(huán)境條件是否滿足有關(guān)的規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn);其二，針對(duì)已經(jīng)標(biāo)注的各種傳感器，要專門(mén)性挑選適合類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備;其三，針對(duì)橋梁應(yīng)變?cè)陟o態(tài)環(huán)境當(dāng)中的情況檢測(cè)，要相應(yīng)地對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行均勻分布，確保測(cè)點(diǎn)分布的均勻性與全面性。其四，要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)量開(kāi)展工作應(yīng)力輸入，并對(duì)輸入與輸出的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。然后可以調(diào)整輸入值到零值，重新對(duì)輸入與輸出兩個(gè)量的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。依此操作開(kāi)展重復(fù)二次操作，最后可以通過(guò)特定曲線公式結(jié)合測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的最終應(yīng)變值進(jìn)行計(jì)算。

2.3 應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)

混凝土結(jié)構(gòu)是橋梁結(jié)構(gòu)的“筋骨”，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載性、強(qiáng)度與穩(wěn)固性具有較高要求。一旦混凝土結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度不滿足規(guī)定要求，就容易影響其使用性能的發(fā)揮，甚至誘發(fā)比較嚴(yán)重的安全事故。但是橋梁工程使用時(shí)間越久，其結(jié)構(gòu)材料容易遭受更加嚴(yán)重的侵蝕，進(jìn)而可能會(huì)形成越來(lái)越多程度各不相同的裂紋。根據(jù)裂紋的大小情況，一般可以將其相應(yīng)地劃分為貫穿裂縫與深裂縫兩種類(lèi)型，其中后者的裂縫深度尺寸一般控制在0.2～0.3mm，而前者在出現(xiàn)之后會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)使用性能的正常發(fā)揮帶來(lái)不利影響，增加其出現(xiàn)安全事故的概率，甚至?xí)娼档蜆蛄航Y(jié)構(gòu)的整體承載性與強(qiáng)度，危及其使用的安全性。而裂縫也會(huì)逐漸發(fā)展成更為嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，甚至誘發(fā)坍塌等一些突出的施工安全事故，如影響橋梁結(jié)構(gòu)破損或嚴(yán)重變形等等。

如果橋梁工程本身出現(xiàn)了裂縫，那么要及時(shí)采取一些切實(shí)可行的手段與方法對(duì)它們進(jìn)行合理調(diào)整，如可以借助光纖傳感器技術(shù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，之后結(jié)合檢測(cè)所得到的結(jié)果來(lái)優(yōu)化調(diào)整混凝土結(jié)構(gòu)，保證其使用性能的正常發(fā)揮。而在實(shí)際的橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)過(guò)程中如果可以有效地運(yùn)用光纖傳感技術(shù)，那么可以通過(guò)分布式檢測(cè)技術(shù)與手段的應(yīng)用來(lái)確保整體檢測(cè)的全面性，避免出現(xiàn)漏檢或錯(cuò)檢問(wèn)題的出現(xiàn)。相較于以往的電檢測(cè)技術(shù)，光纖傳感技術(shù)的靈活應(yīng)用更容易確保整體測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且相應(yīng)的操作比較便捷，不會(huì)嚴(yán)重破壞所檢測(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)，這樣更有利于確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。在實(shí)際的混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)過(guò)程中，可以通過(guò)提前在混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)埋入可埋式光纖傳感器（圖2）的方式，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度、耐久性等相關(guān)情況進(jìn)行有效地檢測(cè)。

圖2 可埋式光纖傳感器

2.4 應(yīng)用于橋梁其他檢測(cè)

除了上述幾個(gè)主要的橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)中應(yīng)用光纖傳感器之外，還可以將光纖傳感器應(yīng)用于其他方面的橋梁檢測(cè)項(xiàng)目當(dāng)中，如可以將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)橋梁受力結(jié)構(gòu)附件上面，如拱橋系桿、吊桿、懸索橋主纜以及系桿等中;也可以將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于錨桿與錨索等一些橋梁工程當(dāng)中的預(yù)應(yīng)力錨固構(gòu)件的質(zhì)量檢測(cè)當(dāng)中。通過(guò)有效地應(yīng)用光纖傳感技術(shù)，可以對(duì)構(gòu)件的受力大小情況、檢測(cè)值以及分布情況等進(jìn)行仔細(xì)地測(cè)定，這樣可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)本身的使用性能進(jìn)行更加準(zhǔn)確地反映。簡(jiǎn)言之，無(wú)論是新建工程或者是在服役的橋梁工程當(dāng)中，針對(duì)涉及到應(yīng)力、應(yīng)變以及強(qiáng)度和耐久性等使用性能的檢測(cè)，都可以結(jié)合實(shí)際的質(zhì)量檢測(cè)工作的需求，靈活地制定光纖傳感技術(shù)應(yīng)用方案，保證可以充分發(fā)揮其在提升檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性方面的積極作用，有效確保橋梁結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，光纖傳感技術(shù)是在當(dāng)前橋梁工程質(zhì)檢領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種檢測(cè)技術(shù)。在實(shí)際橋梁工程檢測(cè)中應(yīng)用光纖傳感技術(shù)，具有檢測(cè)效率高，成本低和操作便捷等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，具體可以應(yīng)用于橋梁振動(dòng)、應(yīng)變、混凝土結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域中，保證可以充分發(fā)揮光纖傳感技術(shù)在確保最終橋梁工程質(zhì)量檢測(cè)效果方面的積極作用。

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