侯 娜

(1. 遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166;2. 遼寧大通公路工程有限公司 沈陽(yáng)市 110179)

0 引言

隨著信息化、數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用推廣,公路交通行業(yè)通過(guò)新型傳感技術(shù)賦能傳統(tǒng)土木工程,融合自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的智能感知,從而加快基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的數(shù)字化創(chuàng)新應(yīng)用[1-4]。公路交通行業(yè)的土木工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)和檢測(cè)技術(shù)也持續(xù)創(chuàng)新迭代,其中分布式光纖傳感技術(shù)由于適合長(zhǎng)距離、大尺寸結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試以及抗干擾性好、光纖材料性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多地應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)測(cè)試中。目前商用的分布式光纖測(cè)試設(shè)備在測(cè)量距離和精度上已可以滿(mǎn)足諸多工程應(yīng)用場(chǎng)景。其作為一種通用測(cè)試設(shè)備,可以滿(mǎn)足應(yīng)變、溫度物理量的通用測(cè)試,卻不能直觀地將傳感數(shù)據(jù)映射到整體結(jié)構(gòu)上。為提升其工程應(yīng)用性,針對(duì)商用的分布式光纖傳感測(cè)試設(shè)備開(kāi)展系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及集成系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究。

1 分布式光纖傳感技術(shù)

光纖傳感與傳統(tǒng)電子傳感相比,光電絕緣性更好,具有抗電磁干擾、耐腐蝕、高靈敏度和非侵入性等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)便于融入通信傳輸系統(tǒng),利于遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前在土木工程結(jié)構(gòu)智能感知監(jiān)測(cè)領(lǐng)域使用較為廣泛的是布拉格光纖光柵傳感器,用于橋梁、隧道、邊坡等大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、位移、振動(dòng)等監(jiān)測(cè)。它雖然有上述優(yōu)于傳統(tǒng)電傳感器的特點(diǎn),但在監(jiān)測(cè)空間維度上仍屬于單點(diǎn)監(jiān)測(cè),無(wú)法更好匹配大型結(jié)構(gòu)的全域、多維度的監(jiān)測(cè)需求。

近幾年,隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用及工程性推廣,分布式光纖傳感技術(shù)也越來(lái)越多地應(yīng)用在土木工程領(lǐng)域?；诓祭餃Y散射原理的PPP-BOTDA系統(tǒng)應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)試,其在測(cè)試距離、空間分辨率和應(yīng)變精度方面都能較好地滿(mǎn)足工程需要。其中商用設(shè)備N(xiāo)BX-6050A,工作波長(zhǎng)在1550nm,測(cè)量距離可達(dá)50m至25km,測(cè)量頻率范圍9～13GHz,應(yīng)變測(cè)量范圍-30000～40000με,空間分辨率5～100cm,測(cè)量精度15με/0.75℃,重復(fù)性可達(dá)10με/0.5℃,適用單模光纖。同樣,隨著工程應(yīng)用的推廣,更多適用于不同測(cè)試場(chǎng)景的傳感光纜應(yīng)運(yùn)而生,比如適用于混凝土表面應(yīng)變和裂紋監(jiān)測(cè)的纖維布復(fù)合光纜,帶溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變復(fù)合光纜,適用于混凝土內(nèi)部應(yīng)力、溫度測(cè)試的金屬鋼絞線(xiàn)應(yīng)變傳感光纜,金屬無(wú)縫管封裝的溫度傳感光纜等。除了基于BOTDA技術(shù)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量,基于Φ-OTDR原理的分布式光纖傳感系統(tǒng)可用于安防、原油輸送管道運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)等?；诶⑸涞姆植际綔囟缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)則更為廣泛地應(yīng)用在隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)等分布式溫度監(jiān)測(cè)場(chǎng)所。

2 分布式光纖測(cè)試系統(tǒng)集成

分布式光纖測(cè)試系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)在硬件上將商用的分布式光納儀NBX-6050A與雙路程控的光開(kāi)關(guān)模塊通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信和自主開(kāi)發(fā)的多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集軟件集成為多通道自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng),同時(shí)配套開(kāi)發(fā)了離線(xiàn)數(shù)據(jù)處理分析軟件模塊,從而較直觀地展示結(jié)構(gòu)體多維度應(yīng)變分布、溫度場(chǎng)變化規(guī)律等。

2.1 分布式光纖多通道自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

目前使用的分布式光纖測(cè)試設(shè)備通常是單通道的,僅能實(shí)現(xiàn)單個(gè)光纖環(huán)路的測(cè)試,在實(shí)際應(yīng)用中如結(jié)構(gòu)靜力加載試驗(yàn)由于模型結(jié)構(gòu)各部位承載能力不同,單測(cè)試環(huán)路的量程和分辨率無(wú)法滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)各個(gè)部件的測(cè)試需求,而每次手動(dòng)更換多個(gè)測(cè)試環(huán)路。效率較低,同時(shí)多次插拔容易引入灰塵增大光損,影響測(cè)試效果。將單測(cè)試通道按實(shí)際測(cè)試需求拓展通道數(shù)量(集成系統(tǒng)中標(biāo)配為8通道),同時(shí)利用商用NBX光納儀開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu),自定義儀器測(cè)試流程,實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用,提高設(shè)備工作效率。多通道自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可滿(mǎn)足分布式光纖在廣域結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方向長(zhǎng)期無(wú)人值守工作的條件。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示,系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成圖

圖2 系統(tǒng)流程圖

分布式光纖多通道自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn),采用圖形化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW 2018,結(jié)合可編程光開(kāi)關(guān)模塊提供的基于TCP/IP的應(yīng)答式通信協(xié)議,調(diào)用了分布式光納儀NBX-6050A開(kāi)放的基于.NET的SDK。軟件功能模塊如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能模塊

2.2 分布式光纖傳感數(shù)據(jù)的離線(xiàn)分析模塊

商用分布式光纖測(cè)試系統(tǒng)在底層應(yīng)用上還只是通用的分布式應(yīng)變、溫度測(cè)量設(shè)備,其測(cè)量結(jié)果更多地展示傳感光纖直線(xiàn)距離的應(yīng)變、溫度變化,難以直觀地反映出結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面甚至三維空間的應(yīng)變分布狀態(tài)、溫度場(chǎng)變化規(guī)律。若想更多地了解復(fù)雜結(jié)構(gòu)在荷載下的多維度應(yīng)變分布規(guī)律,可以結(jié)合結(jié)構(gòu)模型受力特性多維度布設(shè)傳感光纜,包括混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部、表面多通道傳感光纜布設(shè)。這樣即可更全面地捕捉到不同截面、不同維度的結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化。而這種多層多通道的光纜布設(shè)方案,也使后期數(shù)據(jù)處理變得更為復(fù)雜。為解決這一問(wèn)題,本系統(tǒng)中配套開(kāi)發(fā)了離線(xiàn)數(shù)據(jù)處理分析模塊。

分布式光纖傳感數(shù)據(jù)的離線(xiàn)分析功能包括:光纖傳感數(shù)據(jù)按其在結(jié)構(gòu)模型中實(shí)際布設(shè)位置的映射變換,數(shù)據(jù)濾波降噪,分布式傳感測(cè)線(xiàn)在多級(jí)荷載下自定義應(yīng)變曲線(xiàn)繪制,結(jié)構(gòu)平面應(yīng)變顯示,結(jié)構(gòu)三維應(yīng)變曲線(xiàn)圖顯示,結(jié)構(gòu)多級(jí)荷載下應(yīng)變曲線(xiàn)動(dòng)態(tài)回放及數(shù)據(jù)報(bào)表生成等功能。分析軟件可實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)和空間多維度展示結(jié)構(gòu)受力情況,為分布式光纖傳感在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方向提供良好技術(shù)支撐。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 型鋼組合梁負(fù)彎矩區(qū)抗裂性能試驗(yàn)

為探究型鋼組合梁負(fù)彎矩區(qū)連續(xù)橋面板開(kāi)裂機(jī)理及開(kāi)裂后結(jié)構(gòu)性能退化機(jī)制,開(kāi)展型鋼組合梁負(fù)彎矩區(qū)抗裂性能試驗(yàn),如圖3所示。為全面掌握試驗(yàn)?zāi)Ｐ拓?fù)彎矩區(qū)裂縫出現(xiàn)時(shí)間、分布區(qū)域及其拓展規(guī)律,引入分布式光纖測(cè)試技術(shù)。通過(guò)在混凝土橋面板頂面布設(shè)纖維布復(fù)合傳感光纜來(lái)觀察橋面板頂面混凝土開(kāi)裂情況,在橋面板內(nèi)部布設(shè)鋼絞線(xiàn)應(yīng)變傳感光纜觀察橋面板內(nèi)部在加載過(guò)程中的應(yīng)變變化情況。

圖3 模型試驗(yàn)實(shí)景圖

具體光纜布設(shè)方式為橋面板內(nèi)部在制作過(guò)程中分別在上下兩層鋼筋沿縱向綁扎6條鋼絞線(xiàn)應(yīng)變傳感光纜,此種光纜經(jīng)過(guò)特殊封裝能適應(yīng)混凝土澆筑的惡劣工況,在靜力加載過(guò)程中能展現(xiàn)混凝土內(nèi)部上下層平面的應(yīng)變變化情況。此次試驗(yàn)橋面板內(nèi)部應(yīng)變分布如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,橋面板內(nèi)部上層鋼筋平面混凝土應(yīng)變大于下層鋼筋平面混凝土應(yīng)變。

圖4 橋面板內(nèi)部應(yīng)變曲面

橋面板頂面沿縱向使用浸漬膠粘貼12條纖維布復(fù)合傳感光纜,表貼后效果圖見(jiàn)圖3。此種光纜靈敏度較高,可以很好地捕捉到加載過(guò)程中的應(yīng)變異常值從而全過(guò)程展現(xiàn)橋面板頂面裂紋產(chǎn)生、拓展及分布規(guī)律。此次實(shí)驗(yàn)橋面板頂面裂縫分布如圖5所示,橋面板裂縫分布圖是由表貼的12條傳感光纖測(cè)量到的各級(jí)加載下的應(yīng)變曲線(xiàn)通過(guò)峰值檢測(cè)最終繪制的裂縫分布圖,可對(duì)照試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆蛎姘彘_(kāi)裂局部裂縫圖。從試驗(yàn)結(jié)果可知,橋面板頂面裂縫主要分布在橋面板中心斷面距兩側(cè)各1m范圍內(nèi),且出現(xiàn)多條橫向貫通裂紋,測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裂紋基本吻合。

圖5 橋面板頂面裂縫位置分布圖

3.2 大面積混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)應(yīng)用

通過(guò)澆筑混凝土橋面足尺鋪裝模型,驗(yàn)證快干混凝土澆筑大體積橋面鋪裝層的可行性。引入分布式光纖傳感溫度測(cè)試技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)快干混凝土鋪裝層內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),從而判斷快干混凝土橋面鋪裝層內(nèi)部水化熱導(dǎo)致的溫差,為該類(lèi)混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程提供科學(xué)指導(dǎo)。使用既有普通型快干混凝土澆筑橋面鋪裝模型,模型尺寸為l×b×h=16000mm×5000mm×1000mm。該模型實(shí)驗(yàn)采用金屬無(wú)縫管封裝的溫度傳感光纜,分別沿橋面鋪裝層16m方向測(cè)試模型底層(模型與地面交界面)、中間層(模型內(nèi)部中間層)和表層的溫度場(chǎng)分布,從而掌握快干型混凝土澆筑大體積橋面鋪裝的水化熱反應(yīng)。

快干型混凝土澆筑后,內(nèi)部發(fā)生水化反應(yīng)釋放水化熱。由澆筑完成7d內(nèi)(140h)的溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)所知,分布式溫度傳感光纜能較好地反映橋面鋪裝模型內(nèi)部溫度場(chǎng)分布,中間層溫度略高于底層溫度,且溫度場(chǎng)變化符合晝夜環(huán)境溫度變化規(guī)律,如圖6所示。

圖6 橋面鋪裝模型內(nèi)部混凝土溫度場(chǎng)

4 結(jié)論

綜上,分布式光纖傳感技術(shù)適用于大型結(jié)構(gòu)的智能感知,且具備廣闊的工程應(yīng)用推廣前景。對(duì)商用分布式光纖傳感設(shè)備的集成設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),由單通道測(cè)試設(shè)備改造成多通道自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng),簡(jiǎn)化測(cè)試流程,提高測(cè)試效率。配套開(kāi)發(fā)的分布式光纖傳感數(shù)據(jù)分析模塊,直觀地將傳感數(shù)據(jù)映射到被測(cè)結(jié)構(gòu)模型上,可展現(xiàn)混凝土表面裂紋開(kāi)展,結(jié)構(gòu)多維度應(yīng)變分布以及溫度場(chǎng)變化規(guī)律等。分布式光纖測(cè)試集成系統(tǒng)在應(yīng)用中積累需求,通過(guò)系統(tǒng)功能迭代開(kāi)發(fā)不斷滿(mǎn)足工程應(yīng)用需求,在我國(guó)推進(jìn)數(shù)字化公路建設(shè)的過(guò)程中可作為結(jié)構(gòu)感知部分的有效技術(shù)手段。同時(shí),結(jié)合數(shù)字化公路設(shè)計(jì)中通信光纜的布設(shè),綜合組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)方便接入,在優(yōu)化光纖解調(diào)設(shè)備數(shù)量的同時(shí)滿(mǎn)足長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)工程需求。